第一讲：水流运动的两种形态

水力分析与计算主讲人：肖婷婷水流运动的两种形态提出问题什么是水流运动的两种流态？它们是通过怎样的方式被发现的？水流运动的两种形态英国物理学家雷诺，是一位杰出的实验科学家。他的许多早期试验都是在家里进行的，他于1883年发表了一篇经典性论文──《决定水流为直线或曲线运动的条件以及在平行水槽中的阻力定律的探讨》。

这篇文章以实验结果说明水流分为层流与紊流两种形态，并提出以无量纲数（后称为雷诺数）作为判别两种流态的标准。雷诺兴趣广泛，一生著述很多，其中近70篇论文都有很深远的影响。这些论文研究的内容包括力学、热力学、电学、航空学、蒸汽机特性等。一、雷诺实验红颜色水hfl图片1K2K1一、雷诺实验红颜色水hfl（1）打开K2，保持水箱水位稳定图片2K2K1一、雷诺实验红颜色水hfl（2）再打开K1，则红色水流入管道层流：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图片3K2K1一、雷诺实验红色水开始颤动并弯曲，出现波形轮廓图片4颜色水hfl（3）下游K2再打开一点，管道中流速增大K2K1一、雷诺实验红颜色水hfl（4）下游K2再打开一点，管中流速继续增大这一现象表明：液体质点运动中会形成涡体，各涡体相互混掺。紊流：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。图片5K2K1一、雷诺实验逐渐开大阀门，流速自小变大，实验点由E点沿线段EBCD移动；当流速增大到B点流速时，有色液体开始出现弯曲、波动、随后与周围的液流互相掺混，相应于从层流向紊流转变，但直到C点才完全转变为紊流。ABCDE：上临界流速图片6一、雷诺实验逐渐关闭阀门，流速由大变小，实验点则由D点沿线段DCAE移动；当流速减小到C的时候，有色液体开始弯曲波动，只有到达A点的流速时，才完全转变为层流。：下临界流速ABCDE图片6一、雷诺实验雷诺试验结论实际液体运动中存在两种不同流态：层流和紊流。两种流态转换时的流速称为临界流速：层流转换为紊流时临界流速较大，称为上临界流速，紊流转换为层流的临界流速较小，称为下临界流速。雷诺发现，判断层流和紊流的临界流速与液体密度、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。二、水流形态判别圆管水流：式中，Re为雷诺数，无量纲数。液流形态开始转变时的雷诺数叫做临界雷诺数。二、水流形态判别因此，实践中将下临界雷诺数称为临界雷诺数用Rek表示。大量试验证明：上临界雷诺数不稳定下临界雷诺数较稳定二、水流形态判别当为层流当为紊流试验测得：圆管Rek=2000~3000，常取Rek=2320为判别值。对于明槽流动：雷诺数计算式中用水力半径R代替直径d：明渠水流：Rek=300~600，常取Rek=580为判别值。案例分享某管道直径d=100mm（1）当通过流量Q=0.004m3/s，水温为20℃时，其流态为层流还是紊流?（2）若通过相同流量，运动黏度为v=1.5×10-4m2/s的重燃油，其液态为层流还是紊流?小结一、雷诺实验发现了水流存在两种形态：层流和紊流二、水流形态判别实践中将下临界雷诺数称为临界雷诺数用Rek表示。当为层流当为紊流（1）圆管取Rek=2320为判别