雷諾實驗

雷諾揭示了重要的流體流動機理，即根據流速的大小，流體有兩種不同的形態。當流體流速較小時，流體質點只沿流動方向作一維的運動，與其周圍的流體間無宏觀的混合即分層流動這種流動形態稱為層流或滯流。流體流速增大到某個值后，流體質點除流動方向上的流動外，還向其它方向作隨機的運動，即存在流體質點的不規則脈動，這種流體形態稱為湍流。

一．定義

雷諾實驗1883年，雷諾（Reynold）做了一系列經典實驗，以驗證前人所做的同類實驗，并力求找到流體流動由層流狀態過渡到湍流狀態所需的條件。雷諾用滴管在流體內注人有色顏料，發現流速不大時，管內呈現一條條與管壁平行并清晰可見的有色細絲即脈線，管內流體分層流動，互不混淆，說明管內流體處于層流運動狀態。若保持管徑不變，增大流速，則脈線變粗，開始出現波紋，隨管內流速的增加，波紋的數目和振幅逐漸加大，當流速達到某數值時，脈線突然分裂成許多運動著的小渦旋，繼而很快消失，使整個管內的流體帶上了淡薄的顏料的顏色。這說明管內流體的不規則運動，使各部分顏料顆粒相互劇烈摻混，并混亂而均勻地分散到整個流體之中，導致脈線消失，此時流體處于湍流狀態。

二．實驗目的

1、觀察液體流動時的層流和紊流現象。區分兩種不同流態的特征，搞清兩種流態產生的條件。分析圓管流態轉化的規律，加深對雷諾數的理解。

2、測定顏色水在管中的不同狀態下的雷諾數及沿程水頭損失。繪制沿程水頭損失和斷面平均流速的關系曲線，驗證不同流態下沿程水頭損失的規律是不同的。進一步掌握層流、紊流兩種流態的運動學特性與動力學特性。

3、通過對顏色水在管中的不同狀態的分析，加深對管流不同流態的了解。學習古典流體力學中應用無量綱參數進行實驗研究的方法，并了解其實用意義。

三．實驗原理

1、液體在運動時，存在著兩種根本不同的流動狀態。當液體流速較小時，慣性力較小，粘滯力對質點起控制作用，使各流層的液體質點互不混雜，液流呈層流運動。當液體流速逐漸增大，質點慣性力也逐漸增大，粘滯力對質點的控制逐漸減弱，當流速達到一定程度時，各流層的液體形成渦體并能脫離原流層，液流質點即互相混雜，液流呈紊流運動。這種從層流到紊流的運動狀態，反應了液流內部結構從量變到質變的一個變化過程。

液體運動的層流和紊流兩種型態，首先由英國物理學家雷諾進行了定性與定量的證實，并根據研究結果，提出液流型態可用下列無量綱數來判斷：

Re=Vd/ν

Re稱為雷諾數。液流型態開始變化時的雷諾數叫做臨界雷諾數。

在雷諾實驗裝置中，通過有色液體的質點運動，可以將兩種流態的根本區別清晰地反映出來。在層流中，有色液體與水互不混摻，呈直線運動狀態，在紊流中，有大小不等的渦體振蕩于各流層之間，有色液體與水混摻。

2、在如圖所示的實驗設備圖中，取1-1，1-2兩斷面，由恒定總流的能量方程知：

因為管徑不變V1=V2△h

所以，壓差計兩測壓管水面高差△h即為1-1和1-2兩斷面間的沿程水頭損失，用重量法或體積濁測出流量，并由實測的流量值求得斷面平均流速，作為lghf和lgv關系曲線，如下圖所示，曲線上EC段和BD段均可用直線關系式表示，由斜截式方程得：

lghf=lgk+m lgv lghf=lgk v m hf=kvm；m為直線的斜率

實驗結果表明EC=1，θ=45°，說明沿程水頭損失與流速的一次方成正比例關系，為層流區。BD段為紊流區，沿程水頭損失與流速的1.75~2次方成比例，即m=1.75~2.0，其中AB段即為層流向紊流轉變的過渡區，BC段為紊流向層流轉變的過渡區，C點為紊流向層流轉變的臨界點，C點所對應流速為下臨界流速，C點所對應的雷諾數為下臨界雷諾數。A點為層流向紊流轉變的臨界點，A點所對應流速為上臨界流速，A點所對應的雷諾數為上臨界雷諾數。

四．實驗設備

能保持恒定水位的水箱，試驗管道及能注入有色液體的部分等組成。實驗時，只要微微開啟出水閥，并打開有色液體盒連接管上的小閥，色液即可流入圓管中，顯示出層流或紊流狀態。

供水流量由無級調速器調控，使恒壓水箱始終保持微溢流的程度，以提高進口前水體穩定度。本恒壓水箱還設有多道穩水隔板，可使穩水時間縮短到3～5分鐘。有色水經水管注入實驗管道，可據有色水散開與否判別流態。為防止自循環水污染，有色指示水采用自行消色的有色水。

五．實驗步驟

1、開啟電流開關向水箱充水，使水箱保持溢流。

2、微微開啟泄水閥及有色液體盒出水閥，使有色液體流入管中。調節泄水閥，使管中的有色液體呈一條直線，此時水流即為層流。此時用體積法測定管中過流量。

3、慢慢加大泄水閥開度，觀察有色液體的變化，在某一開度時，有色液體由直線變成波狀形。再用體積法測定管中過流量。

4、繼續逐漸開大泄水閥開度，使有色液體由波狀形變成微小渦體擴散到整個管內，此時管中即為紊流。并用體積法測定管中過流量。

5、以相反程序，即泄水閥開度從大逐漸關小，再觀察管中流態的變化現象。并用體積法測定管中過流量。