雷諾實驗

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，併力求找到流體流動由層流狀態過渡到湍流狀態所需的條件。雷諾用滴管在流體內注入有色顏料，發現流速不大時，管內呈現一條條與管壁平行並清晰可見的有色細絲即脈線，管內流體分層流動，互不混淆，説明管內流體處於層流運動狀態。若保持管徑不變，增大流速，則脈線變粗，開始出現波紋，隨管內流速的增加，波紋的數目和振幅逐漸加大，當流速達到某數值時，脈線突然分裂成許多運動着的小渦旋，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。這説明管內流體的不規則運動，使各部分顏料顆粒相互劇烈摻混，並混亂而均勻地分散到整個流體之中，導致脈線消失，此時流體處於湍流狀態。 ^[1] 

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徵，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。繪製沿程水頭損失和斷面平均流速的關係曲線，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瞭解。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，並瞭解其實用意義。 ^[2] 

1、液體在運動時，存在着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並能脱離原流層，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，並根據研究結果，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摻，呈直線運動狀態，在紊流中，有大小不等的渦體振盪於各流層之間，有色液體與水混摻。

2、在如圖1所示的實驗設備圖中，取1-1，1-2兩斷面，由恆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，並由實測的流量值求得斷面平均流速，作為lghf和lgv關係曲線，曲線上EC段和BD段均可用直線關係式表示，由斜截式方程得：

lgh_f=lgk+m lgv lgh_f=lgk v m h_f=kvm；m為直線的斜率

實驗結果表明EC=1，θ=45°，説明沿程水頭損失與流速的一次方成正比例關係，為層流區。BD段為紊流區，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，BC段為紊流向層流轉變的過渡區，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點所對應的雷諾數為下臨界雷諾數。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點所對應的雷諾數為上臨界雷諾數。 ^[2] 

圖2是流態實驗裝置圖。它由能保持恆定水位的水箱，試驗管道及能注入有色液體的部分等組成。實驗時，只要微微開啓出水閥，並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。 圖3自循環液體兩種流態演示實驗裝置圖

1、自循環供水器；2、實驗台；3、可控硅無級調速器；4、恆壓水箱；

5、有色水水管；6、穩水孔板；7、溢流板；8、實驗管道；9、實驗流量調節閥

供水流量由無級調速器調控，使恆壓水箱4始終保持微溢流的程度，以提高進口前水體穩定度。本恆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，有色指示水採用自行消色的專用有色水。 ^[2] 

1、開啓電流開關向水箱充水，使水箱保持溢流。

2、微微開啓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。並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。並用體積法測定管中過流量。 ^[2]