雷诺实验.docx

雷诺实验一、理论概述英国物理学家雷诺在 1883 年发表的论著中, 不仅通过实验确定了层流和湍流两种流动状态,而且测定了流动损失与这两种流动状态的关系。雷诺实验装置如图 1 所示。当管 2 中的水流速度较低时,如拧开颜色水瓶 4 下的阀门,便可看到一条明晰的细小的着色流束,此流束不与周围的水相混,如图 2(a) 所示。如果将细管 5 的出口移至管 2 进口的其它位置,看到的仍然是一条明晰的细小的着色流束。由此可以判断,管 2 内的整个流场呈一簇互相平行的流线,这种流动状态称为层流(或片流) 。当管 2 内的流速逐渐增大时, 图1 雷诺实验装置开始着色流束仍呈清晰的细线,当流速增大到 1- 水箱; 2- 玻璃管; 3- 阀门; 一定数值,着色流束开始振荡,处于不稳定状 4- 颜色水瓶; 5- 细管; 6- 量筒态,如图 2(b) 所示。如果流速在稍增加,振荡的流束便会突然破裂,着色流束在进口段的一定距离内完全消失,而与周围的流体相混,颜色扩散至整个玻璃管内,如图 2(c) 所示。这时流体质点作复杂的无规则的运动,这种流动状态称为湍流( 或湍流)。由层流过渡到湍流的速度极限值成为上临界速度, 以 v 表示之。继续增大流速,将进一步增加流动的紊乱程度。如果管内流速自高于上临界速度逐渐降低,则会发现, 当流速降低到比上临界流速更低的下临界速度 v 时,原先处于湍流状态的流动便会稳定地转变为层流状态,着色流束重新成为一条明晰的细小的直线。由雷诺实验可以看出,粘性流体存在两种流动状态-层流与湍流。当流速超过上临界速度 v'时,(c) 湍流层流转变为湍流; 当流速低于下临界速度 v 时,湍流转变为层流;当流速介于上、下临界速度之间时, 流体的流动状态可能是层流也可能是湍流, 与实验的起始状态和有无扰动等因素 有关。沿程损失与流速的关系示意雷诺曾经用 3(a) 所示的简单装置测定了沿程损失随流速变化的规律,从而看出沿程损失与流动状态之间的关系。当流速由低到高升高时,实验点沿 OABCD 线移动;当流速由高到低降低时,实验点沿 DCAO 线移动,见图 3(b) 。如果用对数坐标整理上述实验结果, 便可得到如图 3(c) 所示的对应的直线变化,其方程式为: 式中 k 为系数,n 为指数, 均由实验确定。实验结果证明 : 当, 时, ' 即层流中的沿程损失与平均流速的一次方成正比; 当时, 即湍流中的沿程损失与平均流速的 ~2 次方成正比。实验中还发现,仅靠临界速度来判别流体的流动状态和整理实验资料很不方便,因为随着流体的粘度、密度以及线性尺寸的不同, 临界速度也不同。要保证在粘滞力作用下的流动相似, 两流动的雷诺数必须相等。雷诺数正是上述诸变量的零量纲综合量, 是判别流体流动状态的准则数。对于直径为 d 的圆截面管道, 对应于临界速度的临界雷诺数实验结果表明,不论流体的性质和管径如何变化,下临界雷诺数 Re = 2320, 上临界雷诺数可达 Re=13800 ,甚至更高些。上临界雷诺数与实验的环境条件和流动的起始状态有关。当 Re <Re 时,流动为层流,当 Re >Re 时,流动为湍流,当时, 可能是层流, 也可能是湍流, 处于极不稳定的状态。这时, 即使小心实验,可以保持层流,但只要稍有扰动,层流瞬即被破坏而转变为湍流。因此,上临界雷诺数在工程上