雷諾實驗簡單介紹

定義

雷諾實驗1883年，雷諾（Reynold）做了一系列經典實驗，以驗證前人所做的同類實驗，并力求找到流體流動由層流狀態過渡到湍流狀態所需的條件。雷諾用滴管在流體內注入有色顏料，發現流速不大時，管內呈現一條條與管壁平行并清晰可見的有色細絲即脈線，管內流體分層流動，互不混淆，說明管內流體處于層流運動狀態。若保持管徑不變，增大流速，則脈線變粗，開始出現波紋，隨管內流速的增加，波紋的數目和振幅逐漸加大，當流速達到某數值時，脈線突然分裂成許多運動著的小渦旋，繼而很快消失，使整個管內的流體帶上了淡薄的顏料的顏色。這說明管內流體的不規則運動，使各部分顏料顆粒相互劇烈摻混，并混亂而均勻地分散到整個流體之中，導致脈線消失，此時流體處于湍流狀態。

實驗目的

1、觀察液體流動時的層流和紊流現象。區分兩種不同流態的特征，搞清兩種流態產生的條件。分析圓管流態轉化的規律，加深對雷諾數的理解。

2、測定顏色水在管中的不同狀態下的雷諾數及沿程水頭損失。繪制沿程水頭損失和斷面平均流速的關系曲線，驗證不同流態下沿程水頭損失的規律是不同的。進一步掌握層流、紊流兩種流態的運動學特性與動力學特性。

3、通過對顏色水在管中的不同狀態的分析，加深對管流不同流態的了解。學習古典流體力學中應用無量綱參數進行實驗研究的方法，并了解其實用意義。

實驗原理

1、液體在運動時，存在著兩種根本不同的流動狀態。當液體流速較小時，慣性力較小，粘滯力對質點起控制作用，使各流層的液體質點互不混雜，液流呈層流運動。當液體流速逐漸增大，質點慣性力也逐漸增大，粘滯力對質點的控制逐漸減弱，當流速達到一定程度時，各流層的液體形成渦體并能脫離原流層，液流質點即互相混雜，液流呈紊流運動。這種從層流到紊流的運動狀態，反應了液流內部結構從量變到質變的一個變化過程。

液體運動的層流和紊流兩種型態，首先由英國物理學家雷諾進行了定性與定量的證實，并根據研究結果，提出液流型態可用下列無量綱數來判斷：

Re=Vd/ν

Re稱為雷諾數。液流型態開始變化時的雷諾數叫做臨界雷諾數。

在雷諾實驗裝置中，通過有色液體的質點運動，可以將兩種流態的根本區別清晰地反映出來。在層流中，有色液體與水互不混摻，呈直線運動狀態，在紊流中，有大小不等的渦體振蕩于各流層之間，有色液體與水混摻。

2、在如圖所示的實驗設備圖中，取1-1，1-2兩斷面，由恒定總流的能量方程知：

因為管徑不變V1=V2△h

所以，壓差計兩測壓管水面高差△h即為1-1和1-2兩斷面間的沿程水頭損失，用重量法或體積濁測出流量，并由實測的流量值求得斷面平均流速，作為lghf和lgv關系曲線，如下圖所示，曲線上EC段和BD段均可用直線關系式表示，由斜截式方程得：

lghf=lgk+m lgv lghf=lgk v m hf=kvm；m為直線的斜率

實驗結果表明EC=1，θ=45°，說明沿程水頭損失與流速的一次方成正比例關系，為層流區。BD段為紊流區，沿程水頭損失與流速的1.75~2次方成比例，即m=1.75~2.0，其中AB段即為層流向紊流轉變的過渡區，BC段為紊流向層流轉變的過渡區，C點為紊流向層流轉變的臨界點，C點所對應流速為下臨界流速，C點所對應的雷諾數為下臨界雷諾數。A點為層流向紊流轉變的臨界點，A點所對應流速為上臨界流速，A點所對應的雷諾數為上臨界雷諾數。