实验一、流体流型演示实验-塔里木大学化学实验教学示范中心

一、实验目的

1、观察流体在管内流动的两种不同流型。

2、测定临界雷诺数Re _c。

二、基本原理

流体流动有两种不同型态，即层流（或称滞流，Laminar flow）和湍流（或称紊流，Turbulent flow），这一现象最早是由雷诺（Reynolds）于1883年首先发现的。流体作层流流动时，其流体质点作平行于管轴的直线运动，且在径向无脉动；流体作湍流流动时，其流体质点除沿管轴方向作向前运动外，还在径向作脉动，从而在宏观上显示出紊乱地向各个方向作不规则的运动。

流体流动型态可用雷诺准数（Re）来判断，这是一个由各影响变量组合而成的无因次数群，故其值不会因采用不同的单位制而不同。但应当注意，数群中各物理量必须采用同一单位制。若流体在圆管内流动，则雷诺准数可用下式表示：　

（1－1）

式中：Re —雷诺准数，无因次；

d —管子内径，m；

u —流体在管内的平均流速，m／s；

—流体密度，kg／m³；

μ—流体粘度；Pa·s。

层流转变为湍流时的雷诺数称为临界雷诺数，用Re _c表示。工程上一般认为，流体在直圆管内流动时，当Re≤2000时为层流；当Re>4000时，圆管内已形成湍流；当Re在2000至4000范围内，流动处于一种过渡状态，可能是层流，也可能是湍流，或者是二者交替出现，这要视外界干扰而定，一般称这一Re数范围为过渡区。

式（1－1）表明，对于一定温度的流体，在特定的圆管内流动，雷诺准数仅与流体流速有关。本实验即是通过改变流体在管内的速度，观察在不同雷诺准数下流体的流动型态。

三、实验装置及流程

实验装置如图1－1所示。主要由玻璃试验导管、流量计、流量调节阀、低位贮水槽、循环水泵、稳压溢流水槽等部分组成。

图11－1 流体流型演示实验

1－红墨水储槽； 2－溢流稳压槽； 3－实验管； 4－转子流量计；

5－循环泵； 6－上水管； 7－溢流回水管； 8－调节阀； 9－储水槽

实验前，先将水充满低位贮水槽，关闭流量计后的调节阀，然后启动循环水泵。待水充满稳压溢流水槽后，开启流量计后的调节阀。水由稳压溢流水槽流经缓冲槽、试验导管和流量计，最后流回低位贮水槽。水流量的大小，可由流量计和调节阀调节。

示踪剂采用红色墨水，它由红墨水贮瓶经连接管和细孔喷嘴，注入试验导管。细孔玻璃注射管(或注射针头)位于试验导管人口的轴线部位。

注意：实验用的水应清洁，红墨水的密度应与水相当，装置要放置平稳，避免震动。

四、演示操作

1.测记本实验的有关常数。

2.观察两种流态。

（1）层流流动型态

试验时，先少许开启调节阀，将流速调至所需要的值。再调节红墨水贮瓶的下口旋塞，并作精细调节，使红墨水的注人流速与试验导管中主体流体的流速相适应，一般略低于主体流体的流速为宜。待流动稳定后．记录主体流体的流量。此时，在试验导管的轴线上，就可观察到一条平直的红色细流，好像一根拉直的红线一样。

（2）湍流流动型态

缓慢地加大调节阀的开度，使水流量平稳地增大，玻璃导管内的流速也随之平稳地增大。此时可观察到，玻璃导管轴线上呈直线流动的红色细流，开始发生波动。随着流速的增大，红色细流的波动程度也随之增大，最后断裂成一段段的红色细流。当流速继续增大时，红墨水进入试验导管后立即呈烟雾状分散在整个导管内，进而迅速与主体水流混为—体，使整个管内流体染为红色，以致无法辨别红墨水的流线。

3.测定下临界雷诺数。

（1）将调节阀打开，使管中呈完全紊流，再逐步关小调节阀使流量减小。当流量调节到使红颜色墨水在全管刚呈现出一稳定直线，即为下临界状态；

（2）待管中出现临界状态时，根据体积法测定流量；

（3）根据所测流量计算下临界雷诺数，并与公认值（2000）比较，偏离过大，需重测；

（4）重新打开调节阀，使其形成完全紊流，按照上述步骤重复测量不少于三次；

（5）同时根据显示的温度查出水的运动粘度。

注意：

（1）每调节阀门一次，均需等待几分钟；

（2）关小阀门的过程中，只许渐小；

4.测定上临界雷诺数。

逐渐开启调节阀，使管中水流由层流过渡到紊流，当色水线刚开始散开时，即为上临界状态，测定上临界雷诺数1~2次。