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1、实验五 雷诺实验实验原理实验分析与讨论1流态判据为何采用无量纲参数，而不采用临界流速？雷诺在1883年以前的实验中，发现园管流动存在两种流一层流和紊流，并且存在着 层流转化为紊流的临界流速V, V与流体的粘性v及园管的直径d有关，即（1）因此从广义上看，V不能作为流态转变的判据。为了判别流态，雷诺对不同管径、不同粘性液体作了大量的实验,得出了用无量纲参数（vd/v） 作为管流流态的判据。他不但深刻揭示了流态转变的规律，而且还为后人用无量纲化的方法 进行实验研究树立了典范。用无量纲分析的雷列法可得出与雷诺数结果相同的无量纲数。可以认为式（1）的函数关系能用指数的乘积来表示。即（2）其中K为某一无
2、量纲系数。式（2）的量纲关系为（3）从量纲和谐原理，得L： 2ax+a2=1T： q=-1联立求解得ax=1，a2=-1 将上述结果，代入式（2）,得 雷诺实验完成了 K值的测定，以及是否为常数的验证。结果得到K=2320。于是，无量纲数 vd/v便成了适应于任何管径，任何牛顿流体的流态转变的判据。由于雷诺的奉献，vd/v定 命为雷诺数。随着量纲分析理论的完善，利用量纲分析得出无量纲参数，研究多个物理量间的关系，成了 现今实验研究的重要手段之一。2为何认为上临界雷诺数无实际意义，而采用下临界雷诺数作为层流与紊流的判据？实测 下临界雷诺数为多少？根据实验测定，上临界雷诺数实测值在30005000
3、范围内，与操作快慢，水箱的紊动度， 外界干扰等密切相关。有关学者做了大量实验，有的得12000,有的得20000,有的甚至得 40000。实际水流中，干扰总是存在的，故上临界雷诺数为不定值，无实际意义。只有下临 界雷诺数才可以作为判别流态的标准。凡水流的雷诺数小于下临界雷诺数者必为层流。一般 实测下临界雷诺数为2100左右。3雷诺实验得出的圆管流动下临界雷诺数2320,而目前一般教科书中介绍采用的下临界雷 诺数是2000，原因何在？下临界雷诺数也并非与干扰绝对无关。雷诺实验是在环境的干扰极小，实验前水箱中的 水体经长时间的稳定情况下，经反复多次细心量测才得出的。而后人的大量实验很难重复得 出雷
4、诺实验的准确数值，通常在20002300之间。因此，从工程实用出发，教科书中介绍 的园管下临界雷诺数一般是2000。4. 试结合紊动机理实验的观察，分析由层流过渡到紊流的机理何在？从紊动机理实验的观察可知，异重流（分层流）在剪切流动情况下，分界面由于扰动引发细 微波动，并随剪切流速的增大，分界面上的波动增大，波峰变尖，以至于间断面破裂而形成 一个个小旋涡。使流体质点产生横向紊动。正如在大风时，海面上波浪滔天，水气混掺的情 况一样，这是高速的空气和静止的海水这两种流体的界面上，因剪切流动而引起的界面失稳 的波动现象。由于园管层流的流速按抛物线分布，过流断面上的流速梯度较大，而且因壁面 上的流速恒
5、为零。相同管径下，如果平均流速越大则梯度越大，即层间的剪切流速越大，于 是就容易产生紊动。紊动机理实验所见的波动一破裂一旋涡一质点紊动等一系列现象，便是 流态从层流转变为紊流的过程显示。5. 分析层流和紊流在运动学特性和动力学特性方面各有何差异？层流和紊流在运动学特性和动力学特性方面的差异如下表：运动学特性：动力学特性：2断面流速按抛物线分布2流层间无动量交换3. 运动要素无脉动现象3.单位质量的能量损失与流速的一次方成正比紊流：1质点互相混掺作无规则运动1流层间有质量传输2断面流速按指数规律分布2流层间存在动量交换3.运动要素发生不规则的脉动现象3.单位质量的能量损失与流速的（1.752）次
