图 6—2 流速与沿程损失的关系
试验过程中,水积A内水位保持不变,使流动处于定流状态;
阀门B用于调节流量,以改变平直玻璃管中的流速;容器C内
盛有容重与水相近的颜色水,经细管E流入平直玻璃管F中;
阀门D用于控制颜色水的流量。
当阀门B慢慢打开,并打开颜色水阀门D,此时管中的水流
流速较小,可以看到玻璃管中一条线状的颜色水。它与水流不
相混合,如图6—3(b)所示。从这一现象可以看出,在管中流
速较小时,管中水流沿管轴方向呈层状流动,各层质点互不掺混,这种流动状态称为层流。
当阀门B逐渐开大,管中的水流流速也相应增大。此时会发现,在流速增加到某一数值时,
颜色水原直线的运动轨迹开始波动,线条逐渐变粗,如图6—3(c)所示。继续增加流速,则颜
色水迅速与周围的清水混合,6—3(d)所示。这表明液体质点的 运动轨迹不规则,各层液体相
互剧烈混合,产生随机的脉动,这种流动称为紊流。水流流速从小变大。沿程阻力曲线的走线
为A→B→C →D。如图6—2所示。
若实验时流速由大变小。则上述观察到的流动现象以相反的程序重演,但有紊流转变为层
流的流速 (下临界流速)要小于由层流转变为紊流的流速 (上临界流速)。如图6—2所示
沿径阻力曲线的走线为D-C-A。如图6—2所示。
实验进—步表明,同一实验装置的临界流速是不固定的,随着流动的起始条件和实验条件
不同,外界干扰程度不同,其上临界流速差异很大,但是,其下临流流速却基本不变。在实际
工程中,扰动是普遍存在
的,上临界流速没有实际
意义,一般指的临界流速
即指下临界流速。上述实
验现象不仅在圆管中存在,
对于任何形状的边界、任
何液体以及气体流动都有
类似的情况。
二、流态的判别准则
上述实验观察到两种不同的流态,以及流态与管道流速之间的关系。由雷诺等人曾做的实
验表明,流态不仅与断面平均流速 有关系,而且与管径 、液体粘性 、密度 有关。即
流态既反映管道中流体的特性,同时又反映管道的特性。
将上述四个参数合成一无量纲数(无具体单位,该内容将在量纲分析章节中讨论),称为雷
诺数,用 表示。
(6—4)
对应于临界流速的雷诺数,称为临界雷诺数,通常用 表示。大量实验表明,在不同的
管道、不同的液体以及不同的外界条件下临界雷诺数不同。通常情况下,临界雷诺数总在
2300附近,
当管道雷诺数小于临界雷诺数时,管中流动处于层流状态;反之,则为紊流。
【例6—1】 有一直径 的室内上水管,如管中流速 水温 ℃。
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