4
雷諾實驗
一、實驗目的要求
1
．觀察層流、紊流的流態及其轉換特征；
2
．測定下臨界雷諾數，掌握圓管流態判別準則；
3
．掌握誤差分析在實驗數據處理中的應用。
二、實驗原理
1
．實驗裝置圖
自循環雷諾實驗裝置圖
1.
自循環供水器；
2.
實驗臺；
3.
可控硅無級調速器；
4.
恒壓水箱；
5.
有色水水管；
6.
穩水孔板；
7.
溢流板；
8.
實驗管道；
9.
實驗流量調節閥。
2
．實驗原理
根據雷諾數的表達式
Re=VD/
ν
，結合連續性方程
Q=AV
，得
Re=4Q/(
π
D
ν
)
其中
V
表示管道中的平均流速，
D
表示管道直徑，
為水的運動粘性系數。通過層流與紊流的
運動學特點，觀察、判斷層流向紊流轉變時的情況，并測量相應數值，按上式計算獲得雷諾數。層
流向湍流轉變的臨界狀態所測雷諾數稱為上臨界雷諾數，
湍流向層流轉變的臨界狀態所測雷諾數稱
為下臨界雷諾數。
水的運動黏性系數與溫度有關，可由下式計算出
其中
T
為溫度，以攝氏度為單位。
三、實驗方法與步驟
1
．測記本實驗的有關常數。
2
．觀察兩種流態。
打開開關
3
使水箱充水至溢流水位，
經穩定后，
微微開啟調節閥
9
，
并注入顏色水于實驗管內，
使顏色水流成一直線。通過顏色水質點的運動觀察管內水流的層流流態，然后逐步開大調節閥，
通
過顏色水直線的變化觀察層流轉變到紊流的水力特征，
待管中出現完全紊流后，
再逐步關小調節閥，
觀察由紊流轉變為層流的水力特征。
5
3
．測定下臨界雷諾數。
(1)
將調節閥打開，
使管中呈完全紊流，
再逐步關小調節閥使流量減小。
當流量調節到使顏色水
在全管剛呈現出一穩定直線時，即為下臨界狀態；
(2)
待管中出現臨界狀態時，用體積法測定流量；
(3)
根據所測流量計算下臨界雷諾數，并與公認值（
2300
）比較，偏離過大，需重測；
(4)
重新打開調節閥，使其形成完全紊流，按照上述步驟重復測量不少于三次；
(5)
同時用水箱中的溫度計測記水溫，從而求得水的運動粘度。
[
注意
]
(1)
每調節閥門一次，均需等待穩定幾分鐘；
(2)
關小閥門過程中，只許漸小，不許開大；
(3)
隨出水流量減小，應適當調小開關，以減小溢流量引發的擾動。
4
．測定上臨界雷諾數。
逐漸開啟調節閥，使管中水流由層流過渡到紊流，當色水線剛開始散開時，即為上臨界狀態，
測定上臨界雷諾數
1~2
次
伯努利方程本質是能量守恒。等式左邊是一位置的動能 位能 內能 靜壓能 外界輸入能量 等的總能量，右邊是另外一位置的動能 位能 內能 靜壓能 阻力損失等的總能量。實際形式會有所不同，比如算壓頭的話，就要把等式兩邊都除以重力加速度。
流體宏觀運動機械能守恒原理的數學表達式。1738年瑞士數學家D.伯努利在《水動力學??關于流體中力和運動的說明》中提出了這一方程。它可由理想流體運動方程(即歐拉方程)在定態流動條件下沿流線積分得出;也可由熱力學第一定律導出。它是一維流動問題中的一個主要關系式，在分析不可壓縮流體的定態流動時十分重要，常用于確定流動過程中速度和壓力之間的相互關系。
方程的形式 對于不可壓縮的理想流體，密度不隨壓力而變化，可得:
2PuZg+,常數 ，2ρ
式中Z為距離基準面的高度;P為靜壓力;u為流體速度;ρ為流體密度;g為重力加速度。方程中
?m/kg，式中左側三項，依次稱為位能的每一項均為單位質量流體所具有的機械能，其單位為N
項、靜壓能項和動能項。方程表明三種能量可以相互轉換，但總和不變。當流體在水平管道中流動時Z不變，上式可簡化為:
2uP ,常數 ，2ρ
此式表述了流速與壓力之間的關系:流速大處壓力小,流速小處壓力大。
對于單位重量流體,取管道的1、2兩截面為基準,則方程的形式成為:
