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分 项
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说 明
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装置功能
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能定性并且直观地观察到层流、过渡流、湍流等各种流型。测定出临界雷诺数。
清晰地观察到流体在圆管内流动过程的速度分布。
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设计参数
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雷诺数：500~5000。液体流量：40~400 l/h。常温、常压操作。
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公用设施
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水：需自来水提供实验用水，实验过程中消耗自来水。
电：电压AC220V，功率0.3kW，标准单相三线制。每个实验室需配置1~2个接地点（安全地及信号地）。
药品：水溶性红墨水。
实验物料：自来水
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主要设备
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转子流量计：40~400 l/h。
高位水箱：高强度有机玻璃材质，可视溢流及稳液位设计。
实验管段：高强度有机玻璃材质，Φ20，观察段长50cm。
其余管段：复合管约2m，不锈钢管约1m，有机玻璃管约2m，不锈钢弯头、三通和卡套等。
不锈钢框架结构（带脚轮）、不锈钢仪表柜
外型尺寸2.0*0.45*1.8米(长×宽×高)
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测控组成
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变量
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检测机构
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显示机构
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执行机构
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液体温度
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玻璃温度计
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温度就地显示
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无
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液体流量
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转子流量计
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流量计就地显示
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管路出口闸阀
（手动）
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1883年英国科学家雷诺（Reynolds）通过实验发现液体在流动中存在两种内部结构完全不同的流态：层流和紊流。同时也发现，层流的沿程水头损失hf与流速一次方成正比，紊流的hf与流速的1.75~2.0次方成正比；在层流与紊流之间存在过渡区，hf与流速的变化规律不明确。
雷诺揭示了重要的流体流动机理，即根据流速的大小,流体有两中不同的形态。当流体流速较小时，流体质点只沿流动方向作一维的运动，与其周围的流体间无宏观的混合即分层流动这种流动形态称为层流或滞流。流体流速增大到某个值后，流体质点除流动方向上的流动外，还向其它方向作随机的运动，即存在流体质点的不规则脉动，这种流体形态称为湍流。
反映了沿程阻力系数λ是与流态密切相关的参数，计算λ值必须首先确定水流的流态。
液体流态的判别是用无量纲数雷诺数Re作为判据的。
雷诺数是由流速v、水力半径R和运动粘滞系数υ组成的无量纲数，所以雷诺数Re表示惯性力与粘滞力的比值关系，当Re较小时，说明粘滞力占主导，液体为层流；反之则为紊流。
实验目的
1、观察液体流动时的层流和紊流现象。区分两种不同流态的特征，搞清两种流态产生的条件。分析圆管流态转化的规律，加深对雷诺数的理解。
2、测定颜色水在管中的不同状态下的雷诺数及沿程水头损失。绘制沿程水头损失和断面平均流速的关系曲线，验证不同流态下沿程水头损失的规律是不同的。进一步掌握层流、紊流两种流态的运动学特性与动力学特性。
3、通过对颜色水在管中的不同状态的分析，加深对管流不同流态的了解。学习古典流体力学中应用无量纲参数进行实验研究的方法，并了解其实用意义。
3 实验原理
1、液体在运动时，存在着两种根本不同的流动状态。当液体流速较小时，惯性力较小，粘滞力对质点起控制作用，使各流层的液体质点互不混杂，液流呈层流运动。当液体流速逐渐增大，质点惯性力也逐渐增大，粘滞力对质点的控制逐渐减弱，当流速达到一定程度时，各流层的液体形成涡体并能脱离原流层，液流质点即互相混杂，液流呈紊流运动。这种从层流到紊流的运动状态，反应了液流内部结构从量变到质变的一个变化过程。
液体运动的层流和紊流两种型态，首先由英国物理学家雷诺进行了定性与定量的证实，并根据研究结果，提出液流型态可用下列无量纲数来判断：
Re=Vd/ν
Re称为雷诺数。液流型态开始变化时的雷诺数叫做临界雷诺数。
在雷诺实验装置中，通过有色液体的质点运动，可以将两种流态的根本区别清晰地反映出来。在层流中，有色液体与水互不混惨，呈直线运动状态，在紊流中，有大小不等的涡体振荡于各流层之间，有色液体与水混掺。
2、在如图所示的实验设备图中，取1-1，1-2两断面，由恒定总流的能量方程知：
因为管径不变V1=V2△h
所以，压差计两测压管水面高差△h即为1-1和1-2两断面间的沿程水头损失，用重量法或体积浊测出流量，并由实测的流量值求得断面平均流速，作为lghf和lgv关系曲线，曲线上各段均可用直线关系式表示，由斜截式方程得直线的斜率。
4 实验设备
上图是流态实验装置图。它由能保持恒定水位的水箱，试验管道及能注入有色液体的部分等组成。实验时，只要微微开启出水阀，并打开有色液体盒连接管上的小阀，色液即可流入圆管中，显示出层流或紊流状态。
自循环液体两种流态演示实验装置图，供水流量由无级调速器调控，使恒压水箱4始终保持微溢流的程度，以提高进口前水体稳定度。本恒压水箱还设有多道稳水隔板，可使稳水时间缩短到3～5分钟。有色水经水管5注入实验管道8，可据有色水散开与否判别流态。为防止自循环水污染，有色指示水采用自行消色的专用有色水。
5 实验步骤
1、开启电流开关向水箱充水，使水箱保持溢流。
2、微微开启泄水阀及有色液体盒出水阀，使有色液体流入管中。调节泄水阀，使管中的有色液体呈一条直线，此时水流即为层流。此时用体积法测定管中过流量。
3、慢慢加大泄水阀开度，观察有色液体的变化，在某一开度时，有色液体由直线变成波状形。再用体积法测定管中过流量。
4、继续逐渐开大泄水阀开度，使有色液体由波状形变成微小涡体扩散到整个管内，此时管中即为紊流。并用体积法测定管中过流量。
5、以相反程序，即泄水阀开度从大逐渐关小，再观察管中流态的变化现象。并用体积法测定管中过流量。
6 结果分析
在双对数纸上以V为横坐标，hf为纵坐标，绘制lgV~lghf曲线，并在曲线上找上临界流速VK上，计算上临界雷诺数REK上并定出两段直线斜率m1，m2。 将从图上求得的m值与各流区m理论值进行比较，并分析不同流态下沿程水头损失的变化规律。
7 思考题问
1、液体流态与哪些因素有关?为什么外界干扰会影响液体流态的变化?
2、雷诺数的物理意义是什么？为什么雷诺数可以用来判别流态？
3．临界雷诺数与哪些因素有关？为什么上临界雷诺数和下临雷诺数不一样？
4．流态判据为何采用无量纲参数，而不采用临界流速？
5．分析层流和紊流在动力学特性和运动学特性方面各有何差异？
6．为何认为上临界雷诺数无实际意义，而采用下临界雷诺数作为层紊流的判据？本实验中如在相同条件下（环境、温度、仪器设备等）测出下临界雷诺数与所测上临界雷诺数有何异同？为什么？