尹 碩

(河海大學(xué)，江蘇 南京 210098)

關(guān)于雷諾實(shí)驗(yàn)精準(zhǔn)度改進(jìn)的思考

尹 碩

(河海大學(xué)，江蘇 南京 210098)

在介紹雷諾實(shí)驗(yàn)基本原理的基礎(chǔ)上，分析了原始雷諾實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生誤差的原因，并針對(duì)流態(tài)判別和流量控制提出了改進(jìn)建議，通過(guò)改進(jìn)可清晰觀察到紊流向?qū)恿鳡顟B(tài)的轉(zhuǎn)變，測(cè)得在層流區(qū)的多個(gè)測(cè)點(diǎn)，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

雷諾實(shí)驗(yàn)，精準(zhǔn)度，改進(jìn)建議

1 實(shí)驗(yàn)基本原理

同一種液體在同一管道中流動(dòng)，流速不同時(shí)，流體在管道中流動(dòng)存在兩種流動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)流速較小時(shí)，管中水流的全部質(zhì)點(diǎn)以平行而不互相混雜的方式分層流動(dòng)，這種形態(tài)的液體流動(dòng)叫層流，當(dāng)流速較大時(shí)，管中水流各質(zhì)點(diǎn)間發(fā)生互相混雜的運(yùn)動(dòng)，這種形態(tài)的液體流動(dòng)叫紊流。從層流過(guò)渡到紊流狀態(tài)稱為流動(dòng)的轉(zhuǎn)變，管中流態(tài)取決于雷諾數(shù)的大小，原因在于雷諾數(shù)具有十分明確的物理意義即慣性力與粘性力之比。當(dāng)雷諾數(shù)較小時(shí)，管中為層流，當(dāng)雷諾數(shù)較大時(shí)，管中為紊流。轉(zhuǎn)變所對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)稱為臨界雷諾數(shù)。由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中水箱中的水位穩(wěn)定，管徑、水的密度與粘性系數(shù)不變，因此可用改變管中流速的辦法改變雷諾數(shù)。

層流與紊流的沿程水頭損失規(guī)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(dāng)Re＜Rec(下臨界雷諾數(shù))時(shí)，為層流狀態(tài)，Rec=2 320;

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

2 實(shí)驗(yàn)操作及原理

實(shí)驗(yàn)操作及原理示意圖見(jiàn)圖1。

3 原始實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生誤差的原因

雷諾實(shí)驗(yàn)對(duì)于調(diào)節(jié)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(shù)小的測(cè)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)要求要得到5組以上測(cè)壓管高程差在1 cm以內(nèi)的數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)應(yīng)盡可能減少外界對(duì)水流的干擾，要保持環(huán)境安靜，不要碰撞管道以及與管道有聯(lián)系的器件，要仔細(xì)輕巧地操作，尾閥開(kāi)度的改變對(duì)水流也是一個(gè)干擾，因而操作閥門要極為小心，不可在關(guān)小的過(guò)程中有開(kāi)大的現(xiàn)象發(fā)生，避免影響水流狀態(tài)。因此在對(duì)實(shí)驗(yàn)操作要求極高的情況下，測(cè)得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)程度難以保證。同時(shí)實(shí)驗(yàn)還存在一個(gè)無(wú)法立即驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是否在預(yù)期范圍內(nèi)的問(wèn)題，即便是按照常規(guī)要求操作，在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)整理中仍會(huì)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)達(dá)不到要求，層流區(qū)測(cè)點(diǎn)不足或是誤差偏大，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗，返工重做。

4 針對(duì)增強(qiáng)準(zhǔn)確性的設(shè)想

對(duì)于迅速檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)是否符合層流區(qū)點(diǎn)的個(gè)數(shù)需求，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)該：1)增加滴入顏料來(lái)判別水的流態(tài);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(tài)。對(duì)于教學(xué)用雷諾實(shí)驗(yàn)儀器，由于反復(fù)操作實(shí)驗(yàn)，大多數(shù)儀器的圓管管壁有一層青苔，這應(yīng)該是水箱中的水重復(fù)使用，水體老化造成的，定期清洗和更新水質(zhì)有利于我們觀察臨界狀態(tài)，判定實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性。加設(shè)滴入顏料的裝置來(lái)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(tài)，也是最原始實(shí)驗(yàn)時(shí)裝置的重要的一個(gè)部分。

