雷諾實(shí)驗(yàn)帶數(shù)據(jù)處理

1、雷諾實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 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?qǐng)A管流態(tài)判別準(zhǔn)則。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(dòng)會(huì)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(dòng)過程中流體層之間是否發(fā)生混摻現(xiàn)象。在紊流流動(dòng)中存在隨機(jī)變化的脈動(dòng)量，而在層流流動(dòng)中則沒有，如圖1所示。2、圓管中恒定流動(dòng)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(dòng)狀態(tài)的因素歸納成一個(gè)無因次數(shù)，稱為雷諾數(shù)Re，作為判別流體流動(dòng)狀態(tài)的準(zhǔn)則式中 流體斷面平均流量 , 圓管直徑 , 流體的運(yùn)動(dòng)粘度 , 在本實(shí)驗(yàn)中，流體是水。水的運(yùn)動(dòng)粘度與溫度的關(guān)系可用

2、泊肅葉和斯托克斯提出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算式中水在時(shí)的運(yùn)動(dòng)粘度，； 水的溫度，。3、判別流體流動(dòng)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(shí)的速度稱為上臨界流速，從紊流到層流的過渡時(shí)的速度為下臨界流速。4、圓管中定常流動(dòng)的流態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)化時(shí)對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)稱為臨界雷諾數(shù)，對(duì)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(dòng)必為紊流，它很不確定，跨越一個(gè)較大的取值范圍。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(dòng)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

3、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(dòng)必為層流，有確定的取值。通常均以它作為判別流動(dòng)狀態(tài)的準(zhǔn)則，即 Re < 2320 時(shí)，層流 Re > 2320 時(shí)，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(dòng)之所以會(huì)呈現(xiàn)出兩種不同的型態(tài)是擾動(dòng)因素與粘性穩(wěn)定作用之間對(duì)比和抗衡的結(jié)果。針對(duì)圓管中定常流動(dòng)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(dòng)穩(wěn)定的。綜合起來看，小雷諾數(shù)流動(dòng)趨于穩(wěn)定，而大雷諾數(shù)流動(dòng)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(dòng)力特性存在很大的區(qū)別，對(duì)它們加以判別并分別討論是十分

4、必要的。圓管中恒定流動(dòng)的流態(tài)為層流時(shí)，沿程水頭損失與平均流速成正比，而紊流時(shí)則與平均流速的1.752.0次方成正比，如圖2所示。7、通過對(duì)相同流量下圓管層流和紊流流動(dòng)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，而紊流流速分布則比較均勻，壁面流速梯度和切應(yīng)力都比層流時(shí)大，如圖3所示。 圖1 三種流態(tài)示意 圖2 三種流態(tài)曲線 圖3 圓管斷面流速分布三、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， 水溫 T 27，運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)：v m2/s 表1 數(shù)據(jù)記錄表格項(xiàng)目測次流量(L/h)溫度()雷諾數(shù)(Re)誤差顏色水形態(tài)上臨界雷諾數(shù)127726.8378639.26%完全散開上臨界雷

5、諾數(shù)226827366337.22%完全散開上臨界雷諾數(shù)327727378639.26%完全散開下臨界雷諾數(shù)115326.82092-9.98%穩(wěn)定直線下臨界雷諾數(shù)217426.923783.30%直線擺動(dòng)下臨界雷諾數(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(dòng)，直線抖動(dòng)，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,與公認(rèn)值相比，可得誤差為五、誤差分析運(yùn)動(dòng)粘度偏差公式求得水流的運(yùn)動(dòng)粘度的偏差為：= 即：由流量公式： 由流量公式：Q=A*v可求得：流速公式為：v=Q/A=4Q/(D2)雷諾數(shù)公式為：Re=4Q/(D)雷諾數(shù)的偏差公式為：Re

6、= =根據(jù)以上公式，可分別求得三組數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的未知量：1.對(duì)于第一組數(shù)據(jù)： 雷諾數(shù)的相對(duì)誤差為： 2.對(duì)于第二組數(shù)據(jù)： 雷諾數(shù)的相對(duì)誤差為： 3.對(duì)于第三組數(shù)據(jù)： 雷諾數(shù)的相對(duì)誤差為： 以上三組數(shù)據(jù)所求得的雷諾數(shù)的相對(duì)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，此時(shí)儀器顯示，計(jì)算誤差，有 , 儀器誤差是主要誤差2、人為誤差由于上下臨界雷諾數(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(huì)有些許誤差，這些誤差體現(xiàn)在流量中。即，對(duì)于臨界狀態(tài)的判斷會(huì)影響最后對(duì)流量值得記錄，導(dǎo)致雷諾數(shù)產(chǎn)生誤差，這是不可避免的誤差

7、。3、外部環(huán)境影響 受到桌面振動(dòng)等影響會(huì)對(duì)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(dòng)，管內(nèi)顏色水成一股細(xì)直的流束，運(yùn)動(dòng)要素?zé)o脈動(dòng)現(xiàn)象。 紊流：質(zhì)點(diǎn)互相混滲作無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，管內(nèi)顏色水成直線抖動(dòng)、斷續(xù)或是完全散開，最終與周圍清水迅速相混，運(yùn)動(dòng)要素發(fā)生不規(guī)則的脈動(dòng)現(xiàn)象2、 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(dòng)狀態(tài)的一個(gè)無因次數(shù)。層流：流體質(zhì)點(diǎn)一直沿流線運(yùn)動(dòng)，彼此平行，不發(fā)生相互混雜的流動(dòng)。紊流：流體質(zhì)點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)過程中，互相混雜、穿

8、插的流動(dòng)。（紊流包含，主體流動(dòng)+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)來差別流態(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(dòng)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(dòng)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(shí)，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(gè)流態(tài)是層流還是湍流要看它的雷諾數(shù)是否超過臨界雷諾數(shù)。只看速度是不夠的，比如兩個(gè)相同速