6、方成正比实验六 文丘里流量计实验实验原理根据能量方程式和连续性方程式，可得不计阻力作用时的文氏管过水能力关系式式中：Ah为两断面测压管水头差。由于阻力的存在，实际通过的流量Q恒小于Q。今引入一无量纲系数|J=Q/Q（|J称为流量 系数），对计算所得的流量值进行修正。即另，由水静力学基本方程可得气一水多管压差计的Ah为实验分析与讨论1本实验中，影响文丘里管流量系数大小的因素有哪些？哪个因素最敏感？对d2=0 7cm 的管道而言，若因加工精度影响，误将（d2001） cm值取代上述d2值时，本实验在最 大流量下的p值将变为多少？ 由式可见本实验（水为流体）的M值大小与Q、d2、Ah有关。其中d2影
7、响最敏感。本 实验中若文氏管d1 =1.4cm，d2=0.71cm,通常在切削加工中d1比d2测量方便，容易掌握 好精度,d2不易测量准确，从而不可避免的要引起实验误差。例如当最大流量时M值为0.976, 若d2的误差为一0.01cm，那么m值将变为1.006，显然不合理。2为什么计算流量Q与实际流量Q不相等？因为计算流量Q是在不考虑水头损失情况下，即按理想液体推导的，而实际流体存在粘性 必引起阻力损失，从而减小过流能力，QvQ, 即卩m1.0。3.试证气一水多管压差计（图6.4）有下列关系：如图6. 4所述,4. 试应用量纲分析法，阐明文丘里流量计的水力特性。运用量纲分析法得到文丘里流量计的
8、流量表达式，然后结合实验成果，便可进一步搞清流量 计的量测特性。对于平置文丘里管，影响V的因素有：文氏管进口直径d，喉径d2、流体的密度p、动力 粘滞系数m及两个断面间的压强差AP。根据n定理有从中选取三个基本量，分别为：共有6个物理量，有3个基本物理量，可得3个无量纲n数，分别为：根据量纲和谐原理，的量纲式为分别有 L： 1=a1+b1-3c1T： 0=- b1M： 0= c1联解得：a1=1, b=0, C=0,贝9同理将各n值代入式（1）得无量纲方程为或写成进而可得流量表达式为（2）式（2）与不计损失时理论推导得到的（3）相似。为计及损失对过流量的影响，实际流量在式（3）中引入流量系数|
9、JQ计算，变为（4）比较（2）、（4）两式可知，流量系数pQ与Re一定有关，又因为式（4）中d2/d1的函数 关系并不一定代表了式（2）中函数所应有的关系，故应通过实验搞清也与Re、d2/d1的 相关性。通过以上分析，明确了对文丘里流量计流量系数的研究途径，只要搞清它与Re及d2/d的关 系就行了。由实验所得在紊流过渡区的|JqRe关系曲线（d2/d1为常数），可知|Jq随Re的增大而增大, 因恒有p2x105,使冷值接近于常数0.98。流量系数|JQ的上述关系，也正反映了文丘里流量计的水力特性。5. 文氏管喉颈处容易产生真空，允许最大真空度为67mH2O。工程中应用文氏管时，应 检验其最大真
10、空度是否在允许范围内。据你的实验成果，分析本实验流量计喉颈最大真空 值为多少？本实验若d1= 1. 4cm, d2= 0. 71cm,以管轴线高程为基准面，以水箱液面和喉道断面分别 为11和22计算断面，立能量方程得v 52.22cmH2O即实验中最大流量时，文丘里管喉颈处真空度，而由本实验实测为6O.5cmH2O。进一步分析可知，若水箱水位高于管轴线4m左右时，实验中文丘里喉颈处的真空度可达 7mH2O （参考能量方程实验解答六一4）。七沿程水头损失实验丄：为什么压差计的水柱差就是沿程水头损失？实验管道安装 成向下倾斜，是否影响实验成果？现以倾斜等径管道上装设的水银多管压差计为例（图7. 3