5 改進(jìn)設(shè)計(jì)

5．1 針對(duì)流態(tài)判別部分

實(shí)驗(yàn)室的儀器上沒(méi)有這一個(gè)滴加顏料判定流態(tài)的裝置，這是由于實(shí)驗(yàn)室儀器實(shí)驗(yàn)量大，每次滴加都會(huì)回流到水箱造成水的污染，不方便水的循環(huán)利用。對(duì)付這一問(wèn)題可以有以下兩個(gè)解決方案：

1)可以規(guī)范、調(diào)整實(shí)驗(yàn)步驟做到不污染水箱中的水。在測(cè)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)需要用燒杯測(cè)流量。這部分水需要先接出來(lái)再倒回水箱，因此可以讓一個(gè)人滴加顏料的同時(shí)另一個(gè)人接取這一部分水用于測(cè)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(jīng)驗(yàn)可知大約在測(cè)壓管高差為0．5 cm時(shí)出現(xiàn)紊流到層流的臨界狀況，這時(shí)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(gè)測(cè)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(zhǔn)確計(jì)算出流量，這樣算一個(gè)組完成實(shí)驗(yàn)最多浪費(fèi)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(xué)方法在被苯酚污染過(guò)的水回引水箱前將其用保險(xiǎn)粉還原回?zé)o色，這樣便可做到無(wú)污染循環(huán)利用，唯一要改變?cè)O(shè)備的地方就是要求水箱密閉，這樣處理也可以保證化學(xué)試劑不會(huì)傷害皮膚，同時(shí)出水口處加裝流量?jī)x。

5．2 針對(duì)流量微調(diào)不便操作

第二個(gè)問(wèn)題出水口處水流量無(wú)法控制，對(duì)這部分的改進(jìn)可以借鑒其他精確儀器所采用的粗調(diào)和微調(diào)雙重調(diào)節(jié)的方法。由于現(xiàn)在儀器上有的調(diào)節(jié)水流量閥只能旋轉(zhuǎn)90°來(lái)完成從最大流量到關(guān)閉的調(diào)節(jié)，可以將其作為粗調(diào)，在其下方加裝一個(gè)可以多圈旋轉(zhuǎn)的閥門，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)入最后測(cè)壓管高差只有1 cm以內(nèi)時(shí)使用，完成微調(diào)，從而可以得到多個(gè)層流區(qū)數(shù)據(jù)。當(dāng)然如果想更精確得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可將現(xiàn)有節(jié)水閥改裝成一種水表流量調(diào)節(jié)控制裝置，不僅在實(shí)驗(yàn)中就可精確得到流量值，也可滿足微調(diào)達(dá)到任何想要的流量，使實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)便，精準(zhǔn)不少。

6 結(jié)語(yǔ)

在圓管流動(dòng)中采用雷諾數(shù)來(lái)判別流態(tài)，精準(zhǔn)雷諾實(shí)驗(yàn)得到的層流時(shí)雷諾數(shù)為小于2 300，紊流時(shí)雷諾數(shù)在4 000～12 000之間。用原有儀器通過(guò)人工調(diào)節(jié)到最小流量時(shí)雷諾數(shù)大約可以達(dá)到1 900，再減小便不能保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。通過(guò)改進(jìn)可以清晰觀察到紊流向?qū)恿鳡顟B(tài)的轉(zhuǎn)變，可以測(cè)得在層流區(qū)的多個(gè)測(cè)點(diǎn)，同時(shí)提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

［1］趙振興．水力學(xué)實(shí)驗(yàn)［M］．南京：河海大學(xué)出版社，2001：5．

［2］趙振興，何建京．水力學(xué)［M］．北京：清華大學(xué)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(shù)·