第九节 流态演示与临界雷诺数量测实验
一、实验目的和要求
（1）观察水流的层流和紊流运动现象，并计算雷诺数Re。
（2）绘制水头损失hf和断面平均流速v的对数关系曲线，即lghf-lgv曲线，并计算图中的斜率n，测定下临界雷诺数Rec。
二、实验原理
（1）水流运动有两种不同的形态，即层流和紊流。当流速较小时，质点运动惯性较小，粘滞力起主导作用，液体的质点有条不紊地按平行轨迹运动，并保持一定的相对位置，这种形态的流动称作层流。当流速较大时，和惯性力相比较，粘滞力居次要地位，惯性力起主导作用，液体的质点将是杂乱无章的运动，质点互相碰撞、混掺，水流产生漩涡等，这种形态的流动称作紊流。流动形态变化过程如图2-9-1所示。
（2）雷诺实验验证了在层流和紊流时沿程水头损失规律的不同。如图2-9-2所示。在图中AE段θ=45°，说明沿程水头损失hf与断面平均流速v的1次方成正比例关系，为层流区。CD段为紊流区，沿程水头损失hf与断面平均流速v的1.75～2次方成正比，E点为紊流向层流转变的临界点，对应的流速为下临界流速vc，对应的雷诺数为下临界雷诺数。B点为层流向紊流转变的临界点，对应的流速为上临界流速，对应的雷诺数为上临界雷诺数。
图2-9-1 流动形态示意图
图2-9-2 层流、紊流的水头损失规律
式中：hf为沿程水头损失；v为流速；n为指数；k为比例系数；层流时n=1.0，紊流时n=1.75～2.0。
（3）层流、紊流的速度分布规律，如图2-9-3所示，对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为抛物线，而紊流流速分布为对数曲线，比较均匀，壁面流速梯度和切应力都比层流时大。
图2-9-3 层流、紊流的速度分布规律
（4）在实验圆管断面1-1及断面2-2上装测压管，如图2-9-4所示。即可测出两个断面间的沿程水头损失。
图2-9-4 雷诺实验示意图
根据能量方程，可得
因z1=z2，
，所以
由于流态不同，水头损失的规律也不同，所以在计算水头损失时，必须判别液流的形态。
（5）判别液流形态的准则。雷诺实验的结果，发现临界流速与液体的物理性质（密度ρ、动力粘滞系数μ）及管径d有密切关系，并提出一个表征流动形态的无量纲数——雷诺数。
式中：ν为运动粘滞系数，cm2/s；t为水温，℃。
圆管中流态发生变化时对应的雷诺数称为临界雷诺数。又分为上临界雷诺数和下临界雷诺数。当调节阀从小到大逐渐开启时，所求得的临界雷诺数称为上临界雷诺数，此雷诺数范围不稳定。当调节阀从大到小逐渐关闭时，所求得的临界雷诺数称为下临界雷诺数Rec，此雷诺数比较稳定，其值为Rec=2300，作为判断流动形态的标准。低于此雷诺数的流动必为层流。
三、实验设备
实验设备如图2-9-5所示，在自循环恒定圆管流上1、2两个测孔接上测压管，可量测沿程水头损失。将有颜色水注入装置，以便显示流态和圆管断面流速分布。管中流速可用尾阀来调节。设置专用水箱进行流量量测
图2-9-5 雷诺实验仪
四、实验步骤
（1）接通电源使水泵正常工作，水箱充水并保持溢流状态，使水位恒定。
（2）打开尾阀至最大，排出实验管道中气泡。关闭尾阀，排出测压管中的气泡。
（3）用尾阀调节流量，通过注入的颜色水，观察管中分别为层流和紊流时的流动形态和断面流速分布。
（4）打开尾阀至最大，用体积法量测管道出流流量，同时记录测压管的读数Δh。逐渐减小尾阀开度，记录不同流量情况下的数据。
（5）在实验开始和结束时分别量测水温，加以平均作为实验水温。
（6）现设备配备了计算机数字采集系统，可在计算机上直接读出每次的流量Q和水头损失hf值。
五、实验数据记录及计算结果
仪器编号：____
有关常数：管径d=____cm，量水箱断面积A=____cm2，运动粘滞系数ν=____cm2/s，水温t=____℃
测量记录表格
六、注意事项
（1）实验过程中经常观察水箱溢流状况，以保证实验过程中水箱水位不变。
（2）打开尾阀时，要注意开关的转向，调节流量由大到小，否则会影响水流从紊流到层流的变化次序，必须小心缓慢地旋转尾阀，不要瞬时关得太多，可以用压差计压差控制阀门开度。
（3）层流时，每次调节尾阀时，使压差只能减少3mm左右；紊流时每次压差减少值可大些。
（4）注意爱护秒表、温度计等设备。
（5）实验结束后，关闭电源开关，拔掉电源插头。
七、思考题
（1）在判断流态时，必须使注入的有颜色的水能够反映水流状态，在操作中应注意哪些问题？本实验特别强调实验环境的安定是出于什么考虑？
（2）在该实验中，如果将压差计倾斜安装，压差计的读数是否为沿程水头损失hf？如果不是，该如何将读数换算为沿程水头损失hf？
（3）试用自己的话描述水流为层流状态、过渡状态和紊流状态下，有颜色的水的运动形态，并可通过实验观察层流状态和紊流状态下的流速分布。
八、讨论分析题
（1）在该实验中，当水流位于层流流态时，量测的水头损失较小，可以采用哪些办法提高量测的精度。试分析讨论。
（2）根据该实验得到的上、下雷诺数为什么会有差别？为什么不能使用临界流速判断水流流态而使用雷诺数来判断？
（3） 管段的长度会对实验的精度有何影响。试分析讨论。