雷诺实验仪的原理和使用

        在流体在压力管道中流动的过程中，由于条件的变化（如管径、温度、管壁粗糙度和流速的变化），流体的流动状态会发生变化，出现层流、临界流和湍流等现象。层流的特点是流体的颗粒在流动过程中不相互混合，以线性方式移动，并且运动元件不显示脉动。在湍流中，流体中的颗粒相互混合，其运动轨迹曲折、混沌，运动元件有脉动。

        通过大量实验发现，临界流速与流动截面的特征几何尺寸、管径D、流体的动态粘度和密度有关，即由上述四个量组成的无量纲数称为雷诺数。

        实际流体流动将显示两种不同的类型：层流和湍流。它们之间的区别在于流动过程中流体层之间是否发生混合现象。如图1所示，在湍流中存在随机变化的脉动，但在层流中不存在。

        圆管内恒定流的流型变换取决于雷诺数。在大量实验数据的基础上，Reynolds将影响流体流动状态的因素归纳为一个无量纲数Re，作为判断流体流动状态的标准。

        临界流速是判断流体流动状态的关键因素。临界速度随流体的粘度和密度以及流道的大小而变化。流体从层流过渡到湍流时的速度称为上临界速度，从湍流过渡到层流时的速度称为下临界速度。

        与圆管内稳定流动的流型转变相对应的雷诺数称为临界雷诺数，与上下临界速度相对应的雷诺数称为上临界雷诺数和下临界雷诺数。上临界雷诺数意味着超过该雷诺数的流动必须是湍流，这是非常不确定的，并且跨越了一个大的值范围。此外，它极不稳定。只要有轻微的干扰，流型就会改变。上临界雷诺数通常随实验环境和初始流动状态而变化。因此，临界雷诺数在工程上没有实际意义。具有实际意义的是较低的临界雷诺数，这意味着低于该雷诺数的流动必须是层流的，并且有一个确定的值。它通常被用作判断流动状态的标准，即

        Re<2320时为层流；

        re>2320时，湍流；

        该值是圆形平滑管道或近似平滑管道的值。在工程实践中，通常取re=2000。

        实际流体流动呈现两种不同模式的原因是扰动因子和粘性稳定性之间的比较和对抗。考虑到圆管内的稳定流动，不难理解，减小管径、降低流体粘度和增加流量都有利于流动的稳定性。总的来说，小雷诺数流动趋于稳定，而大雷诺数流动稳定性差，容易发生湍流。

        由于这两种流型的流场结构和动态特性有很大差异，因此有必要对其进行区分和讨论。当圆管内恒定流的流型为层流时，沿程水头损失与平均流速成正比，而在紊流中，水头损失与平均流速的1.75~2.0次方成正比。

        自循环雷诺实验仪是一种可以直接观察不同雷诺数下流型的装置。通过管道中延迟褪色的红墨水现象，显示出不同的流动模式。水通过自循环供水泵进入恒压水箱，依次与实验管路连接。流量调节阀设置在实验管道的尾部，自循环回水装置设置在实验管道的出口。恒压水箱通过上下水管与自循环供水装置连接。恒压水箱设有溢流板、稳水板，并在水箱侧面开有稳水孔