8.2 实验原理

实际流体中存在着两种不同的流动形态，即层流和紊流。1885年，雷诺（Reynolds）曾用实验揭示了实际液体运动中层流和紊流的不同本质。层流的特点是当流速较小时流体的质点互不混掺成线状运动，没有脉动现象。紊流的特点是液体中的质点互相混掺，其运动轨迹曲折混乱，运动要素发生脉动现象。介于之间的是层流向紊流的过渡流动状态，称为层流向紊流的过渡。

雷诺实验还证实了层流与紊流的沿程水头损失规律也不同。层流时沿程水头损失与流速的一次方成比例，紊流时沿程水头损失与流速的n次方成比例，如图8.1所示。用公式表示

图8.1 水头损失与流速的关系

式中：h_f为沿程水头损失；v为流速；n为指数；k为比例系数。层流时n=1.0，紊流时n=1.75～2.0。由此可见，要确定水头损失必须先确定流动形态。

如图8.2所示，若在管道的两个断面1—1和断面2—2上各安装一根测压管，可测量出断面1—1至断面2—2间的水头损失。由能量方程得

式中，v₁=v₂，取α₁=α₂，则

图8.2 水头损失的测量示意图

由式（8.3）可以看出，断面1—1和断面2—2两根测压管的水头差即为沿程水头损失。

流动形态的判别标准是雷诺数，对于圆管流动，雷诺数用下式计算

式中：Re为雷诺数；v为圆管断面水流的平均流速；ν为水流的运动黏滞系数，计算式为

式中：t为以摄氏度表示的水温。

实验证明，雷诺实验的方法不同，所得的临界雷诺数也不同。当调节阀门从小到大逐渐开启，即流量逐渐增大时，所求得的临界雷诺数称为上临界雷诺数，此雷诺数范围不稳定，其值为12000～20000，有时甚至高达40000～50000。当调节阀门从大到小逐渐关闭，即流量逐渐减小时，所求得的临界雷诺数称为下临界雷诺数Re_k，此雷诺数比较稳定，其值约为2320。所以把下临界雷诺数作为判断流动形态的标准。