TYLN 雷諾實驗裝置化工教學設備

產品詳細介紹

TYLN 雷諾實驗裝置化工教學設備

1883年英國科學家雷諾（Reynolds）通過實驗發現液體在流動中存在兩種內部結構*不同的流態：層流和紊流。同時也發現，層流的沿程水頭損失hf與流速一次方成正比，紊流的hf與流速的1.75~2.0次方成正比；在層流與紊流之間存在過渡區，hf與流速的變化規律不明確。

　　雷諾揭示了重要的流體流動機理，即根據流速的大小,流體有兩中不同的形態。當流體流速較小時，流體質點只沿流動方向作一維的運動，與其周圍的流體間無宏觀的混合即分層流動這種流動形態稱為層流或滯流。流體流速增大到某個值后，流體質點除流動方向上的流動外，還向其它方向作隨機的運動，即存在流體質點的不規則脈動，這種流體形態稱為湍流。

　　反映了沿程阻力系數λ是與流態密切相關的參數，計算λ值必須首先確定水流的流態。

　　液體流態的判別是用無量綱數雷諾數Re作為判據的。

　　雷諾數是由流速v、水力半徑R和運動粘滯系數υ組成的無量綱數，所以雷諾數Re表示慣性力與粘滯力的比值關系，當Re較小時，說明粘滯力占主導，液體為層流；反之則為紊流。

 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。

3 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慘，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。

　　雷諾實驗裝置

　　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，曲線上各段均可用直線關系式表示，由斜截式方程得直線的斜率。

4 實驗設備

　　上圖是流態實驗裝置圖。它由能保持恒定水位的水箱，試驗管道及能注入有色液體的部分等組成。實驗時，只要微微開啟出水閥，并打開有色液體盒連接管上的小閥，色液即可流入圓管中，顯示出層流或紊流狀態。自循環液體兩種流態演示實驗裝置圖

　　圖2為自循環液體兩種流態演示實驗裝置圖，供水流量由無級調速器調控，使恒壓水箱4始終保持微溢流的程度，以提高進口前水體穩定度。本恒壓水箱還設有多道穩水隔板，可使穩水時間縮短到3～5分鐘。有色水經水管5注入實驗管道8，可據有色水散開與否判別流態。為防止自循環水污染，有色指示水采用自行消色的有色水。

5 實驗步驟

　　1、開啟電流開關向水箱充水，使水箱保持溢流。

　　2、微微開啟泄水閥及有色液體盒出水閥，使有色液體流入管中。調節泄水閥，使管中的有色液體呈一條直線，此時水流即為層流。此時用體積法測定管中過流量。

　　3、慢慢加大泄水閥開度，觀察有色液體的變化，在某一開度時，有色液體由直線變成波狀形。再用體積法測定管中過流量。

　　4、繼續逐漸開大泄水閥開度，使有色液體由波狀形變成微小渦體擴散到整個管內，此時管中即為紊流。并用體積法測定管中過流量。

　　5、以相反程序，即泄水閥開度從大逐漸關小，再觀察管中流態的變化現象。并用體積法測定管中過流量。

6 結果分析

　　在雙對數紙上以V為橫坐標，hf為縱坐標，繪制lgV~lghf曲線，并在曲線上找上臨界流速VK上，計算上臨界雷諾數REK上并定出兩段直線斜率m1，m2。 將從圖上求得的m值與各流區m理論值進行比較，并分析不同流態下沿程水頭損失的變化規律。

7 思考題問

　　1、液體流態與哪些因素有關?為什么外界干擾會影響液體流態的變化?

　　2、雷諾數的物理意義是什么？為什么雷諾數可以用來判別流態？

　　3．臨界雷諾數與哪些因素有關？為什么上臨界雷諾數和下臨雷諾數不一樣？

　　4．流態判據為何采用無量綱參數，而不采用臨界流速？

　　5．分析層流和紊流在動力學特性和運動學特性方面各有何差異？

　　6．為何認為上臨界雷諾數無實際意義，而采用下臨界雷諾數作為層紊流的判據？本實驗中如在相同條件下（環境、溫度、儀器設備等）測出下臨界雷諾數與所測上臨界雷諾數有何異同？為什么？