第二章化工原理实验 雷诺实验

第二章化工原理实验 实验一、雷诺实验 一、实验目的: 1.建立“滞流和湍流两种流动形态”的感性认识; 2.观察雷诺准数与流体流动类型的相互关系; 3.观察滞流时流体在圆管内的速度分布曲线; 二、实验原理: 1.滞流时,流体质点做直线运动,即流体分层流动,与周围的流体无宏观的混合,湍流时,流体质点呈紊乱地向各方向作随机的脉动,流体总体上仍沿管道方向流动。 2.雷诺准数是判断实际流动类型的准数。若流体在圆管内流动,则雷诺准数可用下式示: (2-1) 一般认为,当Re≤2000时,流体流动类型属于滞流;当Re≥4000时,流动类型属于湍流;而Re值在2000~4000范围内是不稳定的过渡状态,可能是层流也可能是湍流,取决于外界干扰条件。如管道直径或方向的改变、管壁粗糙,或有外来振动等都易导致湍流。 3.对于一定温度的流体,在特定的圆管内流动,雷诺准数仅与流速有关。本实验是改变水在管内的速度,观察在不同雷诺准数下流体流型的变化。 理论和实验证明,滞流时的速度沿管径按抛物线的规律分布。中心的流速最大,愈近管壁流速愈慢。湍流时由于流体质点强烈分离与混合,所以速度分布曲线不再是严格的抛物线,湍流程度愈剧烈,速度分布曲线顶部的区域愈广阔而平坦,但即使湍流时,靠近管壁区域的流体仍作滞流流动,这一层称为滞流内层或滞流底层,。它虽然极薄,但在流体中进行热量和质量的传递时,产生的阻力比流体的湍流主体部分要大得多。 三、实验装置及流程: 1.实验装置示意图及流程 图2-1 雷诺实验——装置示意图及流程 1.溢流管; 2.小瓶; 3.上水管; 4.细管; 5.水箱; 6.水平玻璃管; 7.出口阀门 实验装置如图2-1所示,图中水箱内的水由自来水管供给,实验时水由水箱进入玻璃管(玻璃管供观察流体流动形态和滞流时管路中流速分布之用)。水量由出口阀门控制,水箱内设有进水稳流装置及溢流管,用以维持平稳而又恒定的液面,多余水由溢流管排入下水道。 2.实验仿真界面 图2-2 雷诺实验——仿真界面 四、实验步骤: 1、实验步骤 (1)雷诺实验 1)打开进水阀,使自来水充满高位水箱; 2)待有溢流后,打开流量调节阀; 3)缓慢地打开红墨水调节阀; 4)调节流量调节阀,并注意观察滞流现象; 5)逐渐加大流量调节阀的开度,并注意观察过渡流现象; 6)进一步加大流量调节阀的开度,并注意观察湍流现象; 7)由孔板流量计测得流体的流量并计算出雷诺准数; 8)关闭红墨水调节阀,然后关闭进水阀,待玻璃管中的红色消失,关闭流量调节阀门,结束本次实验。 (2)流体在圆管内的速度分布曲线的演示 1)打开进水阀,使自来水充满水箱; 2)打开红墨水调节阀,在玻璃导管内积有一定量的红墨水; 3)迅速打开流量调节阀至大流量的开度,并注意观察流体在圆形玻璃管内的速度分布曲线; 4)关闭红墨水调节阀,然后关闭进水阀,待玻璃管中的红色消失,再关闭流量调节阀门。 2、注意事项 (1)在开启水箱的进水阀时,应注意控制进水量,使其稍大于用水量即可(此时看到溢流管有少许水量溢出)。如果进水量太大,溢流量太多,在大量溢流的干扰下,会造成液面严重波动而影响实验结果。 (2)红墨水量不易调节太大,否则既浪费又影响实验结果。 (3)若有较长时间不用,将实验装置内各处的存水放净。 五、实验数据记录及整理: 图2-3 雷诺实验——数据记录及整理 六、思考题 1、流体的流动类型与雷诺准数的值有什么关系? 2、影响流体流动类型的因素有哪些? 3、流体在圆管内的速度分布时观察红墨水顶部形状如何,此形状什么问题? 如果管子是不透明的,不能用直接观察来判断管中流动类型,你认为可用什么方法来判断管中流动类型?