雷諾實(shí)驗(yàn)帶數(shù)據(jù)處理

1、雷諾實(shí)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康尿?yàn)1. 觀察層流和紊流的流態(tài)及其轉(zhuǎn)換特征。2. 通過臨界雷諾數(shù)，掌握圓管流態(tài)判別準(zhǔn)那么3. 掌握誤差分析在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用。二、實(shí)驗(yàn)原理1、實(shí)際流體的流動會呈現(xiàn)出兩種不同的型態(tài)：層流和紊流，它們的區(qū)別在于：流動過程中流體層之間是否發(fā)生混摻現(xiàn)象。在紊流流動中存在隨機(jī)變化的脈 動量，而在層流流動中那么沒有，如圖1所示2、圓管中恒定流動的流態(tài)轉(zhuǎn)化取決于雷諾數(shù)。雷諾根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)資料，將影響流體流動狀態(tài)的因素歸納成一個無因次數(shù)，稱為雷諾數(shù)Re，作為判別流體4QRe流動狀態(tài)的準(zhǔn)那么式中Q流體斷面平均流量，L s D圓管直徑，mm流體的運(yùn)動粘度2m2 s在本實(shí)驗(yàn)中，流體是水。水的運(yùn)動

2、粘度與溫度的關(guān)系可用泊肅葉和斯托 克斯提出的經(jīng)驗(yàn)公式計算(0.585 10 3 (T 12) 0.03361) (T 12) 1.2350) 106式中 水在t C時的運(yùn)動粘度，m2 s ；T水的溫度，C3、判別流體流動狀態(tài)的關(guān)鍵因素是臨界速度。臨界速度隨流體的粘度、密度以及流道的尺寸不同而改變。流體從層流到紊流的過渡時的速度稱為上臨界流 速，從紊流到層流的過渡時的速度為下臨界流速。4、圓管中定常流動的流態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)化時對應(yīng)的雷諾數(shù)稱為臨界雷諾數(shù)， 對應(yīng) 于上、下臨界速度的雷諾數(shù)， 稱為上臨界雷諾數(shù)和下臨界雷諾數(shù)。 上臨界雷 諾數(shù) 表示超過此雷諾數(shù)的流動必為紊流， 它很不確定， 跨越一個較大的取值

3、 范圍。 而 且極不穩(wěn)定，只要稍有干擾，流態(tài)即發(fā)生變化。上臨界雷諾數(shù)常隨 實(shí)驗(yàn)環(huán)境、流 動的起始狀態(tài)不同有所不同。因此，上臨界雷諾數(shù)在工程技術(shù)中 沒有實(shí)用意義。 有實(shí)際意義的是下臨界雷諾數(shù)， 它表示低于此雷諾數(shù)的流動 必為層流， 有確定的 取值。通常均以它作為判別流動狀態(tài)的準(zhǔn)那么，即Re 2320時，紊流該值是圓形光滑管或近于光滑管的數(shù)值，工程實(shí)際中一般取 Re = 2000 。5、實(shí)際流體的流動之所以會呈現(xiàn)出兩種不同的型態(tài)是擾動因素與粘性穩(wěn)定 作用之間比照和抗衡的結(jié)果。 針對圓管中定常流動的情況， 容易理解： 減小 D ， 減小 ，加大 v 三種途徑都是有利于流動穩(wěn)定的。綜合起來看，小雷諾數(shù)

4、 流 動趨于穩(wěn)定，而大雷諾數(shù)流動穩(wěn)定性差，容易發(fā)生紊流現(xiàn)象。6、由于兩種流態(tài)的流場結(jié)構(gòu)和動力特性存在很大的區(qū)別，對它們加以判別并分別討論是十分必要的。 圓管中恒定流動的流態(tài)為層流時， 沿程水頭損失 與平 均流速成正比，而紊流時那么與平均流速的1.752.0次方成正比，如圖2所示。7、通過對相同流量下圓管層流和紊流流動的斷面流速分布作一比較， 可以 看出層流流速分布呈旋轉(zhuǎn)拋物面， 而紊流流速分布那么比較均勻， 壁面流速梯 度和 切應(yīng)力都比層流時大，如圖 3 所示。圖1二種流態(tài)示意圖2三種流態(tài)曲線圖3圓管斷面流速分布二實(shí)驗(yàn)裝置四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析有關(guān)常數(shù)：管徑d = 30 mm ,水溫T = 27 C

5、,運(yùn)動粘性系數(shù)： v = 8.62475 10 7 m2/s表1 數(shù)據(jù)記錄表格工程測次流量(L/h)溫度(C)雷諾數(shù)(Re)誤差顏色水形態(tài)上1臨界雷諾數(shù)127726.8378639.26%完全散開上1臨界雷諾數(shù)226827366337.22%完全散開上1臨界雷諾數(shù)327727378639.26%完全散開卜1臨界雷諾數(shù)115326.82092-9.98%穩(wěn)定直線卜1臨界雷諾數(shù)217426.923783.30%直線擺動卜1臨界雷諾數(shù)3156272132-7.86%穩(wěn)定直線注：顏色水形態(tài)指：穩(wěn)定直線，穩(wěn)定略彎曲，直線擺動，直線抖動，斷續(xù)，完全散開等。三次測量取平均值，可得下臨界雷諾數(shù)為 Re 220

