第一講：水流運(yùn)動(dòng)的兩種形態(tài)

水力分析與計(jì)算主講人：肖婷婷水流運(yùn)動(dòng)的兩種形態(tài)提出問題什么是水流運(yùn)動(dòng)的兩種流態(tài)？它們是通過(guò)怎樣的方式被發(fā)現(xiàn)的？水流運(yùn)動(dòng)的兩種形態(tài)英國(guó)物理學(xué)家雷諾，是一位杰出的實(shí)驗(yàn)科學(xué)家。他的許多早期試驗(yàn)都是在家里進(jìn)行的，他于1883年發(fā)表了一篇經(jīng)典性論文──《決定水流為直線或曲線運(yùn)動(dòng)的條件以及在平行水槽中的阻力定律的探討》。

這篇文章以實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明水流分為層流與紊流兩種形態(tài)，并提出以無(wú)量綱數(shù)（后稱為雷諾數(shù)）作為判別兩種流態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)。雷諾興趣廣泛，一生著述很多，其中近70篇論文都有很深遠(yuǎn)的影響。這些論文研究的內(nèi)容包括力學(xué)、熱力學(xué)、電學(xué)、航空學(xué)、蒸汽機(jī)特性等。一、雷諾實(shí)驗(yàn)紅顏色水hfl圖片1K2K1一、雷諾實(shí)驗(yàn)紅顏色水hfl（1）打開K2，保持水箱水位穩(wěn)定圖片2K2K1一、雷諾實(shí)驗(yàn)紅顏色水hfl（2）再打開K1，則紅色水流入管道層流：紅色水液層有條不紊地運(yùn)動(dòng)，紅色水和管道中液體水相互不混摻圖片3K2K1一、雷諾實(shí)驗(yàn)紅色水開始顫動(dòng)并彎曲，出現(xiàn)波形輪廓圖片4顏色水hfl（3）下游K2再打開一點(diǎn)，管道中流速增大K2K1一、雷諾實(shí)驗(yàn)紅顏色水hfl（4）下游K2再打開一點(diǎn)，管中流速繼續(xù)增大這一現(xiàn)象表明：液體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)中會(huì)形成渦體，各渦體相互混摻。紊流：紅顏色水射出后，完全破裂，形成漩渦，擴(kuò)散至全管，使管中水流變成紅色水。圖片5K2K1一、雷諾實(shí)驗(yàn)逐漸開大閥門，流速自小變大，實(shí)驗(yàn)點(diǎn)由E點(diǎn)沿線段EBCD移動(dòng)；當(dāng)流速增大到B點(diǎn)流速時(shí)，有色液體開始出現(xiàn)彎曲、波動(dòng)、隨后與周圍的液流互相摻混，相應(yīng)于從層流向紊流轉(zhuǎn)變，但直到C點(diǎn)才完全轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪?。ABCDE：上臨界流速圖片6一、雷諾實(shí)驗(yàn)逐漸關(guān)閉閥門，流速由大變小，實(shí)驗(yàn)點(diǎn)則由D點(diǎn)沿線段DCAE移動(dòng)；當(dāng)流速減小到C的時(shí)候，有色液體開始彎曲波動(dòng)，只有到達(dá)A點(diǎn)的流速時(shí)，才完全轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿?。：下臨界流速ABCDE圖片6一、雷諾實(shí)驗(yàn)雷諾試驗(yàn)結(jié)論實(shí)際液體運(yùn)動(dòng)中存在兩種不同流態(tài)：層流和紊流。兩種流態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)的流速稱為臨界流速：層流轉(zhuǎn)換為紊流時(shí)臨界流速較大，稱為上臨界流速，紊流轉(zhuǎn)換為層流的臨界流速較小，稱為下臨界流速。雷諾發(fā)現(xiàn)，判斷層流和紊流的臨界流速與液體密度、動(dòng)力粘性系數(shù)、管徑關(guān)系密切，提出液流型態(tài)可用下列無(wú)量綱數(shù)判斷。二、水流形態(tài)判別圓管水流：式中，Re為雷諾數(shù)，無(wú)量綱數(shù)。液流形態(tài)開始轉(zhuǎn)變時(shí)的雷諾數(shù)叫做臨界雷諾數(shù)。二、水流形態(tài)判別因此，實(shí)踐中將下臨界雷諾數(shù)稱為臨界雷諾數(shù)用Rek表示。大量試驗(yàn)證明：上臨界雷諾數(shù)不穩(wěn)定下臨界雷諾數(shù)較穩(wěn)定二、水流形態(tài)判別當(dāng)為層流當(dāng)為紊流試驗(yàn)測(cè)得：圓管Rek=2000~3000，常取Rek=2320為判別值。對(duì)于明槽流動(dòng)：雷諾數(shù)計(jì)算式中用水力半徑R代替直徑d：明渠水流：Rek=300~600，常取Rek=580為判別值。案例分享某管道直徑d=100mm（1）當(dāng)通過(guò)流量Q=0.004m3/s，水溫為20℃時(shí)，其流態(tài)為層流還是紊流?（2）若通過(guò)相同流量，運(yùn)動(dòng)黏度為v=1.5×10-4m2/s的重燃油，其液態(tài)為層流還是紊流?小結(jié)一、雷諾實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了水流存在兩種形態(tài)：層流和紊流二、水流形態(tài)判別實(shí)踐中將下臨界雷諾數(shù)稱為臨界雷諾數(shù)用Rek表示。當(dāng)為層流當(dāng)為紊流（1）圓管取Rek=2320為判別