关于雷诺实验精准度改进的思考

尹 硕

(河海大学，江苏 南京 210098)

关于雷诺实验精准度改进的思考

尹 硕

(河海大学，江苏 南京 210098)

在介绍雷诺实验基本原理的基础上，分析了原始雷诺实验产生误差的原因，并针对流态判别和流量控制提出了改进建议，通过改进可清晰观察到紊流向层流状态的转变，测得在层流区的多个测点，提高数据的准确性。

雷诺实验，精准度，改进建议

1 实验基本原理

同一种液体在同一管道中流动，流速不同时，流体在管道中流动存在两种流动状态，当流速较小时，管中水流的全部质点以平行而不互相混杂的方式分层流动，这种形态的液体流动叫层流，当流速较大时，管中水流各质点间发生互相混杂的运动，这种形态的液体流动叫紊流。从层流过渡到紊流状态称为流动的转变，管中流态取决于雷诺数的大小，原因在于雷诺数具有十分明确的物理意义即惯性力与粘性力之比。当雷诺数较小时，管中为层流，当雷诺数较大时，管中为紊流。转变所对应的雷诺数称为临界雷诺数。由于实验过程中水箱中的水位稳定，管径、水的密度与粘性系数不变，因此可用改变管中流速的办法改变雷诺数。

层流与紊流的沿程水头损失规律也不同，层流的沿程水头损失大小与断面平均流速的一次方成正比;紊流的沿程水头损失与断面平均流速的1．75～2．0次方成正比。

当Re＜Rec(下临界雷诺数)时，为层流状态，Rec=2 320;

当Re＜Rec'(上临界雷诺数)时，为紊流状态，Rec'在4 000～12 000之间。

2 实验操作及原理

实验操作及原理示意图见图1。

3 原始实验产生误差的原因

雷诺实验对于调节出水口阀门的控制要求极高，为了方便观察到层流，尽可能多的得到比下临界雷诺数小的测点，实验要求要得到5组以上测压管高程差在1 cm以内的数据。实验应尽可能减少外界对水流的干扰，要保持环境安静，不要碰撞管道以及与管道有联系的器件，要仔细轻巧地操作，尾阀开度的改变对水流也是一个干扰，因而操作阀门要极为小心，不可在关小的过程中有开大的现象发生，避免影响水流状态。因此在对实验操作要求极高的情况下，测得实验数据的精准程度难以保证。同时实验还存在一个无法立即验证实验数据是否在预期范围内的问题，即便是按照常规要求操作，在后续的实验整理中仍会发现数据达不到要求，层流区测点不足或是误差偏大，导致实验失败，返工重做。

4 针对增强准确性的设想

对于迅速检验实验是否符合层流区点的个数需求，实验过程中应该：1)增加滴入颜料来判别水的流态;2)定期清理管壁以保证可以清晰观察到层流和紊流的状态。对于教学用雷诺实验仪器，由于反复操作实验，大多数仪器的圆管管壁有一层青苔，这应该是水箱中的水重复使用，水体老化造成的，定期清洗和更新水质有利于我们观察临界状态，判定实验准确性。加设滴入颜料的装置来观察颜料滴入水流中的变化，有利于我们更直接的观察管中水的流态，也是最原始实验时装置的重要的一个部分。

5 改进设计

5．1 针对流态判别部分

实验室的仪器上没有这一个滴加颜料判定流态的装置，这是由于实验室仪器实验量大，每次滴加都会回流到水箱造成水的污染，不方便水的循环利用。对付这一问题可以有以下两个解决方案：

1)可以规范、调整实验步骤做到不污染水箱中的水。在测定实验数据时需要用烧杯测流量。这部分水需要先接出来再倒回水箱，因此可以让一个人滴加颜料的同时另一个人接取这一部分水用于测流量，这样既可观察又避免污染，接取的水不再倒回水箱，由经验可知大约在测压管高差为0．5 cm时出现紊流到层流的临界状况，这时才需要用颜料判断是层流、紊流还是临界流，因此在全部的20个测次中只需滴加颜料5次左右，每次的流量大约在30 cm3/s，10 s足够准确计算出流量，这样算一个组完成实验最多浪费1 L水，并不算多，可以尝试。

2)可以用氧化后的苯酚做颜料，用化学方法在被苯酚污染过的水回引水箱前将其用保险粉还原回无色，这样便可做到无污染循环利用，唯一要改变原设备的地方就是要求水箱密闭，这样处理也可以保证化学试剂不会伤害皮肤，同时出水口处加装流量仪。

5．2 针对流量微调不便操作

第二个问题出水口处水流量无法控制，对这部分的改进可以借鉴其他精确仪器所采用的粗调和微调双重调节的方法。由于现在仪器上有的调节水流量阀只能旋转90°来完成从最大流量到关闭的调节，可以将其作为粗调，在其下方加装一个可以多圈旋转的阀门，在实验进入最后测压管高差只有1 cm以内时使用，完成微调，从而可以得到多个层流区数据。当然如果想更精确得到实验结果，可将现有节水阀改装成一种水表流量调节控制装置，不仅在实验中就可精确得到流量值，也可满足微调达到任何想要的流量，使实验简便，精准不少。

6 结语

在圆管流动中采用雷诺数来判别流态，精准雷诺实验得到的层流时雷诺数为小于2 300，紊流时雷诺数在4 000～12 000之间。用原有仪器通过人工调节到最小流量时雷诺数大约可以达到1 900，再减小便不能保证数据准确性。通过改进可以清晰观察到紊流向层流状态的转变，可以测得在层流区的多个测点，同时提高数据准确性。

［1］赵振兴．水力学实验［M］．南京：河海大学出版社，2001：5．

［2］赵振兴，何建京．水力学［M］．北京：清华大学出版社，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 硕(1993-)，男，在读本科生

·施工技术·