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(guò)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(guò)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(méi)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(wú)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4QReD式中Q 流體斷面平均流量,L sD 圓管直徑,mm流體的運(yùn)動(dòng)粘度,m2 s在本實(shí)驗(yàn)中，流體是水。水的

2、運(yùn)動(dòng)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(jì)算(0.58510 3(T12)0.03361)(T12)1.2350)10 6式中水在 tC 時(shí)的運(yùn)動(dòng)粘度， m2 s ；T 水的溫度，C 。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-可編輯修改 -_度以及流道的尺寸不同而改變。 流體從層流到紊流的過(guò)渡時(shí)的速度稱為上臨界流速，從紊流到層流的過(guò)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(guò)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

3、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(méi)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(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)，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(lái)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

4、性差，容易發(fā)生紊流現(xiàn)象。6、由于兩種流態(tài)的流場(chǎng)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1.75 2.0 次方成正比，如圖2 所示。7、通過(guò)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。-可編輯修改 -_層流流速分布紊流流速分布圖 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 30mm ， 水溫 T 27，運(yùn)動(dòng)粘性系

5、數(shù)： v 8.62475 10 7 m2/s表 1數(shù)據(jù)記錄表格項(xiàng)目測(cè)流量 (L/h)溫度 ( )雷諾數(shù) (Re)誤差顏色水形態(tài)-可編輯修改 -_次上臨界雷諾數(shù)127726.8378639.26%完全散開(kāi)上臨界雷諾數(shù)226827366337.22%完全散開(kāi)上臨界雷諾數(shù)327727378639.26%完全散開(kāi)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(kāi)等。三次測(cè)量取平均值，可得下臨界雷諾數(shù)為Re2200,與公

6、認(rèn)值 Re2300相比，可得誤差為230022004.348%100%2300五、誤差分析運(yùn)動(dòng)粘度偏差公式*T( 2T24) * 0.585 * 10 ( 3)0.03361 * 10 ( 6) *TT求得水流的運(yùn)動(dòng)粘度的偏差為：=(2*2724)*0.585*10 ( 3) 0.03361*10 ( 6)*0 .1 0.0014 10 6 m2 / s即：0.862510 60.001410 6 m2 / sQ由流量公式：Qtt由流量公式： Q=A*v 可求得：-可編輯修改 -_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=ReQRe

7、*Q=4 *Q4Q2*DD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)：Q =0.11153=16.83L / hQ1(15316.83)L/ h0.1890.021m2 / sRe14Q1(D)2092Re1230雷諾數(shù)的相對(duì)誤差為：ReRe1100% 9.98%Re2.對(duì)于第二組數(shù)據(jù)：Q =0.11174=19.14 L / hQ1(17419.14)L/ h0.2150.022m2 / s-可編輯修改 -_Re14Q1(D)2378Re1262雷諾數(shù)的相對(duì)誤差為：ReRe2100% 3.30%Re3.對(duì)于第三組數(shù)據(jù)：Q =0.11156=17.16 L / hQ1(

8、15617.16)L/ h0.193 0.021m2 / sRe14Q1(D) 2132Re1235雷諾數(shù)的相對(duì)誤差為：ReRe1100% 7.86%Re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(cè)得數(shù)據(jù)合理有效。誤差來(lái)源1、儀器誤差使用 2L 量筒以及秒表測(cè)量出水口處流量，約為240L/h ，此時(shí)儀器顯示270L/h ，計(jì)算誤差，有QQ30Q11% , Q Q Q 161 17.71L / h270T= TT27 0.1o CRe2200234-可編輯修改 -_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(guò)

9、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。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(guò)程中已經(jīng)力求避免這樣的誤差。六、分析思考問(wèn)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(wú)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(kāi)，最終與周?chē)逅杆傧嗷?，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(lái)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

10、流動(dòng)狀態(tài)的一個(gè)無(wú)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(guò)程中，互相混雜、穿插的流動(dòng)。（紊流包含，主體-可編輯修改 -_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(lái)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(wú)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(wú)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(guò)臨界雷諾數(shù)。只看速度是不夠的， 比如兩個(gè)相同速度的流動(dòng)， 一個(gè)在光滑的管內(nèi)進(jìn)行， 一個(gè)