土木工程专业土木工程专业流 体 力 学 实　验流 体 力 学 实　验

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•雷诺实验雷诺实验

•孔口、管嘴出流实验孔口、管嘴出流实验

雷诺实验雷诺实验

雷诺实验 —— 揭示了水流运动具有层流与紊流两种流态。 当流速较小时，各流层的液体质点是有条不紊地运动，互不混杂，这种型态的流动叫做层流。

当流速较大，各流层的液体质点形成涡体，在流动过程中，互相混掺，这种型态的流动叫做紊流。

层流与紊流的判别

（下）临界雷诺数 Re kk

V d

ReVd

雷诺数 或 Re

VR

Re 2000k Re 500k

若 Re<Rek ，水流为层流， 1.0fh V

若 Re>Rek ，水流为紊流， 1.75~2.0fh V

实验原理

hf

雷诺实验

lgV

lghf

O

流速由小至大

流速由大至小

kV kV

θ1

θ2

1.0,k fV V h V

1.75 2.0,k fV V h V

颜色水

颜色水

颜色水

颜色水

实验目的及内容实验目的及内容

• 1.1. 观察水流的层流和紊流的运动现象。观察水流的层流和紊流的运动现象。• 2.2. 学习测量圆管中雷诺数的方法。学习测量圆管中雷诺数的方法。• 3.3. 测定临界雷诺数，分析雷诺数的影响因测定临界雷诺数，分析雷诺数的影响因

素。 素。 • 4.4. 通过实验分析层流和紊流两种流动型态通过实验分析层流和紊流两种流动型态

下雷诺数的变化规律。下雷诺数的变化规律。

实验原理

• 层流条件下，流体质点不发生各向混杂，流动呈现规则的有秩序层流条件下，流体质点不发生各向混杂，流动呈现规则的有秩序的成层流动；紊流条件下，由于粘性力对质点的束缚作用降低，的成层流动；紊流条件下，由于粘性力对质点的束缚作用降低，质点容易偏离其原来的运动方向，形成无规则的脉动混杂甚至产质点容易偏离其原来的运动方向，形成无规则的脉动混杂甚至产生可见尺度的涡旋。在本实验中，颜色水随玻璃管内主流一起流生可见尺度的涡旋。在本实验中，颜色水随玻璃管内主流一起流动，颜色水流线代表了管内主流的流动状态。动，颜色水流线代表了管内主流的流动状态。

• 由流体力学可知：层流紊流流态的判别标准就是下临界雷诺数 由流体力学可知：层流紊流流态的判别标准就是下临界雷诺数 RRecec ，可表示为 ，，可表示为 ，

• 式中 式中 dd 为玻璃管内径；为玻璃管内径； ν ν 为流体的运动粘性系数，为流体的运动粘性系数， μμ 为流体的为流体的动力粘性系数，为流体的密度，动力粘性系数，为流体的密度， V c V c 为流体的临界速度。 水的为流体的临界速度。 水的运动粘性系数 运动粘性系数 ν ν 与温度的关系为：与温度的关系为：

实验设备

• 11 、开启进水开关，向水箱内注水。到达一定水位高度，并保持、开启进水开关，向水箱内注水。到达一定水位高度，并保持适当的溢流，使水箱内水位稳定。在实验期间如出现水位变化时，适当的溢流，使水箱内水位稳定。在实验期间如出现水位变化时，应缓慢调节进水开关确保水箱内水位稳定。 应缓慢调节进水开关确保水箱内水位稳定。

• 22 、打开玻璃管放水开关，待管内空气排出后，松开颜色水开关、打开玻璃管放水开关，待管内空气排出后，松开颜色水开关使颜色水随玻璃管内主流　一起流动。使颜色水随玻璃管内主流　一起流动。

• 33 、缓慢关小放水开关，同时观察玻璃管内颜色水变动情况，直、缓慢关小放水开关，同时观察玻璃管内颜色水变动情况，直到颜色水变为一条稳定的直线，此时即　为紊流转变为层流的下到颜色水变为一条稳定的直线，此时即　为紊流转变为层流的下临界状态。用量杯和秒表测量流量。 临界状态。用量杯和秒表测量流量。

• 44 、开大放水开关，使玻璃管内水流变为紊流状态；重新缓慢关、开大放水开关，使玻璃管内水流变为紊流状态；重新缓慢关小放水开关，待玻璃管内颜色水变为一条直线时，用量杯和秒表小放水开关，待玻璃管内颜色水变为一条直线时，用量杯和秒表测量此时的流量。 测量此时的流量。

• 55 、重复前述步骤，分别测量出对应的临界流量。 、重复前述步骤，分别测量出对应的临界流量。 • 66 、实验完成后，整理实验数据，按规定格式撰写实验报告。 、实验完成后，整理实验数据，按规定格式撰写实验报告。

