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层流和紊流及雷诺数
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之前介绍蒸汽截止阀热损失，现在介绍层流和紊流及雷诺数
19世纪初期，水利学家们便发现，在不同的条件下，流体质点的运动情况可能表现为两种不同状态，一种状态是流体质点作有规则的运动，在运动过程中质点之间互不混杂，互不干扰；另一种状态是液流中流体质点的运动是非常混乱的。关于黏性流体这样两种运动状态的存在，一直弼l8.83年英国科学家雷诺进行了负有盛名的雷诺试验，才使这一问题得到了科学的说明：
3. 3.1层流和紊流及雷诺数层流和紊流
雷诺试验装置如图3-14昕示，在尺寸足够大的水箱G中充满着我们所研究的液体，有一玻璃管T与它相连oT管断面积为A．末端装一个阀门K，用以调节管中流量的大小，流量用量桶M束测量。
为r减少T管中液流的扰动．在玻璃管的进处做成圆滑的人口，在大水箱G的上方装设一个小水箱C，其中盛有某种有色液体，其重度接近于大水箱中的液体重度，使两种液体不会混合，在小水箱下方引出一根极细的水管T1，其下端弯曲，出口略微插进大玻璃管进口段，小管中的流量由小阀门P来凋节，在试验过程中要注意经常保持水箱中水位恒定不变，及液温度不变。
图3-14雷诺实验装置
在开始试验之前，首先稍微开启大玻璃管上的阀门K，液体便开始缓慢的由水箱G流出，此对如果我们将细管T．上的阀门P稍微开启，则有色液体将由细管T．流人大管T中，而且在T管中形成一条细直而又鲜明的染色流速，如图3-1)所示，可以看到从细管中所流出的一条染色流束在管中流动着，其形状成一直线．且极为稳定。
随岳如果将阀门K再稍微开大一些，则玻璃管中的流速随之增大，但玻璃管中的现象仍不变，染色流束仍然保持稳定状态，只要我们缓慢而平稳的开启阀门．控制流动速度小于某一定值，就可以继续维持染色流速处于上面的状态。但到阀门开启到莱一较大的程度时，即管中流速增加到某一较大的确定数值时，我们就会发现染色流束不再是直线，而是突然开始弯曲，或者如一般所说的成为脉动的，而它的流线就成为弯曲的不规则的，如图3-15b）所示。随着流速的继续加。染色流束的个别部分出现了破裂，并失掉了原来的清晰的形状．以舌就*被它周围的液体所冲毁，使得玻璃体质点的运动是非常混乱的。
上海申弘阀门有限公司主营阀门有：截止阀,电动截止阀以上的试验证明，当流体流动速度不同的时候，流体质点的运动就可能存在两种*不同的情况。一种是当流动速度小于某一确定值的时候，液体是作有规则的层状或流束状的运动。流体质点互不干扰的前进，流体的这种运动，称为层流运动。另一种情况是当流动速度大于该确定数值时，流体质点除了主要的纵向运动以外，还有附加的横向运动存在·流体的这种运动称为紊（湍）流运动。流体由层流转变为紊（湍）流时的平均流速，称为上I临界速度，以u。表示。
上述试验也可以用相反的程序进行，即首先开足阀门．然后再逐渐关小，这样在玻璃管中将以相反的程序重演上述现象，即管中的液流首先作紊（湍）流运动，当管中速度降低至0某一确定值时，则液体的运动由紊（湍）流转变为层流，以后逐渐降低流速，管中液流将始终保持为层流状态，此时由紊（湍）流转变为层流时的平均流速，称为下临界速度．以=?表示c
由紊（湍）流状态过渡到层流时的下临界速度总是小于由层流过渡到紊（湍j流时的上临界速v.即
由层流过渡到紊（湍）流的上临界速度．和由紊（湍）流过渡到层瀛的下临界速度．这两个临界点并不相等。
把试验结果综合起来，就可以得出判别管中流功的状态的初步结论：
①当管中流速u<”。时，则管中流动一定是层流状态；
②当管中流速。->”。时，则管中流动一定是紊（湍）流状态；
