雷諾揭示了重要的流體流動機理，即根據(jù)流速的大小，流體有兩種不同的形態(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。

一．定義

雷諾實驗1883年，雷諾（Reynold）做了一系列經(jīng)典實驗，以驗證前人所做的同類實驗，并力求找到流體流動由層流狀態(tài)過渡到湍流狀態(tài)所需的條件。雷諾用滴管在流體內(nèi)注人有色顏料，發(fā)現(xiàn)流速不大時，管內(nèi)呈現(xiàn)一條條與管壁平行并清晰可見的有色細絲即脈線，管內(nèi)流體分層流動，互不混淆，說明管內(nèi)流體處于層流運動狀態(tài)。若保持管徑不變，增大流速，則脈線變粗，開始出現(xiàn)波紋，隨管內(nèi)流速的增加，波紋的數(shù)目和振幅逐漸加大，當流速達到某數(shù)值時，脈線突然分裂成許多運動著的小渦旋，繼而很快消失，使整個管內(nèi)的流體帶上了淡薄的顏料的顏色。這說明管內(nèi)流體的不規(guī)則運動，使各部分顏料顆粒相互劇烈摻混，并混亂而均勻地分散到整個流體之中，導致脈線消失，此時流體處于湍流狀態(tài)。

二．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用無量綱參數(shù)進行實驗研究的方法，并了解其實用意義。

三．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摻，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。

2、在如圖所示的實驗設備圖中，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，并由實測的流量值求得斷面平均流速，作為lghf和lgv關(guān)系曲線，如下圖所示，曲線上EC段和BD段均可用直線關(guān)系式表示，由斜截式方程得：

lghf=lgk+m lgv lghf=lgk v m hf=kvm；m為直線的斜率

實驗結(jié)果表明EC=1，θ=45°，說明沿程水頭損失與流速的一次方成正比例關(guān)系，為層流區(qū)。BD段為紊流區(qū)，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(zhuǎn)變的過渡區(qū)，BC段為紊流向?qū)恿鬓D(zhuǎn)變的過渡區(qū)，C點為紊流向?qū)恿鬓D(zhuǎn)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(shù)為下臨界雷諾數(shù)。A點為層流向紊流轉(zhuǎn)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(shù)為上臨界雷諾數(shù)。

四．實驗設備

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)。

供水流量由無級調(diào)速器調(diào)控，使恒壓水箱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)水管注入實驗管道，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。

五．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。