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雷 诺 实 验

雷诺实验

一、实验背景

1883年，雷诺通过实验发现到液流中存在着层流和湍流两种流态：流速较小时，水流有条不紊的呈现层状有序的直线运动，流层间没有质点掺混，这种流态称为层流；当流速增大时，流体质点做杂乱无章的无序的运动，流层间质点掺混，这种流态称为湍流。雷诺实验还发现存在着湍流转变为层流的临界流速V0，而V0又与流体的粘性，圆管的直径d有关。若要判别流态，就要确定各种情况下的V0值。雷诺运用量纲分析的原理，对这些相关因素的不同量值作出排列组合再分别进行实验研究，得出了无量纲数——雷诺数Re，以此作为层流与紊流的判别依据，使复杂问题得以简化。

经反复测试，雷诺得出圆管流动的下临界雷诺数值为2320，工程上，一般取之为2000。当Re<2320时，管中流态为层流，反之，则为湍流。

雷诺简介

奥斯本 雷诺（Osborne Reynolds)，英国力学家、物理学家和工程师。1842年8月23日生于北爱尔兰的贝尔法斯特，1912年2月21日卒于萨默塞特的沃切特。1867年毕业于剑桥大学王后学院。1868年出任曼彻斯特欧文学院（以后改名为维多利亚大学）的首席工程学教授，1877年当选为皇家学会会员，1888年获皇家勋章，1905年因健康原因退休。他是一位杰出的实验科学家，由于欧文学院最初没有实验室，因此他的许多早期试验

都是在家里进行的。他于1883年发表了一篇经典性论文──《决定水流为直线或曲线运动的条件以及在平行水槽中的阻力定律的探讨》。这篇文章以实验结果说明水流分为层流与紊流两种形态，并提出以无量纲数Re（后称为雷诺数）作为判别两种流态的标准。他还于1886年提出轴承的润滑理论，1895年在湍流中引入有关应力的概念。雷诺兴趣广泛，一生著述很多，其中近70篇论文都有很深远的影响。这些论文研究的内容包括力学、热力学、电学、航空学、蒸汽机特性等。他的成果曾汇编成《雷诺力学和物理学课题论文集》两卷。

二、实验目的要求

1、观察液体流动时的层流和紊流现象。区分两种不同流态的特征，搞清两种流态产生的

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条件，加深对雷诺数的理解。 2、测定颜色水在管中的不同状态下的雷诺数，学习园管流态判别准则，进一步掌握层流、紊流两种流态的运动学特性与动力学特性。

3、通过对颜色水在管中的不同状态的分析，加深对管流不同流态的了解。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。

三、实验装置

本实验的装置如图5.1所示。

图5.1 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.稳水孔板； 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。

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四、实验原理

在本实验中，当流量由大逐渐变小时，流态由湍流变为层流，对应一个下临界雷诺数，当流量由零逐渐增大时，流态从层流变为湍流，对应一个上临界雷诺数。在上临界值与下临界值之间，则为不稳定的过渡区域。由于上雷诺临界数受外界干扰，数值不稳定，而下临界雷诺数值比较稳定，因此一般以下临界雷诺数作为判别流态的标准。该实验中，水箱的水位稳定，管径、水的密度与粘性系数不变，所以可以用改变管中流速的办法改变雷诺数。

雷诺数的计算公式为

Re?Vd4Q??kQ??d?k?4?d?

式中，Re——雷诺数，无因次量

d——圆管内径

V——管内平均流速 ?——流体粘度 k——计算常数 Q——流体流量

通过有色液体的质点运动，可以将两种流态的根本区别清晰地反映出来。在层流中，有色液体与水互不混惨，呈直线运动状态，在紊流中，有大小不等的涡体振荡于各流层之间，有色液体与水混掺。见图5.2

图5.2 流态和对应流动图谱

五、实验方法与步骤

1．测记本实验的有关常数。 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。

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