流体流态测试装置关键部件的设计改造

　　流体流态的测定实验,是5工程流体力学6课程中的一个必做实验,其主要目的是观察流体流动的两种状态:层流和紊流,根据这两种流态的变化,来测定液体在圆管中流动的临界雷诺数。

　　雷诺数是一个无量纲数,表征了流体的流动状态,是研究粘性流体流动规律的相似准则数。当两种不同流速的流体分别在两根不同直径的管道中流动时,只要雷诺数相同,才可认为两种流体的流态相似。于是,很多在工业现场不能完成的实验工作,就可以根据相似准则,在实验室里模拟完成。

　　雷诺数分为上临界雷诺数和下临界雷诺数,上临界雷诺数是在流体的流态由层流向紊流转变时,所测得的雷诺数;而下临界雷诺数是指流态由紊流转变为层流时临界状态的雷诺数。在层流向紊流的过渡过程中,只要稍有扰动,层流瞬即被破坏而转为紊流,实验现象极不稳定,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作为判别层流和紊流的准则,国际上目前通过实验所测得的下临界雷诺数Re=2320。实验室中的流体流态测定装置测得值就是下临界雷诺数。

　　1 实验原理

　　式中:γ为流体的运动粘性系数;V为试管中流体的流速;d为试管直径。由此可看出雷诺数是惯性力与粘滞力的比值[1]。

　　2 实验装置及存在的问题

　　2.1 实验装置

　　我校实验室测雷诺数所用的实验装置的结构如图1所示:

　　图1中恒水位水箱靠溢流来维持不变的水位,水箱中的水经过一密布小孔的均流板,流到实验管进口与水箱之间的体积内,以减小水流的扰动,通过计量水箱来间接测量管中水的流速,临界雷诺数的准确测定与所观察到的临界状态有着紧密的关系。

　　层流就是指管内流场呈一簇互相平行的流线,这时所观察到的着色流束为一条水平细线,当流束增大到一定值时,着色流束开始振荡。如果流束再增加,着色流束扩散至整个管内,这种流动状态称为紊流。临界状态就是流体由层流向紊流或紊流向层流转变时流体的流态。

　　2. 2 存在的问题

　　根据实验测得所需数据及所提供的相关数据计算雷诺数时,所得临界雷诺数在1700左右,与国际公认值仍相差较大。

　　2. 3 改进措施

　　雷诺实验装置的精确度对学生正确认识和了解质点的微观运动规律以及不同微观运动之间的相互转换有着重要意义,为了提高实验装置的精确程度,我们对实验装置进行整体分析,得出导致雷诺数偏小的原因是:

　　(1)色液出口处针孔的直径相对于管道来说太大,使着色流线易受扰动;

　　(2)回流水道振动引起流线振动;