層流和紊流及雷諾數

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之前介紹蒸汽截止閥熱損失，現在介紹層流和紊流及雷諾數
    19世紀初期，水利學(xué)家們便發(fā)現，在不同的條件下，流體質(zhì)點(diǎn)的運動(dòng)情況可能表現為兩種不同狀態(tài)，一種狀態(tài)是流體質(zhì)點(diǎn)作有規則的運動(dòng)，在運動(dòng)過(guò)程中質(zhì)點(diǎn)之間互不混雜，互不干擾；另一種狀態(tài)是液流中流體質(zhì)點(diǎn)的運動(dòng)是非?；靵y的。關(guān)于黏性流體這樣兩種運動(dòng)狀態(tài)的存在，一直弼l8.83年英國科學(xué)家雷諾進(jìn)行了負有盛名的雷諾試驗，才使這一問(wèn)題得到了科學(xué)的說(shuō)明：

3. 3.1層流和紊流及雷諾數層流和紊流
    雷諾試驗裝置如圖3-14昕示，在尺寸足夠大的水箱G中充滿(mǎn)著(zhù)我們所研究的液體，有一玻璃管T與它相連oT管斷面積為A．末端裝一個(gè)閥門(mén)K，用以調節管中流量的大小，流量用量桶M束測量。
    為r減少T管中液流的擾動(dòng)．在玻璃管的進(jìn)處做成圓滑的人口，在大水箱G的上方裝設一個(gè)小水箱C，其中盛有某種有色液體，其重度接近于大水箱中的液體重度，使兩種液體不會(huì )混合，在小水箱下方引出一根極細的水管T1，其下端彎曲，出口略微插進(jìn)大玻璃管進(jìn)口段，小管中的流量由小閥門(mén)P來(lái)凋節，在試驗過(guò)程中要注意經(jīng)常保持水箱中水位恒定不變，及液溫度不變。    

