雷诺实验 · 流态判别 流体力学仿真实验平台 · 本科教学版

实验任务

调节管径、阀门开度和等效动力黏度，观察染色线，并通过量筒计时完成流量计算与实验记录。

请先填写姓名、学号、班级和实验日期。

实验目的与原理

实验目的

  • 观察染色液在圆管中的形态，识别层流、过渡流和紊流。
  • 理解管径、流速和动力黏度对雷诺数的影响。
  • 能够设计参数、记录数据，并用实验现象验证理论判据。
雷诺数的物理意义：雷诺数表示惯性作用与黏性作用的相对强弱。Re 较小时流体分层有序；Re 增大后惯性扰动增强，流动逐渐失稳并发生横向混合。

雷诺数计算公式

Re = ρvdμ
ρ 流体密度（kg/m³） v 管内平均流速（m/s） d 圆管内径（m） μ 动力黏度（Pa·s）
v 增大 → Re 增大惯性作用增强
v 恒定时：d 增大 → Re 增大若 Q 恒定则结论相反
μ 增大 → Re 减小黏性作用增强
先说明控制条件：由 v=4Q/(πd²) 可得 Re=4ρQ/(πdμ)，所以 Q 恒定时 d 增大反而使 Re 减小。本仿真把固定阀门开度下的平均流速视为近似不变；真实装置换管径会同时改变 Q 与 v，必须重新读取 V、t 后计算，不能只看 d 的变化方向。

流态判据与染色线观察

Re＜2300 层流：染色线细直稳定，几乎不横向混合。
2300≤Re≤4000 过渡流：染色线开始摆动，流动状态不稳定。
Re＞4000 紊流：染液迅速扩散，出现明显扰动和混合。
观察方法：每次只改变管径、阀门开度、等效动力黏度中的一个，等待染色线稳定后再判断；临界区优先用 μ 的最小步长微调逼近，避免阀门调节直接跳过过渡流。
判据说明：本平台用 Re＜2300、2300≤Re≤4000、Re＞4000 作为统一的工程教学分区；在 2300 和 4000 各自 ±10% 的临界宽容带内，相邻两种观察判断均可接受。实际临界值会受入口扰动、管壁粗糙度和流动历史影响，过渡区可能出现间歇性与滞回，因此不应把临界值理解为所有装置都相同的材料常数。
操作前阅读

实验装置与方法

先了解装置作用与测量方法，再按顺序完成观察、计量、计算和实验记录。

仪器设备与实验方法

高位水箱与溢流管保持近似恒定水头，减小供水波动。
透明圆管作为流动观察段，显示染色线形态。
染色液罐与注液针向管内注入示踪染液，辅助判断流态。
流量调节阀改变通过圆管的流量与流动状态。
量筒与秒表读取体积 V 和时间 t，采用体积法测流量。
循环水泵与回水系统向高位水箱供水，并回收计量后的水。
染色线示踪法根据染色线的稳定、摆动或扩散判断流态。
体积法测流量由 Q = V/t 求流量，再计算平均流速 v。
控制变量法每组只改变 d、阀门开度或 μ 中的一个参数。

实验步骤

  1. 1
    确认参数设定圆管内径 d 与等效动力黏度 μ，并确认固定的流体密度 ρ。
  2. 2
    调节流量转动流量调节阀，等待水流和染色线状态稳定。
  3. 3
    观察现象判断染色线呈直线稳定、间歇摆动还是快速扩散。
  4. 4
    量筒计时启动量筒计时，读取接水体积 V 与计时时间 t。
  5. 5
    完成计算依次计算 Q、管内平均流速 v 和雷诺数 Re。
  6. 6
    提交记录核对本组结果，再按控制变量法设置下一工况。

d 与 μ 由学生设定，ρ 固定为 998.2 kg/m³；至少完成12组有效记录，且层流、过渡流、紊流各不少于4组。

雷诺实验装置

雷诺实验动态装置 高位水箱通过溢流回流维持近似恒定水头，水经透明圆管和流量调节阀进入量筒接水计量，计量后回收至循环水箱；红色染液用于观察流态。 高位水箱 75% 50% 25% 循环水泵 溢流稳压回流 染色液罐 d 流量调节阀 当前开度 8% · 左右微调 待接水 量筒（接水计量） 计量后回收至循环水箱
观察、计算与记录 根据染色线现象作出判断，并填写本组计算结果

数据记录

至少完成12组体积法有效数据，并保证层流、过渡流、紊流各不少于4组

有效 0 / 12 组
序号 d (m) 阀门 V (mL) t (s) v (m/s) μ (Pa·s) Re 流态 观察 判断 操作
调整一个参数、观察染色液、完成量筒计时并计算 v 与 Re 后，提交本组判断。
相邻有效记录只能改变一个独立参数：d≥0.001 m、阀门开度≥5 个百分点或 μ≥0.00005 Pa·s。
理想化等效流体：ρ = 998.2 kg/m³

分析任务

选择题和计算题由系统逐项核对；数据分析与反思由教师评分

1. 本实验中，层流的判别条件是：
2. 当 Re = 3000 时，流态应判断为：
3. 管径和流速不变，动力黏度增大时，Re 将：
使用 v_max = Re_max μ/(ρd)，结果保留三位小数。
0/500（至少 20 字）
0/300（至少 10 字）

实验报告

报告包含学生信息、数据、任务与操作过程

待评报告清单

清单全部完成后生成待评报告

  • 学生信息
  • 原理确认
  • 12组有效数据且每种流态不少于4组
  • 选择、计算与文字任务完成
  • 生成待评报告
报告尚未生成
完成上方清单全部4项后生成待评报告
学生实验已完成，待教师评价 请导出实验档案交给教师复核；教师评价前不会生成最终成绩。

开始雷诺实验

信息将写入实验报告，仅保存在当前浏览器
实验目标：通过调节管径、阀门开度与等效动力黏度，用量筒计时法测量流量并自行计算 v 和 Re；在答案揭示前观察染色液形态，获取并分析三种流态数据。