雷诺实验（教育教学）

1、雷诺实验一、实验目的要求1观察层流、紊流的流态及其转换特征；2测定下临界雷诺数，掌握圆管流态判别准则；3掌握误差分析在实验数据处理中的应用。 二、实验原理1实验装置图 自循环雷诺实验装置图1.自循环供水器；2.实验台；3.可控硅无级调速器；4.恒压水箱；5.有色水水管；6. 稳水孔板；7.溢流板；8.实验管道；9.实验流量调节阀。2实验原理根据雷诺数的表达式Re=VD/，结合连续性方程Q=AV，得Re=4Q/(D)其中V表示管道中的平均流速，D表示管道直径，为水的运动粘性系数。通过层流与紊流的运动学特点，观察、判断层流向紊流转变时的情况，并测量相应数值，按上式计算获得雷诺数。层流向湍流转变的临

2、界状态所测雷诺数称为上临界雷诺数，湍流向层流转变的临界状态所测雷诺数称为下临界雷诺数。水的运动黏性系数与温度有关，可由下式计算出其中T为温度，以摄氏度为单位。三、实验方法与步骤1测记本实验的有关常数。2观察两种流态。打开开关3使水箱充水至溢流水位，经稳定后，微微开启调节阀9，并注入颜色水于实验管内，使颜色水流成一直线。通过颜色水质点的运动观察管内水流的层流流态，然后逐步开大调节阀，通过颜色水直线的变化观察层流转变到紊流的水力特征，待管中出现完全紊流后，再逐步关小调节阀，观察由紊流转变为层流的水力特征。3测定下临界雷诺数。(1)将调节阀打开，使管中呈完全紊流，再逐步关小调节阀使流量减小。当流量调

3、节到使颜色水在全管刚呈现出一稳定直线时，即为下临界状态；(2)待管中出现临界状态时，用体积法测定流量；(3)根据所测流量计算下临界雷诺数，并与公认值（2300）比较，偏离过大，需重测； (4)重新打开调节阀，使其形成完全紊流，按照上述步骤重复测量不少于三次；(5)同时用水箱中的温度计测记水温，从而求得水的运动粘度。注意(1)每调节阀门一次，均需等待稳定几分钟；(2)关小阀门过程中，只许渐小，不许开大；(3)随出水流量减小，应适当调小开关，以减小溢流量引发的扰动。4测定上临界雷诺数。逐渐开启调节阀，使管中水流由层流过渡到紊流，当色水线刚开始散开时，即为上临界状态，测定上临界雷诺数12次。四、数据

4、处理：实验记录表 水温度: 28.90.1() 管道直径: 20 mm 量筒底面积: （2001)*(1980.5) mm2 序号水箱高 度差 时间流量流速(m/s)雷诺准数Re观 察 现 象流 型（mm）(秒)（m3/s）1400.5501从完全散开到稳定略弯曲紊流到层流2360.5501稳定直线紊流到层流3430.5531从完全散开到稳定略弯曲紊流到层流注：颜色水形态指：稳定直线，稳定略弯曲，直线摆动，直线抖动，断续，完全散开等。根据水的运动黏性系数与温度的关系：, 及测得水温为28.90.1,代入上式，求得水流的运动粘度为: =0.834510m2/s.根据公式：求得水流的运动粘度的偏差

5、为：= =0.001410-6m2/s即：=0.834510-60.001410-6m2/s由流量公式：Q= a*b*h/t可求得流量的偏差为：Q= = +由流量公式：Q=A*v可求得：流速公式为：v=Q/A=4Q/(D2)雷诺数公式为：Re=4Q/(D)雷诺数的偏差公式为：Re= =根据以上公式，可分别求得三组数据所对应的未知量：1.对于第一组数据：Q1=0.2*0.198*0.0450=0.3168*10-4m3/s Q1=0.0127*10-4m3/s Q1=（0.31680.0127）*10-4m3/s v1=0.1010.0040(m/s)Re1=4*Q1(*D*)=2418Re1=

6、96.9Re1=241896.9雷诺数的相对误差为：1=5.1%2.对于第二组数据：Q2=0.2*0.198*0.03650=0.2851*10-4m3/sQ2=0.0118*10-4m3/sQ2=（0.28510.0118）*10-4m3/s v2=0.0910.0038(m/s)Re3=4*Q2(*D*)=2176Re2=93.2Re3=217693.2雷诺数的相对误差为：2=5.4%3.对于第三组数据：Q3=0.2*0.198*0.04353=0.3213*10-4m3/sQ3=0.0121*10-4m3/sQ3=（0.32130.0121）*10-4m3/s v3=0.1020.003

7、8(m/s)Re3=4*Q3(*D*)=2452Re3=95.8Re3=245295.8雷诺数的相对误差为：3=6.6%以上三组数据所求得的雷诺数的相对误差均处于误差允许范围内，所以可认为实验测得数据合理有效。根据以上计算所得数据填入下表： 序号水箱高 度差 时间流量流速(m/s)雷诺准数Re观 察 现 象流 型（mm）(秒)(10-4m3/s ）1400.55010.31680.01270.1010.0040241896.9从完全散开到稳定略弯曲紊流到层流2360.55010.28510.01180.0910.0038217693.2稳定直线紊流到层流3430.55310.32130.012

8、10.1020.0038245295.8从完全散开到稳定略弯曲紊流到层流五、思考题以及实验小结1、层流、紊流两种水流流态的外观表现是怎样的？答：层流：质点有规律地作分层流动，管内颜色水成一股细直的流束，运动要素无 脉动现象。 紊流：质点互相混渗作无规则运动，管内颜色水成直线抖动、断续或是完全散 开，最终与周围清水迅速相混，运动要素发生不规则的脉动现象2、 雷诺数的物理意义是什么？为什么雷诺数可以用来判别流态？答：雷诺数物理意义：惯性力与粘性力之比，是表征流动状态的一个无因次数。层流：流体质点一直沿流线运动，彼此平行，不发生相互混杂的流动。紊流：流体质点在运动过程中，互相混杂、穿插的流动。（紊流

9、包含，主体流 动+各种大小强弱不同的旋涡）因层流与紊流所处的状态不同，故数值大小也不同，所以可以用雷诺数来差别流态，数值大于临界值的为紊流，小于临界值的为层流。3、 临界雷诺数与哪些因素有关？为什么上临界雷诺数和下临雷诺数不一样？答：临界雷诺数与流速、管径、流体的动力粘度及流体的密度有关。上临界雷诺数和下临雷诺数之所以不一样是因为混乱无章的流动所具有的惯性力大于层流的粘性力；当从层流变成紊流时，粘性力逐渐减小，惯性力逐渐增大，因为不同的力所主导的作用不一样，所以上临界雷诺数和下临雷诺数不一样。4、 流态判据为何采用无量纲参数，而不采用临界流速？答：流速只能代表惯性力。雷诺数是惯性力与粘性力之比。判断一个流态是层流还 是湍流要看它的雷诺数是否超过临界雷诺数。只看速度