圖3-14雷諾實(shí)驗裝置
    在開(kāi)始試驗之前，首先稍微開(kāi)啟大玻璃管上的閥門(mén)K，液體便開(kāi)始緩慢的由水箱G流出，此對如果我們將細管T．上的閥門(mén)P稍微開(kāi)啟，則有色液體將由細管T．流人大管T中，而且在T管中形成一條細直而又鮮明的染色流速，如圖3-1)所示，可以看到從細管中所流出的一條染色流束在管中流動(dòng)著(zhù)，其形狀成一直線(xiàn)．且極為穩定。
    隨岳如果將閥門(mén)K再稍微開(kāi)大一些，則玻璃管中的流速隨之增大，但玻璃管中的現象仍不變，染色流束仍然保持穩定狀態(tài)，只要我們緩慢而平穩的開(kāi)啟閥門(mén)．控制流動(dòng)速度小于某一定值，就可以繼續維持染色流速處于上面的狀態(tài)。但到閥門(mén)開(kāi)啟到萊一較大的程度時(shí)，即管中流速增加到某一較大的確定數值時(shí)，我們就會(huì )發(fā)現染色流束不再是直線(xiàn)，而是突然開(kāi)始彎曲，或者如一般所說(shuō)的成為脈動(dòng)的，而它的流線(xiàn)就成為彎曲的不規則的，如圖3-15b）所示。隨著(zhù)流速的繼續加。染色流束的個(gè)別部分出現了破裂，并失掉了原來(lái)的清晰的形狀．以舌就*被它周?chē)囊后w所沖毀，使得玻璃體質(zhì)點(diǎn)的運動(dòng)是非?；靵y的。
    上海申弘閥門(mén)有限公司主營(yíng)閥門(mén)有：截止閥,電動(dòng)截止閥以上的試驗證明，當流體流動(dòng)速度不同的時(shí)候，流體質(zhì)點(diǎn)的運動(dòng)就可能存在兩種*不同的情況。一種是當流動(dòng)速度小于某一確定值的時(shí)候，液體是作有規則的層狀或流束狀的運動(dòng)。流體質(zhì)點(diǎn)互不干擾的前進(jìn)，流體的這種運動(dòng)，稱(chēng)為層流運動(dòng)。另一種情況是當流動(dòng)速度大于該確定數值時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)除了主要的縱向運動(dòng)以外，還有附加的橫向運動(dòng)存在·流體的這種運動(dòng)稱(chēng)為紊（湍）流運動(dòng)。流體由層流轉變?yōu)槲桑ㄍ模┝鲿r(shí)的平均流速，稱(chēng)為上I臨界速度，以u。表示。
    上述試驗也可以用相反的程序進(jìn)行，即首先開(kāi)足閥門(mén)．然后再逐漸關(guān)小，這樣在玻璃管中將以相反的程序重演上述現象，即管中的液流首先作紊（湍）流運動(dòng)，當管中速度降低至0某一確定值時(shí)，則液體的運動(dòng)由紊（湍）流轉變?yōu)閷恿?，以后逐漸降低流速，管中液流將始終保持為層流狀態(tài)，此時(shí)由紊（湍）流轉變?yōu)閷恿鲿r(shí)的平均流速，稱(chēng)為下臨界速度．以=?表示c
    由紊（湍）流狀態(tài)過(guò)渡到層流時(shí)的下臨界速度總是小于由層流過(guò)渡到紊（湍j流時(shí)的上臨界速v.即
    由層流過(guò)渡到紊（湍）流的上臨界速度．和由紊（湍）流過(guò)渡到層瀛的下臨界速度．這兩個(gè)臨界點(diǎn)并不相等。
    把試驗結果綜合起來(lái)，就可以得出判別管中流功的狀態(tài)的初步結論：
    ①當管中流速u(mài)<”。時(shí)，則管中流動(dòng)一定是層流狀態(tài)；
    ②當管中流速。->”。時(shí)，則管中流動(dòng)一定是紊（湍）流狀態(tài)；
    ③當管中流速介于上、下臨界速度之lbJ，即LJ,<”<u。時(shí)，則管路中流動(dòng)可能是層流狀態(tài)‘也可能是紊（湍）流狀態(tài)，這主要取決于管路中流速的變化規律。如果開(kāi)始時(shí)是作層流運動(dòng)·那么當速度逐漸增加到超過(guò)。。，但不及u時(shí)．其層流狀態(tài)仍有可能保持，如果開(kāi)始時(shí)是作紊（湍）流運動(dòng)，那么當速度減小到低于“但仍大于w。時(shí)，則其紊（湍）流狀態(tài)仍有可能保持，但是應該指出，在上述條件下兩種流動(dòng)狀態(tài)都是不穩定的，都可能被任何偶然因素所破壞。
    可以看出，層流運動(dòng)和紊（湍）流運動(dòng)的性質(zhì)是不相同的一那么很顯然，在這兩種’情況下，它們的流動(dòng)阻力，速度分布情況以及水頭損失等也將不同；
    再來(lái)看伯努力能量方程式中，速度水頭v2／2g這一項的”是理想流體的平均速度，但在實(shí)際流體中在流過(guò)斷面上各點(diǎn)速度分布并不是*均勻的，而且各點(diǎn)速度分布規律也是不易得到的，如果以。代表實(shí)際流體的速度，則它的速度水頭“：／Zg并不等于V 2／2g，但是我們可以用。。：J2g來(lái)代替。：/2g，這樣式中的a稱(chēng)為動(dòng)能修正系數。很明顯，如果在過(guò)流斷面上流速是均勻分布的，那么。一1；如果流速分布愈不均勻，則a值愈大于1，a也可以理解為斷面上各質(zhì)點(diǎn)實(shí)有的平均單位動(dòng)能與以平均流速表示的單位動(dòng)能的比值。在應用能量方程時(shí)，由于具體的流速分布不知道，。的確切數值也不能確定．只能根據一般的流速分布情況選取一個(gè)d值。紊（湍）流時(shí)可取“值為1.05 -1 10．層流時(shí)為2．Oa

