流动的两种形态与雷诺实验

1、5 5 液流形态与水头损失液流形态与水头损失5.3 5.3 液流运动的两种型态液流运动的两种型态 5.3.1 5.3.1 雷诺实验雷诺实验 5.3.2 5.3.2 液流流态的判断液流流态的判断 5.3 5.3 液流运动的两种型态液流运动的两种型态 5.3.1 5.3.1 雷诺实验雷诺实验 5.3.2 5.3.2 液流流态的判断液流流态的判断 雷诺：雷诺：O.Osborne Reynolds (1842O.Osborne Reynolds (18421912)1912) 英国力学家、物理学家和工程师，杰出实验科学家英国力学家、物理学家和工程师，杰出实验科学家 18671867年年- -剑桥大学王

2、后学院毕业剑桥大学王后学院毕业 18681868年年- -曼彻斯特欧文学院工程学教授曼彻斯特欧文学院工程学教授 18771877年年- -皇家学会会员皇家学会会员 18881888年年- -获皇家勋章获皇家勋章 19051905年年- -因健康原因退休因健康原因退休 雷诺兴趣广泛，一生著述很多，近雷诺兴趣广泛，一生著述很多，近7070篇论文都有篇论文都有很深远的影响。论文内容包括很深远的影响。论文内容包括 力学力学 热力学热力学 电学电学 航空学航空学 蒸汽机特性等蒸汽机特性等在流体力学方面最重要的贡献：在流体力学方面最重要的贡献： 18831883年年发现液流两种流态：发现液流两种流态： 层

3、流和紊流，提出以雷诺数判别层流和紊流，提出以雷诺数判别 流态。流态。 在流体力学方面最重要的贡献：在流体力学方面最重要的贡献： 18831883年年 发现流动相似律发现流动相似律 对于几何条件相似的流动，对于几何条件相似的流动， 即使其尺寸、速度、流体即使其尺寸、速度、流体 不同不同, , 只要雷诺数相同只要雷诺数相同, , 则流动是动力相似。则流动是动力相似。l 实际液体运动中存在两种不同型态：实际液体运动中存在两种不同型态： 层流和紊流层流和紊流l 不同型态的液流，水头损失规律不同不同型态的液流，水头损失规律不同 雷诺实验揭示出雷诺实验揭示出雷诺试验装置雷诺试验装置 颜色水颜色水hftVQ

4、 l颜色水颜色水hftVQ l打开下游阀门，保持水箱水位稳定打开下游阀门，保持水箱水位稳定颜色水颜色水hftVQ l再打开颜色水开关，则红色水流入管道再打开颜色水开关，则红色水流入管道层流：红色水液层有条不紊地运动，层流：红色水液层有条不紊地运动， 红色水和管道中液体水相互不混掺红色水和管道中液体水相互不混掺（实验）（实验）颜色水颜色水hftVQ l下游阀门再打开一点，管道中流速增大下游阀门再打开一点，管道中流速增大红色水开始颤动并弯曲，出现波形轮廓红色水开始颤动并弯曲，出现波形轮廓 红颜色水射出后，完全破裂，形成漩涡，扩散红颜色水射出后，完全破裂，形成漩涡，扩散至全管，使管中水流变成红色水。

5、至全管，使管中水流变成红色水。 这一现象表明：液体质点运动中会形成涡体，这一现象表明：液体质点运动中会形成涡体，各涡体相互混掺。各涡体相互混掺。颜色水颜色水hftVQ l下游阀门再打开一点，管中流速继续增大下游阀门再打开一点，管中流速继续增大颜色水颜色水hftVQ l层流：流速较小时，各流层液体质点有条不紊运动，层流：流速较小时，各流层液体质点有条不紊运动， 相互之间互不混杂。相互之间互不混杂。 颜色水颜色水hftVQ l紊流：当流速较大时，各流层的液体质点形成涡体，紊流：当流速较大时，各流层的液体质点形成涡体， 在流动过程中，互相混杂。（在流动过程中，互相混杂。（紊流实验紊流实验） 实验时，

6、结合观察红颜色水的流动，量测两测实验时，结合观察红颜色水的流动，量测两测压管中的高差以及相应流量，建立水头损失压管中的高差以及相应流量，建立水头损失hf 和管和管中流速中流速v的试验关系，并点汇于双对数坐标纸上。的试验关系，并点汇于双对数坐标纸上。颜色水颜色水hftVQ l颜色水颜色水hftVQ l 试验按照两种顺序进行试验按照两种顺序进行: (1) 流量增大流量增大 （2） 流量减小流量减小 试验结果如下图所示。试验结果如下图所示。AC 、 ED：直线段：直线段 CDAlg vkB层流层流 紊流紊流EAB 、DE ：直线段：直线段BDAlg vk层流层流 紊流紊流EBDAlg vkClg v

