第一講：水流運動的兩種形態(tài)

水力分析與計算主講人：肖婷婷水流運動的兩種形態(tài)提出問題什么是水流運動的兩種流態(tài)？它們是通過怎樣的方式被發(fā)現(xiàn)的？水流運動的兩種形態(tài)英國物理學家雷諾，是一位杰出的實驗科學家。他的許多早期試驗都是在家里進行的，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動的條件以及在平行水槽中的阻力定律的探討》。

這篇文章以實驗結(jié)果說明水流分為層流與紊流兩種形態(tài)，并提出以無量綱數(shù)（后稱為雷諾數(shù)）作為判別兩種流態(tài)的標準。雷諾興趣廣泛，一生著述很多，其中近70篇論文都有很深遠的影響。這些論文研究的內(nèi)容包括力學、熱力學、電學、航空學、蒸汽機特性等。一、雷諾實驗紅顏色水hfl圖片1K2K1一、雷諾實驗紅顏色水hfl（1）打開K2，保持水箱水位穩(wěn)定圖片2K2K1一、雷諾實驗紅顏色水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動，紅色水和管道中液體水相互不混摻圖片3K2K1一、雷諾實驗紅色水開始顫動并彎曲，出現(xiàn)波形輪廓圖片4顏色水hfl（3）下游K2再打開一點，管道中流速增大K2K1一、雷諾實驗紅顏色水hfl（4）下游K2再打開一點，管中流速繼續(xù)增大這一現(xiàn)象表明：液體質(zhì)點運動中會形成渦體，各渦體相互混摻。紊流：紅顏色水射出后，完全破裂，形成漩渦，擴散至全管，使管中水流變成紅色水。圖片5K2K1一、雷諾實驗逐漸開大閥門，流速自小變大，實驗點由E點沿線段EBCD移動；當流速增大到B點流速時，有色液體開始出現(xiàn)彎曲、波動、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點才完全轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪?。ABCDE：上臨界流速圖片6一、雷諾實驗逐漸關(guān)閉閥門，流速由大變小，實驗點則由D點沿線段DCAE移動；當流速減小到C的時候，有色液體開始彎曲波動，只有到達A點的流速時，才完全轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿?。：下臨界流速ABCDE圖片6一、雷諾實驗雷諾試驗結(jié)論實際液體運動中存在兩種不同流態(tài)：層流和紊流。兩種流態(tài)轉(zhuǎn)換時的流速稱為臨界流速：層流轉(zhuǎn)換為紊流時臨界流速較大，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)，無量綱數(shù)。液流形態(tài)開始轉(zhuǎn)變時的雷諾數(shù)叫做臨界雷諾數(shù)。二、水流形態(tài)判別因此，實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)判別當為層流當為紊流試驗測得：圓管Rek=2000~3000，常取Rek=2320為判別值。對于明槽流動：雷諾數(shù)計算式中用水力半徑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）當通過流量Q=0.004m3/s，水溫為20℃時，其流態(tài)為層流還是紊流?（2）若通過相同流量，運動黏度為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、雷諾實驗發(fā)現(xiàn)了水流存在兩種形態(tài)：層流和紊流二、水流形態(tài)判別實踐中將下臨界雷諾數(shù)稱為臨界雷諾數(shù)用Rek表示。當為層流當為紊流（1）圓管取Rek=2320為判別