雷诺实验及其数据处理

雷诺实验及其数据处理

雷诺实验是流体力学中的一个经典实验，用于研究流体在管道中的流动状态。通过观察层流和紊流的转换，可以测定临界雷诺数，这对于理解流体动力学特性具有重要意义。本文将详细介绍雷诺实验的装置、原理、操作步骤以及数据处理方法。

实验目的

1. 观察层流、紊流的流态及其转捩特征；
2. 测定临界雷诺数，掌握圆管流态判别准则；
3. 学习古典流体力学中应用无量纲参数进行实验研究的方法，并了解其实用意义。

实验装置

实验装置如下图所示：

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. 稳水隔板
7. 溢流板
8. 实验管道
9. 实验流量调节阀

供水流量由无级调速器调控使恒压水箱4始终保持微溢流的程度，以提高进口前水体稳定度。本恒压水箱还设有多道稳水隔板，可使稳水时间缩短到3～5分钟。有色水经有色水水管5注入实验管道8，可据有色水散开与否判别流态。为防止自循环水污染，有色指示水采用自行消色的专用色水。

实验原理

流体在管道中流动存在两种流动状态，即层流与湍流。从层流过渡到湍流状态称为流动的转捩，管中流态取决于雷诺数的大小，原因在于雷诺数具有十分明确的物理意义即惯性力与粘性力之比。当雷诺数较小时，管中为层流，当雷诺数较大时，管中为湍流。转捩所对应的雷诺数称为临界雷诺数。由于实验过程中水箱中的水位稳定，管径、水的密度与粘性系数不变，因此可用改变管中流速的办法改变雷诺数。

实验方法与步骤

1. 测记实验的有关常数。
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，用重量法测定流量；
③ 根据所测流量计算下临界雷诺数，并与公认值(2320)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：
a、每调节阀门一次，均需等待稳定几分钟；
b、关小阀门过程中，只许渐小，不许开大；
c、随出水流量减小，应适当调小开关(右旋)，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1-2次。

5. 收拾实验台，整理数据。

实验报告要求

1. 简要写出实验原理和实验步骤，画出实验装置。
2. 记录、计算有关常数。
3. 整理、记录计算表并实测临界雷诺数。

实验分析与讨论

1. 流态判据为何采用无量纲参数，而不采用临界流速？
   因为流态不仅与流速有关还和特征尺寸、密度粘性系数有关

2. 为何认为上临界雷诺数无实际意义，而采用下临界雷诺数作为层流与湍流的判据？实测下临界雷诺数为多少？
   上临界雷诺数不稳定,变化范围大12000~40000,下临界雷诺数比较稳定,约为2320。工程中一般采用2320做为层流、紊流的分界

3. 雷诺实验得出的圆管流动下临界雷诺数为2320，而目前有些教科书中介绍采用的下临界雷诺数是2000，原因何在？
   因为下临界雷诺数受截面影响，不同的截面下临界雷诺数不同圆管最大，其他的较小所以统一采用2000