实验步骤

　实验数据记录　

  流动状态 实验次数

实 验 项 目

1 2 3

体 积（ cm 3 ） 时 间 s （秒） 流体温度 t （ ℃）

 

紊流转变

为层流

     

     

     

     

     

     

     

实验结果

流动状态 实验次数

计 算 项 目

1 2 3 4

流量 Qcm×cm×cm/s ）

临界速度 V c （ cm/s ）

运动粘性系数 ν （ cm×cm/s ） 下临界雷诺数 Rec

由紊流转变

为层流

       

       

       

       

       

       

       

Re c （实验平均值 ）

 

讨论

1 、为什么要用 Rec 来判断流态而不用 Vc 来判断？ 2 、当流量保持不变，玻璃导管直径改变时，沿导管之

Re 数是否改变？怎样改变？ 3 、如用不同直径的导管，或用不同的液体， Vc 和 Re

c 是否改变？

孔口与管嘴出流实验孔口与管嘴出流实验

实验原理

在稳定水位下用量筒及秒表测量各孔口、管嘴的流

量。根据孔口、管嘴流速、流量公式，可推倒出相

应流速系数、流量系数；在稳定水位下，用卡尺测

量孔口流束最小收缩直径 d c , 从而得到 A c 。

• 1.1. 了解孔口、管嘴恒定自由出流特征，根据流了解孔口、管嘴恒定自由出流特征，根据流

量公式，计算相关参数，分析流量影响因素。量公式，计算相关参数，分析流量影响因素。

2.2. 在恒定水头下，测定孔口管嘴的流量系数，在恒定水头下，测定孔口管嘴的流量系数，

收缩系数，流速系数并比较它们的流量大小。 收缩系数，流速系数并比较它们的流量大小。

实验目的和内容实验目的和内容

实验设备

1 进水管 2. 水位指示器 3. 进水开关 4. 管嘴 1 5. 管嘴 2 6.薄壁圆孔口 8. 水箱

测具 1 游标卡尺一把； 2. 量桶一只 3. 秒表一只

• 11 、用游标卡尺记录各孔口、管嘴的出口直径；然后关闭各孔口、、用游标卡尺记录各孔口、管嘴的出口直径；然后关闭各孔口、管嘴出口。 管嘴出口。

• 22 、开启进水开关注水；当水位接近水箱最高水位时，首先打开、开启进水开关注水；当水位接近水箱最高水位时，首先打开薄壁圆孔口（其余管嘴关闭），调节进水开关，使水位缓慢上升薄壁圆孔口（其余管嘴关闭），调节进水开关，使水位缓慢上升至最高水位，并保持有少量溢流，待水箱水位稳定后，读记该水至最高水位，并保持有少量溢流，待水箱水位稳定后，读记该水位高度 位高度 H H 。 。

• 33 、在稳定水位下用量水桶、秒表及磅秤测量薄壁圆孔口的流量。、在稳定水位下用量水桶、秒表及磅秤测量薄壁圆孔口的流量。

• 44 、用游标卡尺测量流束最小收缩断面处流束直径。 、用游标卡尺测量流束最小收缩断面处流束直径。 • 55 、关闭薄壁圆孔口，依次打开各管嘴，按照步骤、关闭薄壁圆孔口，依次打开各管嘴，按照步骤 22 、、 33 各重复各重复

测量两次； 测量两次； • 66 、 实验完毕，将实验水箱内水全部排尽，整理好仪器设备并放、 实验完毕，将实验水箱内水全部排尽，整理好仪器设备并放回原处。回原处。

实验步骤

　实验数据记录　

孔口管嘴类型 实验次数 最高水位H(㎝ )

零水位高度H 0

(㎝ )

实际水头 H-H0 =ΔH (㎝ )

孔口、管嘴出口直径 d(㎝ )

收缩断面直径 d（ cm ）

薄壁圆孔口 1        

2        

管嘴 1 1        

2        

管嘴 2 1        

2        

管嘴 3 1        

2        

　实验结果　

孔口、管嘴类型 实验次数 孔口、管嘴出口面积 A（㎝ 2 ）

收缩断面积 Ac (㎝ 2 )

收缩系数 ε= Ac /A

流量计算

体积 ㎝ 3 时间

（秒） 流量 ㎝ 3/ 秒

薄壁圆孔口

1            

2          

管嘴 1

1          

2          

管嘴 2

1          

2          

管嘴 3

1          

2          

孔口管嘴类型 实验次数 流量 (㎝ 3/s) 流速㎝ /s ） 流量系数 μ 流速系数 ψ

薄壁圆孔口

1        

2        

管嘴 1

1        

2        

管嘴 2

1        

2        

管嘴 3

1        

2        

1. 孔口出流时为什么会形成收缩断面？管嘴出流

时是否会形成收缩断面？为什么？

2. 试比较薄壁圆孔口和圆柱管嘴的流速系数、流

量系数 , 说明当二者的作用水头、出口直径 d

相同的情况下，哪一个流量较大？为什么？

讨论