    如圖3 16所示，在一根斷面不變的直管壁上，相距為2處打上兩個(gè)小孔，并分別裝上兩根測壓管，由于所取直管斷面不變，因而斷面平均速度沿流程不變，平均速度水頭“U2／2g也是常數。這樣，測壓管中的液面差就等于發(fā)生在長(cháng)度為2的管段內液體水頭損失7Lt。當改變管中的平均速度時(shí)，則測壓管內的液面差也將隨之改變。由此，可以得出相應于一系列平均速度時(shí)的水頭損失，可以得到如圖3-17所示的曲線(xiàn)。
    當管中速度逐漸由小增大時(shí)，水頭損失也逐漸增加．實(shí)驗點(diǎn)沿著(zhù)曲線(xiàn)上升。在對數坐標上．取lg和lgh，為同一It例值，冕邀一線(xiàn)擐和求平線(xiàn)間的夾角日，為45口，tant等于1。當管痞中速度超過(guò)上臨界速度。．c以后，如果逮瘦繼續瓣加，實(shí)驗點(diǎn)就脫離了ab線(xiàn)．經(jīng)拈線(xiàn)進(jìn)入c線(xiàn)。cd線(xiàn)與水平線(xiàn)的夾角日z不再等于；j=。接近r點(diǎn)的一段坡度是在改變著(zhù)，tan日。從L 75逐漸變化到2：
    當管路中速度逐漸由大減小時(shí)，水頭損失相應的減小，實(shí)驗點(diǎn)沿著(zhù)de線(xiàn)下降，但是到達c點(diǎn)以后，如果速度繼續臧小，實(shí)驗點(diǎn)并不進(jìn)入c6線(xiàn)，而是沿著(zhù)de的延長(cháng)線(xiàn)下降．一直到和ab線(xiàn)相交的e點(diǎn)以后（這時(shí)相應的速度為下臨界速度u。）再進(jìn)入ea線(xiàn)。
    從上面曲線(xiàn)可以看到：
    ①當口<璣時(shí)，相應為層流狀態(tài)實(shí)驗點(diǎn)落在出e線(xiàn)的范圍內，而。。線(xiàn)的坡度tan0，等于lo這就表示在層流區域內，水頭損失^，和平均速度的一次方成正比．即

    ②當礎>掣：時(shí)，相應為紊（湍）流狀態(tài)，實(shí)驗點(diǎn)落在    圖3-17實(shí)驗曲線(xiàn)bcd線(xiàn)的范圍內，而刪線(xiàn)的坡度ta塒2等于1.75—2；這就表示在紊（湍）流區域-水頭損失^，和平均速度的l.7a～2攻方成正比，即hfCCy' 7 5～2 0(3-49)主當。，<《n時(shí)相應為層流與紊（湍）流的過(guò)渡區域，實(shí)驗點(diǎn)落在e點(diǎn)與c一點(diǎn)之間，這時(shí)水頭損失和平均速良的關(guān)系就要看管路中的速度是自小增大，還是由大減小而定，前者成一次方關(guān)系，后者b1 75次方關(guān)系。
    上面所討論的內容，非常形象地表明：“在層流與紊（湍）流運動(dòng)狀態(tài)時(shí)，流體的水頭損失與速度之間的關(guān)系是大不相同的”。這就是為什么要討論流體的流動(dòng)狀態(tài)的原因。因此也就很顯然，在計算每一個(gè)具體流動(dòng)的水頭損失時(shí)，首先必須要判別該流體的流動(dòng)狀態(tài)。于是對流體流動(dòng)狀態(tài)的判別，就成為我們計算水利損失中首先要解決的問(wèn)題．也就是說(shuō)'需要找出一個(gè)判別流體是層流運動(dòng)還是紊（湍）流運動(dòng)的準則來(lái)-這就引出了雷諾數的問(wèn)題。與本文相關(guān)的產(chǎn)品有角式平衡型截止閥設計說(shuō)明