③当管中流速介于上、下临界速度之lbJ，即LJ,<”<u。时，则管路中流动可能是层流状态‘也可能是紊（湍）流状态，这主要取决于管路中流速的变化规律。如果开始时是作层流运动·那么当速度逐渐增加到超过。。，但不及u时．其层流状态仍有可能保持，如果开始时是作紊（湍）流运动，那么当速度减小到低于“但仍大于w。时，则其紊（湍）流状态仍有可能保持，但是应该指出，在上述条件下两种流动状态都是不稳定的，都可能被任何偶然因素所破坏。
可以看出，层流运动和紊（湍）流运动的性质是不相同的一那么很显然，在这两种’情况下，它们的流动阻力，速度分布情况以及水头损失等也将不同；
再来看伯努力能量方程式中，速度水头v2／2g这一项的”是理想流体的平均速度，但在实际流体中在流过断面上各点速度分布并不是*均匀的，而且各点速度分布规律也是不易得到的，如果以。代表实际流体的速度，则它的速度水头“：／Zg并不等于V 2／2g，但是我们可以用。。：J2g来代替。：/2g，这样式中的a称为动能修正系数。很明显，如果在过流断面上流速是均匀分布的，那么。一1；如果流速分布愈不均匀，则a值愈大于1，a也可以理解为断面上各质点实有的平均单位动能与以平均流速表示的单位动能的比值。在应用能量方程时，由于具体的流速分布不知道，。的确切数值也不能确定．只能根据一般的流速分布情况选取一个d值。紊（湍）流时可取“值为1.05 -1 10．层流时为2．Oa
如图3 16所示，在一根断面不变的直管壁上，相距为2处打上两个小孔，并分别装上两根测压管，由于所取直管断面不变，因而断面平均速度沿流程不变，平均速度水头“U2／2g也是常数。这样，测压管中的液面差就等于发生在长度为2的管段内液体水头损失7Lt。当改变管中的平均速度时，则测压管内的液面差也将随之改变。由此，可以得出相应于一系列平均速度时的水头损失，可以得到如图3-17所示的曲线。
当管中速度逐渐由小增大时，水头损失也逐渐增加．实验点沿着曲线上升。在对数坐标上．取lg和lgh，为同一It例值，冕邀一线擐和求平线间的夹角日，为45口，tant等于1。当管痞中速度超过上临界速度。．c以后，如果逮瘦继续瓣加，实验点就脱离了ab线．经拈线进入c线。cd线与水平线的夹角日z不再等于；j=。接近r点的一段坡度是在改变着，tan日。从L 75逐渐变化到2：
当管路中速度逐渐由大减小时，水头损失相应的减小，实验点沿着de线下降，但是到达c点以后，如果速度继续臧小，实验点并不进入c6线，而是沿着de的延长线下降．一直到和ab线相交的e点以后（这时相应的速度为下临界速度u。）再进入ea线。
从上面曲线可以看到：
①当口<玑时，相应为层流状态实验点落在出e线的范围内，而。。线的坡度tan0，等于lo这就表示在层流区域内，水头损失^，和平均速度的一次方成正比．即
②当础>掣：时，相应为紊（湍）流状态，实验点落在 图3-17实验曲线bcd线的范围内，而删线的坡度ta埘2等于1.75—2；这就表示在紊（湍）流区域-水头损失^，和平均速度的l.7a～2攻方成正比，即hfCCy' 7 5～2 0(3-49)主当。，<《n时相应为层流与紊（湍）流的过渡区域，实验点落在e点与c一点之间，这时水头损失和平均速良的关系就要看管路中的速度是自小增大，还是由大减小而定，前者成一次方关系，后者b1 75次方关系。
上面所讨论的内容，非常形象地表明：“在层流与紊（湍）流运动状态时，流体的水头损失与速度之间的关系是大不相同的”。这就是为什么要讨论流体的流动状态的原因。因此也就很显然，在计算每一个具体流动的水头损失时，首先必须要判别该流体的流动状态。于是对流体流动状态的判别，就成为我们计算水利损失中首先要解决的问题．也就是说'需要找出一个判别流体是层流运动还是紊（湍）流运动的准则来-这就引出了雷诺数的问题。与本文相关的产品有角式平衡型截止阀设计说明
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