7、k60.363.445层流层流 过渡过渡 紊流紊流EBDAvkCvk45层流层流 过渡过渡 紊流紊流在双对数坐标上，点汇水头损在双对数坐标上，点汇水头损失和流速的关系为：失和流速的关系为： tan mkvhvlgmklghlgmff2 60.363.4Elg vklg vkBDALg vkCLg vk层流层流 过渡过渡 紊流紊流2 60.363.4层流层流 1 = 45 m = 1 紊流紊流 2 = 60.363.4 m = 1.752.001 45 tan mkvhvlgmklghlgmffE层流层流 1 = 45 m = 1 紊流紊流 2 = 60.363.4 m = 1.752.00可见

8、，欲求出水头损失，必须先判断流态。可见，欲求出水头损失，必须先判断流态。 tan mkvhvlgmklghlgmff5.3 5.3 液流运动的两种型态液流运动的两种型态 实际液体运动中存在两种不同型态：实际液体运动中存在两种不同型态： 层流和紊流层流和紊流 不同的型态的液流，水头损失规律不同。不同的型态的液流，水头损失规律不同。 5.3.1 5.3.1 雷诺实验雷诺实验 5.3 5.3 液流运动的两种型态液流运动的两种型态 5.3.1 5.3.1 雷诺实验雷诺实验 5.3.2 5.3.2 液流流态的判断液流流态的判断 雷诺发现，判断层流和紊流的临界流速与液体雷诺发现，判断层流和紊流的临界流速与

9、液体密度、动力粘性系数、管径关系密切，提出液流型密度、动力粘性系数、管径关系密切，提出液流型态可用下列无量纲数判断态可用下列无量纲数判断vd Re 式中，式中，Re 为雷诺数，无量纲数。为雷诺数，无量纲数。 v dkkR e 液流型态开始转变时的雷诺数叫做临界雷诺数液流型态开始转变时的雷诺数叫做临界雷诺数下临界雷诺数下临界雷诺数上临界雷诺数上临界雷诺数kkv dRe BDALg vk层流层流 紊流紊流v dRkke 下临界流速下临界流速ECDAB层流层流 紊流紊流上临界流速上临界流速kkv dRe Elg vkBDALg vkC lg vk层流层流 过渡过渡 紊流紊流2 60.363.41 4

10、5Ev dRkke kkv dRe 大量试验证明大量试验证明l 上临界雷诺数不稳定上临界雷诺数不稳定l 下临界雷诺数较稳定下临界雷诺数较稳定上临界雷诺数上临界雷诺数 随液流来流平静程度、来流有无扰动的情随液流来流平静程度、来流有无扰动的情况而定。扰动小的液流其可能大一些。况而定。扰动小的液流其可能大一些。 大量试验证明大量试验证明l 上临界雷诺数不稳定上临界雷诺数不稳定l 下临界雷诺数较稳定下临界雷诺数较稳定上临界雷诺数：上临界雷诺数： 将水箱中的水流充分搅动后再进行了实验，将水箱中的水流充分搅动后再进行了实验，测得上临界雷诺数达约测得上临界雷诺数达约12000120002000020000大

11、量试验证明大量试验证明l 上临界雷诺数不稳定上临界雷诺数不稳定l 下临界雷诺数较稳定下临界雷诺数较稳定上临界雷诺数：上临界雷诺数： Ekman 1910年年 进行了实验。实验前将水箱中液进行了实验。实验前将水箱中液体静止几天后，测得上临界雷诺数达体静止几天后，测得上临界雷诺数达50000。大量试验证明大量试验证明l 上临界雷诺数不稳定上临界雷诺数不稳定l 下临界雷诺数较稳定下临界雷诺数较稳定 因此，用下临界雷诺数判断流态，实验得到：因此，用下临界雷诺数判断流态，实验得到： 圆管圆管 Rek 2320 明渠明渠 Rek 580Re Rek 2320 紊流紊流vdR e 圆管圆管442dddAR dRe Rek 580 紊流紊流vRRe 明渠明渠212)(mhbhmhbAR bhm Re Rek 580 层流层流5.3 5.3 液流运动