22PuPu1122ZZ2，，,，， 1g2gg2gρρ
式中每一項均為單位重量流體的能量，具有長度的因次，三項依次稱為位頭、靜壓頭和動壓頭(速度頭)。
對于可壓縮理想流體，密度隨壓力而變化。若這一變化是可逆等溫過程，則方程可寫成下式:
22uuPP1212 gZ，,gZ，，ln1222ρP11
若為可逆絕熱過程，方程可寫為:
22uuPP1212 gZ，,gZ，，ln1222ρP11
Cv式中,為定壓比熱容和定容比熱容之比，即比熱容比，也稱為絕熱指數。 Cp
對于粘性流體，流動截面上存在著速度分布，如用平均流速表達動能項，應對其乘以動u
dο能校正系數。此外,還需考慮因粘性引起的流動阻力,即造成單位質量流體的機械能損失hf ，若在流體流動過程中，單位質量流體又接受了流體輸送機械所做的功W，在這些條件下,若取處于均勻流段的兩截面1和2為基準，則方程可擴充為:
值可由速度分布計算而得, 流體在圓管內作層流流動時=2;作湍流流動時，?1.06。 ,,,
方程的應用 伯努利方程闡明的位能、動能、靜壓能相互轉換的原理，可用來分析計算一些實際問題，例如:
?計算流體從小孔流出的流速 設在容器中盛有液體，液面維持不變,距液面下h處的容器壁面上開有一小孔，液體在重力作用下自小孔流出。據伯努利方程可以計算出液體由小孔流出時的平均流速為:
u,Cd2gh
C式中d為孔流系數，其值由實驗確定，約為0.61,0.62;g為重力加速度。由上述速度及已知的小孔面積,可算出通過小孔的流量;或由這一關系，計算確定達到一定流量所必須維持的液面高度。若氣體在一定壓力差作用下由容器壁上的小孔流出，當速度不過大時，可視為不可壓縮流體，其流量也可以利用伯努利方程來估計。
u?畢托管 設均勻氣流以等速繞過某物體流動，氣流受阻后在物體前緣(A處)停滯，0
1/30頁
形成駐點(圖1駐點)，該點處的壓力稱為駐點壓力。若未受擾動的某點O壓力為，由伯ppA o努利方程可得
u測出與的差值, 即可算出流速。據此原理計設的測速裝置，稱測速器,又稱畢托管。畢ppAo0
托管(圖2畢托管結構)由一個圓頭的雙層套管組成，在圓頭中心處開有與內套管相連的小孔,內套管與測壓計的一頭聯接,以測定駐點壓力;在外套管側表面一定距離處，沿周向均勻地開pA
一排與管壁垂直的靜壓孔，外套管與測壓計的另一頭相聯，以測定壓力。根據測得的壓力差p0
h,可計算測點處的流速。
?文丘里管 又稱文氏管(圖3 文丘里管)，是一種先收縮而后逐漸擴大的管道。由于截面積有變化，流速改變，根據伯努利方程，壓力也隨之改變。量出管前與喉管處的壓力差，即可推算流量。用于測量流量的文丘里管，稱文丘里流量計。又由于文丘里管喉部形成高速氣流，會產生負壓而抽吸液體，使氣液密切接觸，用于完成氣體的洗滌、冷卻、吸收和反應等操作。用于這類操作的文丘里管稱為文丘里洗滌器。
1.伯努利其人
1700年1月29日，伯努利出生于瑞士(他不僅是一位物理學家，還是一位數學家(18世紀40年代末，他出版了著名的著作《流體力學》一書，書中用能量守恒定律解決流體的流動問題，他分析流體流動時壓強和流速的關系并得出方程，這就是后來以他的名字命名的伯努利方程，書中伯努利還明確敘述了分子動理論，認為氣體作用在器壁上的壓力可以用大量的分子快速來回運動來解釋，他還發表了海水潮汐.弦振動問題等論文，在有關微積分、微元方程和概率論等數學方面，他也做出了卓越的貢獻，在1725,1749年期間，伯努利曾十次榮獲法國科學院年度獎(
伯努利通過實驗得出:理想流體在做穩定流動時，流速大的地方壓強小，流速小的地方壓強大(但并非反比關系)，其數學表達式為
,p+ρv,,，ρgh,恒量
這就是著名的伯努利方程.
