雷诺实验带数据处理

1、雷诺实一、 实验目的验1. 观察层流和紊流的流态及其转换特征。2. 通过临界雷诺数，掌握圆管流态判别准那么3. 掌握误差分析在实验数据处理中的应用。二、实验原理1、实际流体的流动会呈现出两种不同的型态：层流和紊流，它们的区别在于：流动过程中流体层之间是否发生混掺现象。在紊流流动中存在随机变化的脉 动量，而在层流流动中那么没有，如图1所示2、圆管中恒定流动的流态转化取决于雷诺数。雷诺根据大量实验资料，将影响流体流动状态的因素归纳成一个无因次数，称为雷诺数Re，作为判别流体4QRe流动状态的准那么式中Q流体断面平均流量，L s D圆管直径，mm流体的运动粘度2m2 s在本实验中，流体是水。水的运动

2、粘度与温度的关系可用泊肃叶和斯托 克斯提出的经验公式计算(0.585 10 3 (T 12) 0.03361) (T 12) 1.2350) 106式中 水在t C时的运动粘度，m2 s ；T水的温度，C3、判别流体流动状态的关键因素是临界速度。临界速度随流体的粘度、密度以及流道的尺寸不同而改变。流体从层流到紊流的过渡时的速度称为上临界流 速，从紊流到层流的过渡时的速度为下临界流速。4、圆管中定常流动的流态发生转化时对应的雷诺数称为临界雷诺数， 对应 于上、下临界速度的雷诺数， 称为上临界雷诺数和下临界雷诺数。 上临界雷 诺数 表示超过此雷诺数的流动必为紊流， 它很不确定， 跨越一个较大的取值

3、 范围。 而 且极不稳定，只要稍有干扰，流态即发生变化。上临界雷诺数常随 实验环境、流 动的起始状态不同有所不同。因此，上临界雷诺数在工程技术中 没有实用意义。 有实际意义的是下临界雷诺数， 它表示低于此雷诺数的流动 必为层流， 有确定的 取值。通常均以它作为判别流动状态的准那么，即Re 2320时，紊流该值是圆形光滑管或近于光滑管的数值，工程实际中一般取 Re = 2000 。5、实际流体的流动之所以会呈现出两种不同的型态是扰动因素与粘性稳定 作用之间比照和抗衡的结果。 针对圆管中定常流动的情况， 容易理解： 减小 D ， 减小 ，加大 v 三种途径都是有利于流动稳定的。综合起来看，小雷诺数

4、 流 动趋于稳定，而大雷诺数流动稳定性差，容易发生紊流现象。6、由于两种流态的流场结构和动力特性存在很大的区别，对它们加以判别并分别讨论是十分必要的。 圆管中恒定流动的流态为层流时， 沿程水头损失 与平 均流速成正比，而紊流时那么与平均流速的1.752.0次方成正比，如图2所示。7、通过对相同流量下圆管层流和紊流流动的断面流速分布作一比较， 可以 看出层流流速分布呈旋转抛物面， 而紊流流速分布那么比较均匀， 壁面流速梯 度和 切应力都比层流时大，如图 3 所示。图1二种流态示意图2三种流态曲线图3圆管断面流速分布二实验装置四、实验数据分析有关常数：管径d = 30 mm ,水温T = 27 C

5、,运动粘性系数： v = 8.62475 10 7 m2/s表1 数据记录表格工程测次流量(L/h)温度(C)雷诺数(Re)误差颜色水形态上1临界雷诺数127726.8378639.26%完全散开上1临界雷诺数226827366337.22%完全散开上1临界雷诺数327727378639.26%完全散开卜1临界雷诺数115326.82092-9.98%稳定直线卜1临界雷诺数217426.923783.30%直线摆动卜1临界雷诺数3156272132-7.86%稳定直线注：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。三次测量取平均值，可得下临界雷诺数为 Re 220

6、0,与公认值Re 2300相比，可得误差为2300 22002300100% 4.348%五、误差分析运动粘度偏差公式T (2T 24)* 0.585 * 10八(3) 0.03361 * 10八(6)* T求得水流的运动粘度的偏差为:即:=(2*27 24)*0.585*10 A( 3) 0.03361*10 A( 6)*0 .1 0.0014 106m2 / s0.8625 10 6 0.0014 10 6m2 /s由流量公式：Q Qt由流量公式：Q=A*v可求得：流速公式为：v=Q/A=4Q/( tD2)雷诺数公式为：Re=4Q/( tD VRe4Q2 *雷诺数的偏差公式为:ReRe=*

7、qQ4 * Q D D 2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:Q=0.11 153=16.83L /hQ1 (153 16.83)L/ h0.189 0.021m 2 / sRe1 4 Q1 ( D ) 2092Re1 230雷诺数的相对误差为:1Re Re 100% 9.98%1 Re2. 对于第二组数据:Q=0.11 174=19.14L /hQ1 (174 19.14)L/ h0.215 0.022m 2 / sRe1 4 Q1 ( D)2378Re1 262雷诺数的相对误差为:2Re Re 100% 3.30%2 Re3. 对于第三组数据:Q=0.11

8、 156=17.16L /hQ1 (156 17.16)L/ h0.193 0.021m 2 / sRe1 4 Q1 ( D ) 2132Re1 235 雷诺数的相对误差为： 1Re Re 100% 7.86%Re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。误差来源1、仪器误差使用 2L 量筒以及秒表测量出水口处流量，约为 240L/h ，此时仪器显示 270L/h ，计算误差，有Q 30Q 11% , Q Q Q 161 17.71L / hQ 270T=T T 27 0.1 o CRe 2200 234仪器误差是主要误差2、人为误差由于上

9、下临界雷诺数的判定是由人眼观察管中红墨水线的形态判断， 所以 在 判断过程中会有些许误差， 这些误差表达在流量中。 即，对于临界状态的 判断会 影响最后对流量值得记录， 导致雷诺数产生误差， 这是不可防止的误差。3、外部环境影响受到桌面振动等影响会对实验造成一定的误差， 在实验过程中已经力求避 免 这样的误差。六、分析思考问题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那么运动， 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，运动要素发生不规那么的脉动现象2

10、、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异流态， 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