關于雷諾實驗精準度改進的思考

尹 碩

(河海大學，江蘇 南京 210098)

關于雷諾實驗精準度改進的思考

尹 碩

(河海大學，江蘇 南京 210098)

在介紹雷諾實驗基本原理的基礎上，分析了原始雷諾實驗產生誤差的原因，并針對流態判別和流量控制提出了改進建議，通過改進可清晰觀察到紊流向層流狀態的轉變，測得在層流區的多個測點，提高數據的準確性。

雷諾實驗，精準度，改進建議

1 實驗基本原理

同一種液體在同一管道中流動，流速不同時，流體在管道中流動存在兩種流動狀態，當流速較小時，管中水流的全部質點以平行而不互相混雜的方式分層流動，這種形態的液體流動叫層流，當流速較大時，管中水流各質點間發生互相混雜的運動，這種形態的液體流動叫紊流。從層流過渡到紊流狀態稱為流動的轉變，管中流態取決于雷諾數的大小，原因在于雷諾數具有十分明確的物理意義即慣性力與粘性力之比。當雷諾數較小時，管中為層流，當雷諾數較大時，管中為紊流。轉變所對應的雷諾數稱為臨界雷諾數。由于實驗過程中水箱中的水位穩定，管徑、水的密度與粘性系數不變，因此可用改變管中流速的辦法改變雷諾數。

層流與紊流的沿程水頭損失規律也不同，層流的沿程水頭損失大小與斷面平均流速的一次方成正比;紊流的沿程水頭損失與斷面平均流速的1．75～2．0次方成正比。

當Re＜Rec(下臨界雷諾數)時，為層流狀態，Rec=2 320;

當Re＜Rec'(上臨界雷諾數)時，為紊流狀態，Rec'在4 000～12 000之間。

2 實驗操作及原理

實驗操作及原理示意圖見圖1。

3 原始實驗產生誤差的原因

雷諾實驗對于調節出水口閥門的控制要求極高，為了方便觀察到層流，盡可能多的得到比下臨界雷諾數小的測點，實驗要求要得到5組以上測壓管高程差在1 cm以內的數據。實驗應盡可能減少外界對水流的干擾，要保持環境安靜，不要碰撞管道以及與管道有聯系的器件，要仔細輕巧地操作，尾閥開度的改變對水流也是一個干擾，因而操作閥門要極為小心，不可在關小的過程中有開大的現象發生，避免影響水流狀態。因此在對實驗操作要求極高的情況下，測得實驗數據的精準程度難以保證。同時實驗還存在一個無法立即驗證實驗數據是否在預期范圍內的問題，即便是按照常規要求操作，在后續的實驗整理中仍會發現數據達不到要求，層流區測點不足或是誤差偏大，導致實驗失敗，返工重做。

4 針對增強準確性的設想

對于迅速檢驗實驗是否符合層流區點的個數需求，實驗過程中應該：1)增加滴入顏料來判別水的流態;2)定期清理管壁以保證可以清晰觀察到層流和紊流的狀態。對于教學用雷諾實驗儀器，由于反復操作實驗，大多數儀器的圓管管壁有一層青苔，這應該是水箱中的水重復使用，水體老化造成的，定期清洗和更新水質有利于我們觀察臨界狀態，判定實驗準確性。加設滴入顏料的裝置來觀察顏料滴入水流中的變化，有利于我們更直接的觀察管中水的流態，也是最原始實驗時裝置的重要的一個部分。

5 改進設計

5．1 針對流態判別部分

實驗室的儀器上沒有這一個滴加顏料判定流態的裝置，這是由于實驗室儀器實驗量大，每次滴加都會回流到水箱造成水的污染，不方便水的循環利用。對付這一問題可以有以下兩個解決方案：

1)可以規范、調整實驗步驟做到不污染水箱中的水。在測定實驗數據時需要用燒杯測流量。這部分水需要先接出來再倒回水箱，因此可以讓一個人滴加顏料的同時另一個人接取這一部分水用于測流量，這樣既可觀察又避免污染，接取的水不再倒回水箱，由經驗可知大約在測壓管高差為0．5 cm時出現紊流到層流的臨界狀況，這時才需要用顏料判斷是層流、紊流還是臨界流，因此在全部的20個測次中只需滴加顏料5次左右，每次的流量大約在30 cm3/s，10 s足夠準確計算出流量，這樣算一個組完成實驗最多浪費1 L水，并不算多，可以嘗試。

2)可以用氧化后的苯酚做顏料，用化學方法在被苯酚污染過的水回引水箱前將其用保險粉還原回無色，這樣便可做到無污染循環利用，唯一要改變原設備的地方就是要求水箱密閉，這樣處理也可以保證化學試劑不會傷害皮膚，同時出水口處加裝流量儀。

5．2 針對流量微調不便操作

第二個問題出水口處水流量無法控制，對這部分的改進可以借鑒其他精確儀器所采用的粗調和微調雙重調節的方法。由于現在儀器上有的調節水流量閥只能旋轉90°來完成從最大流量到關閉的調節，可以將其作為粗調，在其下方加裝一個可以多圈旋轉的閥門，在實驗進入最后測壓管高差只有1 cm以內時使用，完成微調，從而可以得到多個層流區數據。當然如果想更精確得到實驗結果，可將現有節水閥改裝成一種水表流量調節控制裝置，不僅在實驗中就可精確得到流量值，也可滿足微調達到任何想要的流量，使實驗簡便，精準不少。

6 結語

在圓管流動中采用雷諾數來判別流態，精準雷諾實驗得到的層流時雷諾數為小于2 300，紊流時雷諾數在4 000～12 000之間。用原有儀器通過人工調節到最小流量時雷諾數大約可以達到1 900，再減小便不能保證數據準確性。通過改進可以清晰觀察到紊流向層流狀態的轉變，可以測得在層流區的多個測點，同時提高數據準確性。

［1］趙振興．水力學實驗［M］．南京：河海大學出版社，2001：5．

［2］趙振興，何建京．水力學［M］．北京：清華大學出版社，2010：2．

Thinking on the accuracy improvement of Reynolds experiment

YIN Shuo

(Hohai University，Nanjing 210098，China)

This paper introduced the basic theory of Reynolds experiment，analyzed the error reasons caused by original Reynolds experiment，and according to the flow pattern discrimination and flow control put forward improvement suggestions，through the improvements could observed clearly the transition of turbulence flow state to laminar flow state，measured many survey points in laminar region，improved the accuracy of data．

Reynolds experiment，accuracy，improvement suggestion

O357

A

10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2014.13.047

1009-6825(2014)13-0079-02

2014-02-20

尹 碩(1993-)，男，在讀本科生

·施工技術·