層流和紊流及雷諾數

                     上海申弘閥門有限公司

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，水利學家們便發現，在不同的條件下，流體質點的運動情況可能表現為兩種不同狀態，一種狀態是流體質點作有規則的運動，在運動過程中質點之間互不混雜，互不干擾；另一種狀態是液流中流體質點的運動是非常混亂的。關于黏性流體這樣兩種運動狀態的存在，一直弼l8.83年英國科學家雷諾進行了負有盛名的雷諾試驗，才使這一問題得到了科學的說明：

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．末端裝一個閥門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．在玻璃管的進處做成圓滑的人口，在大水箱G的上方裝設一個小水箱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，出口略微插進大玻璃管進口段，小管中的流量由小閥門P來凋節，在試驗過程中要注意經常保持水箱中水位恒定不變，及液溫度不變。    

圖3-14雷諾實驗裝置
    在開始試驗之前，首先稍微開啟大玻璃管上的閥門K，液體便開始緩慢的由水箱G流出，此對如果我們將細管T．上的閥門P稍微開啟，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著，其形狀成一直線．且極為穩定。
    隨岳如果將閥門K再稍微開大一些，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，只要我們緩慢而平穩的開啟閥門．控制流動速度小于某一定值，就可以繼續維持染色流速處于上面的狀態。但到閥門開啟到萊一較大的程度時，即管中流速增加到某一較大的確定數值時，我們就會發現染色流束不再是直線，而是突然開始彎曲，或者如一般所說的成為脈動的，而它的流線就成為彎曲的不規則的，如圖3-15b）所示。隨著流速的繼續加。染色流束的個別部分出現了破裂，并失掉了原來的清晰的形狀．以舌就*被它周圍的液體所沖毀，使得玻璃體質點的運動是非常混亂的。
    上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動截止閥以上的試驗證明，當流體流動速度不同的時候，流體質點的運動就可能存在兩種*不同的情況。一種是當流動速度小于某一確定值的時候，液體是作有規則的層狀或流束狀的運動。流體質點互不干擾的前進，流體的這種運動，稱為層流運動。另一種情況是當流動速度大于該確定數值時，流體質點除了主要的縱向運動以外，還有附加的橫向運動存在·流體的這種運動稱為紊（湍）流運動。流體由層流轉變為紊（湍）流時的平均流速，稱為上I臨界速度，以u。表示。
    上述試驗也可以用相反的程序進行，即首先開足閥門．然后再逐漸關小，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，當管中速度降低至0某一確定值時，則液體的運動由紊（湍）流轉變為層流，以后逐漸降低流速，管中液流將始終保持為層流狀態，此時由紊（湍）流轉變為層流時的平均流速，稱為下臨界速度．以=?表示c
    由紊（湍）流狀態過渡到層流時的下臨界速度總是小于由層流過渡到紊（湍j流時的上臨界速v.即
    由層流過渡到紊（湍）流的上臨界速度．和由紊（湍）流過渡到層瀛的下臨界速度．這兩個臨界點并不相等。
    把試驗結果綜合起來，就可以得出判別管中流功的狀態的初步結論：
    ①當管中流速u<”。時，則管中流動一定是層流狀態；
    ②當管中流速。->”。時，則管中流動一定是紊（湍）流狀態；
    ③當管中流速介于上、下臨界速度之lbJ，即LJ,<”<u。時，則管路中流動可能是層流狀態‘也可能是紊（湍）流狀態，這主要取決于管路中流速的變化規律。如果開始時是作層流運動·那么當速度逐漸增加到超過。。，但不及u時．其層流狀態仍有可能保持，如果開始時是作紊（湍）流運動，那么當速度減小到低于“但仍大于w。時，則其紊（湍）流狀態仍有可能保持，但是應該指出，在上述條件下兩種流動狀態都是不穩定的，都可能被任何偶然因素所破壞。
    可以看出，層流運動和紊（湍）流運動的性質是不相同的一那么很顯然，在這兩種’情況下，它們的流動阻力，速度分布情況以及水頭損失等也將不同；
    再來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，但在實際流體中在流過斷面上各點速度分布并不是*均勻的，而且各點速度分布規律也是不易得到的，如果以。代表實際流體的速度，則它的速度水頭“：／Zg并不等于V 2／2g，但是我們可以用。。：J2g來代替。：/2g，這樣式中的a稱為動能修正系數。很明顯，如果在過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點實有的平均單位動能與以平均流速表示的單位動能的比值。在應用能量方程時，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d值。紊（湍）流時可取“值為1.05 -1 10．層流時為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生在長度為2的管段內液體水頭損失7Lt。當改變管中的平均速度時，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的水頭損失，可以得到如圖3-17所示的曲線。
    當管中速度逐漸由小增大時，水頭損失也逐漸增加．實驗點沿著曲線上升。在對數坐標上．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。當管痞中速度超過上臨界速度。．c以后，如果逮瘦繼續瓣加，實驗點就脫離了ab線．經拈線進入c線。cd線與水平線的夾角日z不再等于；j=。接近r點的一段坡度是在改變著，tan日。從L 75逐漸變化到2：
    當管路中速度逐漸由大減小時，水頭損失相應的減小，實驗點沿著de線下降，但是到達c點以后，如果速度繼續臧小，實驗點并不進入c6線，而是沿著de的延長線下降．一直到和ab線相交的e點以后（這時相應的速度為下臨界速度u。）再進入ea線。
    從上面曲線可以看到：
    ①當口<璣時，相應為層流狀態實驗點落在出e線的范圍內，而。。線的坡度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，相應為紊（湍）流狀態，實驗點落在    圖3-17實驗曲線bcd線的范圍內，而刪線的坡度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時相應為層流與紊（湍）流的過渡區域，實驗點落在e點與c一點之間，這時水頭損失和平均速良的關系就要看管路中的速度是自小增大，還是由大減小而定，前者成一次方關系，后者b1 75次方關系。
    上面所討論的內容，非常形象地表明：“在層流與紊（湍）流運動狀態時，流體的水頭損失與速度之間的關系是大不相同的”。這就是為什么要討論流體的流動狀態的原因。因此也就很顯然，在計算每一個具體流動的水頭損失時，首先必須要判別該流體的流動狀態。于是對流體流動狀態的判別，就成為我們計算水利損失中首先要解決的問題．也就是說'需要找出一個判別流體是層流運動還是紊（湍）流運動的準則來-這就引出了雷諾數的問題。與本文相關的產品有角式平衡型截止閥設計說明