第五章实际流体的两种流动状态.docx

粘性流体的两种流动状态英国物理学家雷诺在1883 年发表的论著中，不仅通过实验确定了层流和紊流两种流动状 态，而且测定了流动损失与这两种流动状态的关系雷诺实验装置如图1 所示图1雷诺实验装置1-水箱；2-玻璃管；3-阀门;4-颜色水瓶；5-细管；6-量筒当管 2 中的水流速度较低时，如拧开颜色 水瓶 4 下的阀门，便可看到一条明晰的细小的 着色流束，此流束不与周围的水相混，如图 2(a)所示如果将细管5的出口移至管2进口 的其它位置，看到的仍然是一条明晰的细小的 着色流束由此可以判断，管 2 内的整个流场 呈一簇互相平行的流线，这种流动状态称为层 流(或片流)当管 2 内的流速逐渐增大时， 开始着色流束仍呈清晰的细线，当流速增大到 一定数值，着色流束开始振荡，处于不稳定状 态，如图2(b)所示如果流速在稍增加，振荡 的流束便会突然破裂，着色流束在进口段的一定距离内完全消失，而与周围的流体相混，颜色扩散至整个玻璃管内，如图2(c)所示这时流体质点作复杂的无规则的运动，这种流动状 态称为紊流(或湍流)由层流过渡到紊流的速度极限值成为上临界速度，以V'表示之继cr续增大流速，将进一步增加流动的图2雷诺实验显示的流动状态(a)层流；(b)层流至紊流的过渡状态;(c)紊流紊乱程度。

如果管内流速自高于上 临界速度逐渐降低，则会发现，当 流速降低到比上临界流速更低的下 临界速度v时，原先处于紊流状态 cr 的流动便会稳定地转变为层流状 态，着色流束重新成为一条明晰的 细小的直线由雷诺实验可以看出，粘性流 体存在两种流动状态－层流与紊 流当流速超过上临界速度v'时，层流转变为紊流；当流速低于下临界速度卩时，紊流转cr cr变为层流；当流速介于上、下临界速度之间时，流体的流动状态可能是层流也可能是紊流，与实验的起始状态和有无扰动等因素有关由高到低降低时，实验点沿DCAO线移动，见图3(b)如果用对数坐标整理上述实验结果,便可得到如图3(c)所示的对应的直线变化，其方程式为：lg h 二 lg k + n lg vf或h = kvnf式中k为系数，n为指数，均由实验确定实验结果证明：当v < v ，时，n = 1，cr 1即层流中的沿程损失与平均流速的一次方成正比；当v > v'时，n = 1.75 2即紊流中的cr 2 U沿程损失与平均流速的 1.75~2 次方成正比实验中还发现，仅靠临界速度来判别流体的流动状态和整理实验资料很不方便，因为随 着流体的粘度、密度以及线性尺寸的不同，临界速度也不同。

要保证在粘滞力作用下的流动 相似，两流动的雷诺数必须相等雷诺数正是上述诸变量的零量纲综合量，是判别流体流动 状态的准则数对于直径为d的圆截面管道p vd vdRe = =——卩 upv d v d，对应于临界速度的临界雷诺数Re = cr = cr-cr 卩 U实验结果表明，不论流体的性质和管径如何变化，下临界雷诺数Re =2320,上临界雷 cr诺数可达Re' = 13800，甚至更高些上临界雷诺数与实验的环境条件和流动的起始状态 cr有关当Re v Re 时，流动为层流，当Re > Re'时，流动为紊流，当Re < Re > Re' cr cr cr cr时，可能是层流，也可能是紊流，处于极不稳定的状态这时，即使小心实验，可以保持层 流，但只要稍有扰动，层流瞬即被破坏而转变为紊流因此，上临界雷诺数在工程上没有实 用意义，通常把下临界雷诺数Re作为判别层流和紊流的准则对于工业管道，一般取圆 cr管的临界雷诺数Re = 2000，当Re <2000时，流动为层流；当Re > 2000时，即认为cr流动是紊流。