11、）说明（图 中A A为水平线）：如图示0 0为基准面，以1 1和2 2为计算断面，计算点在轴心 处，设定，由能量方程可得表明水银压差计的压差值即为沿程水头损失，且和倾角无关。 二：据实测m值判别本实验的流区。（）曲线的斜率m = 1. 01. 8,即与成正比，表明流动为层流m =1. 0、紊流光滑区和紊流过渡区（未达阻力平方区）。二：实际工程中钢管中的流动，大多为光滑紊流或紊流过渡区， 而水电站泄洪洞的流动，大多为紊流阻力平方区，其原因何在？钢管的当量粗糙度一般为0. 2mm，常温（）下，经济流速300cm/s，若 实 用管径D =（20100）cm,其，相应的=0. 00020. 001,由
12、莫迪 图知， 流动均处在过渡区。若需达到阻力平方区，那么相应的，流速应达到（59） m/so这样 高速的有压管流在实际工程中非常少见。而泄洪洞的当量粗糙度可达（19） mm,洞径一般为（23） m， 过流速往往在（510） m/s以上，其大于，故一般均处于阻力平 方区。_四：管道的当量粗糙度如何测得？当量粗糙度的测量可用实验的同样方法测定及的值，然后用下 式求解：（1）考尔布鲁克公式（1）迪图即是本式的图解。（2）SJ公式(3) Barr 公式（3）式精度最高。在反求时，（2）式开方应取负号。也可直接由关 系在莫迪图上查得，进而得出当量粗糙度值。至：本次实验结果与莫迪图吻合与否？试分析其原因。
13、通常试验点所绘得的曲线处于光滑管区，本报告所列的试验 值，也是如此。但是，有的实验结果相应点落到了莫迪图中光滑管 区的右下方。对此必须认真分析。如果由于误差所致，那么据下式分析d和Q的影响最大，Q有2%误差时，就有4%的误差，而d有2%误 差时，可产生10%的误差。Q的误差可经多次测量消除，而d值是以实验常数提供的，由仪器制作时划也量纟合定，一般 1%。如果排除这两方面的误差，实验结果仍出现异常，那么只能从细管的水力特性及其光洁度等方面作深入的分析研究。还可以从减阻剂对水流减阻作用上作探讨，因为自动水泵供水时，会渗入少量油脂类高分子物质。 ,总之，这是尚待进-一一步探讨的问题。（八）局部阻力实
14、验1、结合实验成果，分析比较突扩与突缩在相应条件下的局部损失大小关系由式及表明影响局部阻力损失的因素是和，由于有突扩：突缩：则有当时，突然扩大的水头损失比相应突然收缩的要大。在本实验最大流量Q下，突扩损失较突 缩损失约大一倍，即。接近于1时，突扩的水流形态接近于逐渐扩大管的流动，因而阻力 损失显著减小。2. 结合流动演示仪的水力现象，分析局部阻力损失机理何在？产生突扩与突缩局部阻力损 失的主要部位在哪里？怎样减小局部阻力损失？流动演示仪I-VII型可显示突扩、突缩、渐扩、渐缩、分流、合流、阀道、绕流等三十余种 内、外流的流动图谱。据此对局部阻力损失的机理分析如下：从显示的图谱可见，凡流道边界突变处，形成大小不一的旋涡区。旋涡是产生损失的主要根 源。由于水质点的无规则运动和激烈的紊动，相互摩擦，便消耗了部分水体的自储能量。另 外，当这部分低能流体被主流的高能流体带走时，还须克服剪切流的速度梯度，经质点间的 动能交换，达到流速的重新组合，这也损耗了部分能量。这样就造成了局部阻力损失。从流动仪可见，突扩段的旋涡主要发生在突扩断面以后，而且与
