TYLN 雷諾實(shí)驗裝置化工教學(xué)設備

產(chǎn)品詳細介紹

TYLN 雷諾實(shí)驗裝置化工教學(xué)設備

1883年英國科學(xué)家雷諾（Reynolds）通過(guò)實(shí)驗發(fā)現液體在流動(dòng)中存在兩種內部結構*不同的流態(tài)：層流和紊流。同時(shí)也發(fā)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(guò)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(dòng)機理，即根據流速的大小,流體有兩中不同的形態(tài)。當流體流速較小時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)只沿流動(dòng)方向作一維的運動(dòng)，與其周?chē)牧黧w間無(wú)宏觀(guān)的混合即分層流動(dòng)這種流動(dòng)形態(tài)稱(chēng)為層流或滯流。流體流速增大到某個(gè)值后，流體質(zhì)點(diǎn)除流動(dòng)方向上的流動(dòng)外，還向其它方向作隨機的運動(dòng)，即存在流體質(zhì)點(diǎn)的不規則脈動(dòng)，這種流體形態(tài)稱(chēng)為湍流。

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

　　液體流態(tài)的判別是用無(wú)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(dòng)粘滯系數υ組成的無(wú)量綱數，所以雷諾數Re表示慣性力與粘滯力的比值關(guān)系，當Re較小時(shí)，說(shuō)明粘滯力占主導，液體為層流；反之則為紊流。

 實(shí)驗目的

　　1、觀(guān)察液體流動(dòng)時(shí)的層流和紊流現象。區分兩種不同流態(tài)的特征，搞清兩種流態(tài)產(chǎn)生的條件。分析圓管流態(tài)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(tài)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(guān)系曲線(xiàn)，驗證不同流態(tài)下沿程水頭損失的規律是不同的。進(jìn)一步掌握層流、紊流兩種流態(tài)的運動(dòng)學(xué)特性與動(dòng)力學(xué)特性。

　　3、通過(guò)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(xué)習古典流體力學(xué)中應用無(wú)量綱參數進(jìn)行實(shí)驗研究的方法，并了解其實(shí)用意義。

3 實(shí)驗原理

　　1、液體在運動(dòng)時(shí)，存在著(zhù)兩種根本不同的流動(dòng)狀態(tài)。當液體流速較小時(shí)，慣性力較小，粘滯力對質(zhì)點(diǎn)起控制作用，使各流層的液體質(zhì)點(diǎn)互不混雜，液流呈層流運動(dòng)。當液體流速逐漸增大，質(zhì)點(diǎn)慣性力也逐漸增大，粘滯力對質(zhì)點(diǎn)的控制逐漸減弱，當流速達到一定程度時(shí)，各流層的液體形成渦體并能脫離原流層，液流質(zhì)點(diǎn)即互相混雜，液流呈紊流運動(dòng)。這種從層流到紊流的運動(dòng)狀態(tài)，反應了液流內部結構從量變到質(zhì)變的一個(gè)變化過(guò)程。

　　液體運動(dòng)的層流和紊流兩種型態(tài)，首先由英國物理學(xué)家雷諾進(jìn)行了定性與定量的證實(shí)，并根據研究結果，提出液流型態(tài)可用下列無(wú)量綱數來(lái)判斷：

　　Re=Vd/ν

　　Re稱(chēng)為雷諾數。液流型態(tài)開(kāi)始變化時(shí)的雷諾數叫做臨界雷諾數。

　　在雷諾實(shí)驗裝置中，通過(guò)有色液體的質(zhì)點(diǎn)運動(dòng)，可以將兩種流態(tài)的根本區別清晰地反映出來(lái)。在層流中，有色液體與水互不混慘，呈直線(xiàn)運動(dòng)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。

　　雷諾實(shí)驗裝置

　　2、在如圖所示的實(shí)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(shí)測的流量值求得斷面平均流速，作為lghf和lgv關(guān)系曲線(xiàn)，曲線(xiàn)上各段均可用直線(xiàn)關(guān)系式表示，由斜截式方程得直線(xiàn)的斜率。

4 實(shí)驗設備

　　上圖是流態(tài)實(shí)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(shí)驗時(shí)，只要微微開(kāi)啟出水閥，并打開(kāi)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)。自循環(huán)液體兩種流態(tài)演示實(shí)驗裝置圖

　　圖2為自循環(huán)液體兩種流態(tài)演示實(shí)驗裝置圖，供水流量由無(wú)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(jìn)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(shí)間縮短到3～5分鐘。有色水經(jīng)水管5注入實(shí)驗管道8，可據有色水散開(kāi)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。

5 實(shí)驗步驟

　　1、開(kāi)啟電流開(kāi)關(guān)向水箱充水，使水箱保持溢流。

　　2、微微開(kāi)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(xiàn)，此時(shí)水流即為層流。此時(shí)用體積法測定管中過(guò)流量。

　　3、慢慢加大泄水閥開(kāi)度，觀(guān)察有色液體的變化，在某一開(kāi)度時(shí)，有色液體由直線(xiàn)變成波狀形。再用體積法測定管中過(guò)流量。

　　4、繼續逐漸開(kāi)大泄水閥開(kāi)度，使有色液體由波狀形變成微小渦體擴散到整個(gè)管內，此時(shí)管中即為紊流。并用體積法測定管中過(guò)流量。

　　5、以相反程序，即泄水閥開(kāi)度從大逐漸關(guān)小，再觀(guān)察管中流態(tài)的變化現象。并用體積法測定管中過(guò)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(xiàn)，并在曲線(xiàn)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(xiàn)斜率m1，m2。 將從圖上求得的m值與各流區m理論值進(jìn)行比較，并分析不同流態(tài)下沿程水頭損失的變化規律。

7 思考題問(wèn)

　　1、液體流態(tài)與哪些因素有關(guān)?為什么外界干擾會(huì )影響液體流態(tài)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(lái)判別流態(tài)？

　　3．臨界雷諾數與哪些因素有關(guān)？為什么上臨界雷諾數和下臨雷諾數不一樣？

　　4．流態(tài)判據為何采用無(wú)量綱參數，而不采用臨界流速？

　　5．分析層流和紊流在動(dòng)力學(xué)特性和運動(dòng)學(xué)特性方面各有何差異？

　　6．為何認為上臨界雷諾數無(wú)實(shí)際意義，而采用下臨界雷諾數作為層紊流的判據？本實(shí)驗中如在相同條件下（環(huán)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？