雷諾實驗帶數(shù)據處理

1、雷諾實驗一、實驗目的1. 觀察層流和紊流的流態(tài)及其轉換特征。 2. 通過臨界雷諾數(shù)，掌握圓管流態(tài)判別準則。3. 掌握誤差分析在實驗數(shù)據處理中的應用。 二、實驗原理1、實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變化的脈動量，而在層流流動中則沒有，如圖1所示。2、圓管中恒定流動的流態(tài)轉化取決于雷諾數(shù)。雷諾根據大量實驗資料，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，作為判別流體流動狀態(tài)的準則式中 流體斷面平均流量 , 圓管直徑 , 流體的運動粘度 , 在本實驗中，流體是水。水的運動粘度與溫度的關系可用

2、泊肅葉和斯托克斯提出的經驗公式計算式中水在時的運動粘度，； 水的溫度，。3、判別流體流動狀態(tài)的關鍵因素是臨界速度。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)生轉化時對應的雷諾數(shù)稱為臨界雷諾數(shù)，對應于上、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)常隨實驗環(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)在工程技術中沒有實用意義。有

3、實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)的準則，即 Re < 2320 時，層流 Re > 2320 時，紊流該值是圓形光滑管或近于光滑管的數(shù)值，工程實際中一般取Re = 2000。5、實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)定作用之間對比和抗衡的結果。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)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)的流場結構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

4、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，而紊流時則與平均流速的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拋物面，而紊流流速分布則比較均勻，壁面流速梯度和切應力都比層流時大，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、實驗裝置四、實驗數(shù)據分析有關常數(shù)：管徑 d 30， 水溫 T 27，運動粘性系數(shù)：v m2/s 表1 數(shù)據記錄表格項目測次流量(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，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,與公認值相比，可得誤差為五、誤差分析運動粘度偏差公式求得水流的運動粘度的偏差為：= 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、= =根據以上公式，可分別求得三組數(shù)據所對應的未知量：1.對于第一組數(shù)據： 雷諾數(shù)的相對誤差為： 2.對于第二組數(shù)據： 雷諾數(shù)的相對誤差為： 3.對于第三組數(shù)據： 雷諾數(shù)的相對誤差為： 以上三組數(shù)據所求得的雷諾數(shù)的相對誤差均處于誤差允許范圍內，所以可認為實驗測得數(shù)據合理有效。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，此時儀器顯示，計算誤差，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有些許誤差，這些誤差體現(xiàn)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，導致雷諾數(shù)產生誤差，這是不可避免的誤差

7、。3、外部環(huán)境影響 受到桌面振動等影響會對實驗造成一定的誤差，在實驗過程中已經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：質點有規(guī)律地作分層流動，管內顏色水成一股細直的流束，運動要素無脈動現(xiàn)象。 紊流：質點互相混滲作無規(guī)則運動，管內顏色水成直線抖動、斷續(xù)或是完全散開，最終與周圍清水迅速相混，運動要素發(fā)生不規(guī)則的脈動現(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，是表征流動狀態(tài)的一個無因次數(shù)。層流：流體質點一直沿流線運動，彼此平行，不發(fā)生相互混雜的流動。紊流：流體質點在運動過程中，互相混雜、穿

8、插的流動。（紊流包含，主體流動+各種大小強弱不同的旋渦）因層流與紊流所處的狀態(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？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。上臨界雷諾數(shù)和下臨雷諾數(shù)之所以不一樣是因為混亂無章的流動所具有的慣性力大于層流的粘性力；當從層流變成紊流時，粘性力逐漸減小，慣性力逐漸增大，因為不同的力所主導的作用不一樣，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)是否超過臨界雷諾數(shù)。只看速度是不夠的，比如兩個相同速