TYLN 雷諾實驗裝置化工教學設(shè)備

產(chǎn)品詳細介紹

TYLN 雷諾實驗裝置化工教學設(shè)備

1883年英國科學家雷諾（Reynolds）通過實驗發(fā)現(xiàn)液體在流動中存在兩種內(nèi)部結(jié)構(gòu)*不同的流態(tài)：層流和紊流。同時也發(fā)現(xiàn)，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(qū)，hf與流速的變化規(guī)律不明確。

　　雷諾揭示了重要的流體流動機理，即根據(jù)流速的大小,流體有兩中不同的形態(tài)。當流體流速較小時，流體質(zhì)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(zhì)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(zhì)點的不規(guī)則脈動，這種流體形態(tài)稱為湍流。

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

　　液體流態(tài)的判別是用無量綱數(shù)雷諾數(shù)Re作為判據(jù)的。

　　雷諾數(shù)是由流速v、水力半徑R和運動粘滯系數(shù)υ組成的無量綱數(shù)，所以雷諾數(shù)Re表示慣性力與粘滯力的比值關(guān)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(xiàn)象。區(qū)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(zhuǎn)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(guān)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(yīng)用無量綱參數(shù)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(tài)。當液體流速較小時，慣性力較小，粘滯力對質(zhì)點起控制作用，使各流層的液體質(zhì)點互不混雜，液流呈層流運動。當液體流速逐漸增大，質(zhì)點慣性力也逐漸增大，粘滯力對質(zhì)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(zhì)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(yīng)了液流內(nèi)部結(jié)構(gòu)從量變到質(zhì)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(jù)研究結(jié)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(zhì)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慘，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。

　　雷諾實驗裝置

　　2、在如圖所示的實驗設(shè)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(guān)系曲線，曲線上各段均可用直線關(guān)系式表示，由斜截式方程得直線的斜率。

4 實驗設(shè)備

　　上圖是流態(tài)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(tài)。自循環(huán)液體兩種流態(tài)演示實驗裝置圖

　　圖2為自循環(huán)液體兩種流態(tài)演示實驗裝置圖，供水流量由無級調(diào)速器調(diào)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(wěn)定度。本恒壓水箱還設(shè)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(jīng)水管5注入實驗管道8，可據(jù)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。

5 實驗步驟

　　1、開啟電流開關(guān)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(diào)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(nèi)，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(guān)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。

6 結(jié)果分析

　　在雙對數(shù)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(shù)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(qū)m理論值進行比較，并分析不同流態(tài)下沿程水頭損失的變化規(guī)律。

7 思考題問

　　1、液體流態(tài)與哪些因素有關(guān)?為什么外界干擾會影響液體流態(tài)的變化?

　　2、雷諾數(shù)的物理意義是什么？為什么雷諾數(shù)可以用來判別流態(tài)？

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

　　4．流態(tài)判據(jù)為何采用無量綱參數(shù)，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(shù)無實際意義，而采用下臨界雷諾數(shù)作為層紊流的判據(jù)？本實驗中如在相同條件下（環(huán)境、溫度、儀器設(shè)備等）測出下臨界雷諾數(shù)與所測上臨界雷諾數(shù)有何異同？為什么？