雷諾揭示了重要的流體流動機理,，即根據流速的大小，流體有兩種不同的形態(tài),。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(tài)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(guī)則脈動,，這種流體形態(tài)稱為湍流,。
一．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(tài)過渡到湍流狀態(tài)所需的條件。雷諾用滴管在流體內注人有色顏料,，發(fā)現(xiàn)流速不大時,，管內呈現(xiàn)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(tài)。若保持管徑不變,，增大流速,，則脈線變粗，開始出現(xiàn)波紋,，隨管內流速的增加,，波紋的數(shù)目和振幅逐漸加大，當流速達到某數(shù)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(guī)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(tài)。
二．實驗目的
1,、觀察液體流動時的層流和紊流現(xiàn)象,。區(qū)分兩種不同流態(tài)的特征，搞清兩種流態(tài)產生的條件,。分析圓管流態(tài)轉化的規(guī)律,，加深對雷諾數(shù)的理解。
2,、測定顏色水在管中的不同狀態(tài)下的雷諾數(shù)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(tài)下沿程水頭損失的規(guī)律是不同的,。進一步掌握層流,、紊流兩種流態(tài)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(tài)的分析,，加深對管流不同流態(tài)的了解,。學習古典流體力學中應用無量綱參數(shù)進行實驗研究的方法，并了解其實用意義,。
三．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(tài),。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(tài),，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(tài),，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(tài)可用下列無量綱數(shù)來判斷：
Re=Vd/ν
Re稱為雷諾數(shù),。液流型態(tài)開始變化時的雷諾數(shù)叫做臨界雷諾數(shù)。
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(tài)的根本區(qū)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(tài)，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(qū)。BD段為紊流區(qū),，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(qū),，BC段為紊流向層流轉變的過渡區(qū),，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(shù)為下臨界雷諾數(shù),。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(shù)為上臨界雷諾數(shù),。
四．實驗設備
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(tài)。
供水流量由無級調速器調控,，使恒壓水箱始終保持微溢流的程度,，以提高進口前水體穩(wěn)定度。本恒壓水箱還設有多道穩(wěn)水隔板,，可使穩(wěn)水時間縮短到3～5分鐘,。有色水經水管注入實驗管道，可據有色水散開與否判別流態(tài),。為防止自循環(huán)水污染,，有色指示水采用自行消色的有色水,。
五．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(jié)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(xù)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(tài)的變化現(xiàn)象。并用體積法測定管中過流量,。
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