雷诺实验
实验的目的和要求：
观察层流，湍流的流态及其转换过程；
测定临界雷诺数，掌握圆管流态判别方法；
学习应用量纲分析法进行实验研究的方法，确定非圆管流态判别准数。
实验装置说明与操作方法
供水流量由无极调速器调控， 使恒压水箱始终保持微溢流的状态， 以提高进口前水体的 稳定度。
本恒压水箱设有多道稳水隔板， 可使稳水时间缩短到 3 到 5分钟。
有色水注入到实 验管道， 可根据有色水散开与否判别流态。
为防止自循环水污染， 有色水采用自行消色的专 用色水。实验流量可由尾阀调节。
实验原理
1883 年，雷诺( Osborne Reynolds )采用类似于本实验的实验装置，观察到液流中存在 着层流和湍流两种流态： 流速较小时， 水流有条不紊的呈现层状有序的直线运动， 流层间没 有质点掺混，这种流态称为层流；当流速增大时，流体质点做杂乱无章的无序的直线运动， 流层间质点掺混， 这种流态称为湍流。
雷诺实验还发现存在着湍流转变为层流的临界流速 v。
V。与流体的粘性，圆管的直径 d有关。若要判别流态，就要确定各种情况下的 V。值，需
要对这些相关因素的不同量值作出排列组合再分别进行实验研究， 工作量巨大。
雷诺实验的
贡献不仅在于发现了两种流态，还在于运用量纲分析的原理，得出了量纲为一的判据 雷
诺数Re,使问题得以简化。量纲分析如下： 因
Vc f (V,d)
根据量纲分析法有：
12
Vc kc 1d 2
其中 kc 是量纲为一的数，写成量纲关系为：
1 2 1 1 2
LT 1 L2T 1 L
由量纲和谐原理，得 1 1, 2
由量纲和谐原理，得 1 1, 2
1。
Vc kc 或 kcdVcd雷诺实验完成了管流的流态从湍流过度到层流是的临界值kc值的测定，以及是否为常数的
Vc kc 或 kc
d
Vcd
雷诺实验完成了管流的流态从湍流过度到层流是的临界值
kc值的测定，以及是否为常数的
验证，结果表明kc值为常数。于是，量纲为一的数
vd
便成了适合于任何管径，任何牛
顿流体的流态由湍流转变为层流的判据。由于雷诺的贡献，
vd
定名为雷诺数
Re。于是
Re
vd
4qv
d
Kqv
式中，v -----流体速度；
— 流体的运动粘度；（书中用 表示，很近似于流体速度，故用此表示）
d ----圆管直径；
qv -----圆管内过流流量；
K---计算常数，K
当流量由大逐渐变小，流态由湍流变为层流，对应一个下临界雷诺数 Rec1，当流量由
11 一
0逐渐增大，流态从层流变为湍流，对应一个上临界雷诺数 Rec。上雷诺临界数受外界干
扰，数值不稳定，而下临界雷诺数 Rec1值比较稳定，因此一般以下临界雷诺数作为判别流
态的标准。雷诺经反复测试，得出圆管流动的下临界雷诺数 Rec1值为2300。工程上，一般
取ReJ =2000。当Re< Rec1时，管中流态为层流，反之，为湍流。
对于非圆管流动，雷诺数可以表示为
vR
Re
A 过流断面面积；
X 湿周（过流断面上液体与固体边界接触的长度）
以水力半径作为特征长度表示的雷诺数也成为广义雷诺数。
四． 实验内容与方法
1． 定型观察两种流态 启动水泵供水，使水箱溢流，经稳定后，微开流量调节阀，打开颜色水管道的阀门，注 入颜色水， 可以看到圆管中颜色水随水流流动形成一条直线， 这时的流态为层流。
进一步开 大流量调节阀， 流量增大到一定程度，可见管流中颜色水发生掺混，直至消色。表明流体质 点已经发生无序的杂乱运动，这时的流态即为湍流。
想一想： 应在管道的哪个部位观察流态？为什么？
2. 测定下临界雷诺数 先调节管中流态呈湍流状， 再逐步关小调节阀， 每调节一次流量后， 稳定一段时间并观 察其形态， 当颜色水开始形成一条直线时， 表明由湍流刚好转为层流， 此时管流即为下临界 流动状态。用重量法测定流量，记录水温，即可得出下临界雷诺数。注意：接近下临界流动 状态时，流量应微调，调节过程中流量调节阀只可关小，不可开大。
3. 测定上临界雷诺数 先调节管中流态呈层流状， 再逐步开大调节阀， 每调节一次流量后， 稳定一段时间并观 察其形态， 当颜色水开始散开掺混时， 表明由层流刚好转为湍流， 此时管流即为上临界流动 状态。用重量法测定流量，记录水温，即可得出上临界雷诺数。注意：接近上临界流动状态 时，流量应微调，调节过程中流量调节阀只可开大，不可关小。
分析设计实验 任何截面形状的管流或者明渠， 任何牛顿流体流动的流态转变临界流速 v 。与运动粘度，
水力半径 R 有关。要求通过量纲分析确定其广义雷诺数，设计测量明渠广义下临界雷诺数 的实验方案，并根据上述圆管实验的结果得出广义下临界雷诺数值。
五． 数值处理及成果要求
记录有关信息及实验常数 实验设备名称： 实验台号：
实验者： 实验日期：
管径 d= 水温 T= °
运动粘度 :
计算常数 K=
实验数据记录及计算结果
雷诺实验记录计算表
实验次 颜色水线形 序状12345
实验次 颜色水线形 序状
1
2
3
4
5
6
7
水体积
时间 （s） 流量
雷诺数
阀门开
度
备注
实测下临界雷诺数平均值
成果要求
2-4 次取平均值） 。2-4
2-4 次取平均值） 。
2-4 次取平均值） 。
2. 测定上临界雷诺数（测量
确定广义雷诺数表达式及其圆管流的广义下临界雷诺数实测数值。
六． 分析思考题：
1. 为何认为上临界雷诺数无实际意义，而采用下临界雷诺数作为层流与湍流的判据？
2. 试结合湍流机理实验的观察，分析由层流过度到湍流的机理。
七． 注意事项
1. 为使实验过程中始终保持恒压水箱内水流处于微溢流状态，应在调节流量调节阀后，相 应调节可控硅调速器，改变水泵的供水流量。
2. 实验中，不要推压试验台，以防水体受到扰动。
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