6、0,與公認(rèn)值Re 2300相比，可得誤差為2300 22002300100% 4.348%五、誤差分析運(yùn)動粘度偏差公式T (2T 24)* 0.585 * 10八(3) 0.03361 * 10八(6)* T求得水流的運(yùn)動粘度的偏差為:即:=(2*27 24)*0.585*10 A( 3) 0.03361*10 A( 6)*0 .1 0.0014 106m2 / s0.8625 10 6 0.0014 10 6m2 /s由流量公式：Q Qt由流量公式：Q=A*v可求得：流速公式為：v=Q/A=4Q/( tD2)雷諾數(shù)公式為：Re=4Q/( tD VRe4Q2 *雷諾數(shù)的偏差公式為:ReRe=*

7、qQ4 * Q D D 2根據(jù)以上公式，可分別求得三組數(shù)據(jù)所對應(yīng)的未知量:1. 對于第一組數(shù)據(jù):Q=0.11 153=16.83L /hQ1 (153 16.83)L/ h0.189 0.021m 2 / sRe1 4 Q1 ( D ) 2092Re1 230雷諾數(shù)的相對誤差為:1Re Re 100% 9.98%1 Re2. 對于第二組數(shù)據(jù):Q=0.11 174=19.14L /hQ1 (174 19.14)L/ h0.215 0.022m 2 / sRe1 4 Q1 ( D)2378Re1 262雷諾數(shù)的相對誤差為:2Re Re 100% 3.30%2 Re3. 對于第三組數(shù)據(jù):Q=0.11

8、 156=17.16L /hQ1 (156 17.16)L/ h0.193 0.021m 2 / sRe1 4 Q1 ( D ) 2132Re1 235 雷諾數(shù)的相對誤差為： 1Re Re 100% 7.86%Re以上三組數(shù)據(jù)所求得的雷諾數(shù)的相對誤差均處于誤差允許范圍內(nèi)， 所以可認(rèn)為 實(shí) 驗(yàn)測得數(shù)據(jù)合理有效。誤差來源1、儀器誤差使用 2L 量筒以及秒表測量出水口處流量，約為 240L/h ，此時儀器顯示 270L/h ，計算誤差，有Q 30Q 11% , Q Q Q 161 17.71L / hQ 270T=T T 27 0.1 o CRe 2200 234儀器誤差是主要誤差2、人為誤差由于上

9、下臨界雷諾數(shù)的判定是由人眼觀察管中紅墨水線的形態(tài)判斷， 所以 在 判斷過程中會有些許誤差， 這些誤差表達(dá)在流量中。 即，對于臨界狀態(tài)的 判斷會 影響最后對流量值得記錄， 導(dǎo)致雷諾數(shù)產(chǎn)生誤差， 這是不可防止的誤差。3、外部環(huán)境影響受到桌面振動等影響會對實(shí)驗(yàn)造成一定的誤差， 在實(shí)驗(yàn)過程中已經(jīng)力求避 免 這樣的誤差。六、分析思考問題1、層流、紊流兩種水流流態(tài)的外觀表現(xiàn)是怎樣的？ 答：層流：質(zhì)點(diǎn)有規(guī)律地 作分層流動，管內(nèi)顏色水成一股細(xì)直的流束，運(yùn)動要素 無脈動現(xiàn)象。紊流：質(zhì)點(diǎn)互相混滲作無規(guī)那么運(yùn)動， 管內(nèi)顏色水成直線抖動、 斷續(xù)或是 完全 散開，最終與周圍清水迅速相混，運(yùn)動要素發(fā)生不規(guī)那么的脈動現(xiàn)象2

10、、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)？答：雷諾數(shù)物理意義：慣性力與粘性力之比，是表征流動狀態(tài)的一個無因次數(shù)。層流：流體質(zhì)點(diǎn)一直沿流線運(yùn)動，彼此平行，不發(fā)生相互混雜的流動。 紊 流：流體質(zhì)點(diǎn)在運(yùn)動過程中，互相混雜、穿插的流動。 紊流包含，主體 流 動 +各種大小強(qiáng)弱不同的旋渦 因?qū)恿髋c紊流所處的狀態(tài)不同， 故數(shù)值大小也 不 同，所以可以用雷諾數(shù)來差異流態(tài)， 數(shù)值大于臨界值的為紊流， 小于臨界值 的 為層流。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？ 答：臨界雷諾數(shù)與流速、管徑、流體的動力粘度及流體的密度有關(guān)上臨界雷諾數(shù)和下臨雷諾數(shù)之所以不一樣是因?yàn)榛靵y無章的流動所具有的 慣性力大于層流的粘性力； 當(dāng)從層流變成紊流時， 粘性力逐漸減小， 慣性力 逐漸 增大，因?yàn)椴煌牧λ鲗?dǎo)的作用不一樣， 所以上臨界雷諾數(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？ 答：流速只能代表慣 性力。 雷諾數(shù)是慣性力與粘性力之比。 判斷一個流態(tài)是層流 還是湍流要看它 的雷諾數(shù)是否超過