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層流和紊流及雷諾數(shù)
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之前介紹蒸汽截止閥熱損失，現(xiàn)在介紹層流和紊流及雷諾數(shù)
19世紀(jì)初期，水利學(xué)家們便發(fā)現(xiàn)，在不同的條件下，流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況可能表現(xiàn)為兩種不同狀態(tài)，一種狀態(tài)是流體質(zhì)點(diǎn)作有規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)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(yùn)動(dòng)是非常混亂的。關(guān)于黏性流體這樣兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的存在，一直弼l8.83年英國(guó)科學(xué)家雷諾進(jìn)行了負(fù)有盛名的雷諾試驗(yàn)，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(shù)層流和紊流
雷諾試驗(yàn)裝置如圖3-14昕示，在尺寸足夠大的水箱G中充滿著我們所研究的液體，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(diào)節(jié)管中流量的大小，流量用量桶M束測(cè)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(shè)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(xì)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(jié)，在試驗(yàn)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(yàn)裝置
在開(kāi)始試驗(yàn)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(duì)如果我們將細(xì)管T．上的閥門(mén)P稍微開(kāi)啟，則有色液體將由細(xì)管T．流人大管T中，而且在T管中形成一條細(xì)直而又鮮明的染色流速，如圖3-1)所示，可以看到從細(xì)管中所流出的一條染色流束在管中流動(dòng)著，其形狀成一直線．且極為穩(wěn)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(xiàn)象仍不變，染色流束仍然保持穩(wěn)定狀態(tài)，只要我們緩慢而平穩(wěn)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(xù)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(shù)值時(shí)，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)染色流束不再是直線，而是突然開(kāi)始彎曲，或者如一般所說(shuō)的成為脈動(dòng)的，而它的流線就成為彎曲的不規(guī)則的，如圖3-15b）所示。隨著流速的繼續(xù)加。染色流束的個(gè)別部分出現(xiàn)了破裂，并失掉了原來(lái)的清晰的形狀．以舌就*被它周圍的液體所沖毀，使得玻璃體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)是非常混亂的。
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(yàn)證明，當(dāng)流體流動(dòng)速度不同的時(shí)候，流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)就可能存在兩種*不同的情況。一種是當(dāng)流動(dòng)速度小于某一確定值的時(shí)候，液體是作有規(guī)則的層狀或流束狀的運(yùn)動(dòng)。流體質(zhì)點(diǎn)互不干擾的前進(jìn)，流體的這種運(yùn)動(dòng)，稱為層流運(yùn)動(dòng)。另一種情況是當(dāng)流動(dòng)速度大于該確定數(shù)值時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)除了主要的縱向運(yùn)動(dòng)以外，還有附加的橫向運(yùn)動(dòng)存在·流體的這種運(yùn)動(dòng)稱為紊（湍）流運(yùn)動(dòng)。流體由層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲桑ㄍ模┝鲿r(shí)的平均流速，稱為上I臨界速度，以u(píng)。表示。
上述試驗(yàn)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(xiàn)象，即管中的液流首先作紊（湍）流運(yùn)動(dòng)，當(dāng)管中速度降低至0某一確定值時(shí)，則液體的運(yùn)動(dòng)由紊（湍）流轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鳎院笾饾u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(zhuǎn)變?yōu)閷恿鲿r(shí)的平均流速，稱為下臨界速度．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(yàn)結(jié)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(jié)論：
①當(dāng)管中流速u<”。時(shí)，則管中流動(dòng)一定是層流狀態(tài)；
②當(dāng)管中流速。->”。時(shí)，則管中流動(dòng)一定是紊（湍）流狀態(tài)；
③當(dāng)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(guī)律。如果開(kāi)始時(shí)是作層流運(yùn)動(dòng)·那么當(dāng)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(yùn)動(dòng)，那么當(dāng)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(yīng)該指出，在上述條件下兩種流動(dòng)狀態(tài)都是不穩(wěn)定的，都可能被任何偶然因素所破壞。
可以看出，層流運(yùn)動(dòng)和紊（湍）流運(yùn)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(xiàng)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(guī)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稱為動(dòng)能修正系數(shù)。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(yīng)用能量方程時(shí)，由于具體的流速分布不知道，。的確切數(shù)值也不能確定．只能根據(jù)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(cè)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(shù)。這樣，測(cè)壓管中的液面差就等于發(fā)生在長(zhǎng)度為2的管段內(nèi)液體水頭損失7Lt。當(dāng)改變管中的平均速度時(shí)，則測(cè)壓管內(nèi)的液面差也將隨之改變。由此，可以得出相應(yīng)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。
當(dāng)管中速度逐漸由小增大時(shí)，水頭損失也逐漸增加．實(shí)驗(yàn)點(diǎn)沿著曲線上升。在對(duì)數(shù)坐標(biāo)上．取lg和lgh，為同一It例值，冕邀一線擐和求平線間的夾角日，為45口，tant等于1。當(dāng)管痞中速度超過(guò)上臨界速度。．c以后，如果逮瘦繼續(xù)瓣加，實(shí)驗(yàn)點(diǎn)就脫離了ab線．經(jīng)拈線進(jìn)入c線。cd線與水平線的夾角日z不再等于；j=。接近r點(diǎn)的一段坡度是在改變著，tan日。從L 75逐漸變化到2：
當(dāng)管路中速度逐漸由大減小時(shí)，水頭損失相應(yīng)的減小，實(shí)驗(yàn)點(diǎn)沿著de線下降，但是到達(dá)c點(diǎn)以后，如果速度繼續(xù)臧小，實(shí)驗(yàn)點(diǎn)并不進(jìn)入c6線，而是沿著de的延長(zhǎng)線下降．一直到和ab線相交的e點(diǎn)以后（這時(shí)相應(yīng)的速度為下臨界速度u。）再進(jìn)入ea線。
從上面曲線可以看到：
①當(dāng)口<璣時(shí)，相應(yīng)為層流狀態(tài)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)落在出e線的范圍內(nèi)，而。。線的坡度tan0，等于lo這就表示在層流區(qū)域內(nèi)，水頭損失^，和平均速度的一次方成正比．即
②當(dāng)?shù)A>掣：時(shí)，相應(yīng)為紊（湍）流狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)點(diǎn)落在 圖3-17實(shí)驗(yàn)曲線bcd線的范圍內(nèi)，而刪線的坡度ta塒2等于1.75—2；這就表示在紊（湍）流區(qū)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(dāng)。，<《n時(shí)相應(yīng)為層流與紊（湍）流的過(guò)渡區(qū)域，實(shí)驗(yàn)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(nèi)容，非常形象地表明：“在層流與紊（湍）流運(yùn)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(jì)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(duì)流體流動(dòng)狀態(tài)的判別，就成為我們計(jì)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(yùn)動(dòng)還是紊（湍）流運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)則來(lái)-這就引出了雷諾數(shù)的問(wèn)題。與本文相關(guān)的產(chǎn)品有角式平衡型截止閥設(shè)計(jì)說(shuō)明