2.利用伯努利方程來解決實際問題
(1)確定靜止液面下深度為h處的壓強
如右圖所示，在裝有液體的容器里取液面上的點A和在液面下深
h處的點B來研究，以點B處的水平面作為零(勢能)參考面，則
h,,，,,,，,,, ,1BA0
又因液體靜止v,,,,，代入伯努利方程得 12
p,,，ρgh,,，ρgh ,A0
(2)求液體從小孔中流出的流速
設在液面下深為h的容器壁上有一小孔，液體從小孔中流出，取在液
面上點A和小孔處點B來研究，因為容器的截面比小孔的截面大得多，所
以容器中水面的下降很慢，點A處的液體微粒的流速可以不計，即v,,，A
以B點處高度為零，則hA,,，,,,，點A、B處與大氣接觸，所以B
,,(大氣壓)，代入伯努利方程得 p,,AB0
122ghp，ρgh,,，ρv 即v, 00BB2
(3)測量流體的流速
測量流體在管中的流速時，可用下圖所示的儀器， 因為它常用來測量氣流速度，所以
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叫
做氣流速度計，分別把必多管A(必多管是一根一端封閉的彎管，封閉端A光滑微尖，并在靠
近封閉端的側面上開有很多的小孔)和一個管口朝向氣流的管子B(動壓管)接在U形管壓強計
上，據U形管兩邊的液柱的高度差便可求出氣體的流速(
設氣體穩定流動的速度是v，氣體的密度是ρ，壓強計內液體0
的密度是ρ，在管A上小孔處氣體的壓強是p，管B中氣體的壓強0A
是p，管中氣體因受管里流體的阻礙，它的流速等于0，由于管ABB
與管B的端口均在同一高度上且氣體的同一流線上，據伯努利方程
得
2p,ρv,,,p，, ,B2故p,p,ρv,,( B,
根據U形管兩邊的高度差h，可求出兩管中的氣體的壓強差為
p,p,ρgh B,0
, 由以上各式得v2,gh/,0
因此，測量出h就可以求出氣流的速度(
(1) 液流和氣流的空吸作用
如下圖所示，若在水平管的細頸處開一小孔A，用細管接入容器B中容器內，流動液體不但不會流出，而且容器B中液體可以被吸上去，為研究此原理，做如下推導:
設左上方容器E很大，流體流動時，液面無顯著下降，液面與出液孔的高度差為h，S,和S分別表示水平管上小孔A與出液孔F處的橫截面積，用ρ表示液體的密度，設液體為F
理想流體，取容器E中液面上的點C和水平管上小孔A以及出液孔F處的水作為研究對象，據伯努利方程，得到:
1122p，ρgh,p，ρv,,，ρv C,FAF22
又因為p,p,,代入上式得到 CF02v,ρgh F
122,,vp,,,(,) A0FA2
vSFA據流體在水平管中做穩定流動時，管中各處的流量,,ρvSt不變，有:, vSAF
3/30頁
由上述幾式綜合得到S,S(則 ,A
2S1Fp,p,ρgh(,,),, A022SA
即小孔C處有一定的真空度，因此可將B中液體吸入，這種現象叫做空吸作用(
不但液流有空吸作用，氣流也同樣有空吸作用，所遵循的規律也相同，空吸作用的應用很廣，化學實驗室中的水流抽氣機、內燃機的汽化器、蒸汽鍋加水所用的射水器是根據這個原理制成的(
參考資料:
《中學物理教學參考》20007 伯努利及方程的應用 余學昌
《流態化工程原理》內容簡介
固體流態化技術是化學工程領域的一個重要分支。流化床具有非常高的傳熱和傳質效率與大量處理顆粒的能力，因而在化工、石油加工、能源、環境保護、食品加工、藥品生產等領域中得到了非常廣泛的應用。與工業實踐緊密相關的科研工作也由此而異常的活躍，新的科研成果和理論不斷涌現。隨著基礎科研工作和國民經濟的進一步發展，流態化技術勢將在更多的領域中得到應用。
本書為第一本在固體流態化方面的中文專著，由16位海內外專家和知名學者集數年之精力才得以完成。作為專著，書中內容包括了流態化方面幾乎所有的重要內容。全書共分11章:第1章介紹流態化現象及其發展歷史;第2章提供有關的基礎知識;第3，4，5章詳述了氣固密相流化床、循環床及順重力場流化床的流動規律;第6，7章論述流化床的傳熱和反應器模型與放大;第8章描述了噴動床的基本特性;第9章給出了許多流化床工業應用的實例;第10章專門講述流化床的實驗技術及測試手段方法;第11章介紹液固散式流態化和氣液固三相流化床的發展近況。
本書可供從事流態化工作的學者、科研人員、工程技術人員、運行和管理人員參考，也可作為高等院?；?、石油、熱能及其他有關專業的教材和教學參考書。
本節內容,流態化的基本概念 流化床流動阻力 流化床的主要特點和操作優缺點
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簡單來說～固體流態化就是固體物質流體化。流體以一定的流速
通過固體顆粒組成的床層時～可將大量固體顆粒懸浮于流動的流體
中～顆粒在流體作用下上下翻滾～猶如液體。這種狀態即為流態
化。
流態化是目前化學工業以及其他許多行業,譬如能源、冶金等,
廣泛使用的一門工業技術。在化學工業中主要用以強化傳熱、傳
質～亦可實現氣固反應、物理加工乃至顆粒的輸送等過程
設水源水面到虹吸管出口的高差為H,列水源水面到虹吸管出口的伯努利方程得： H1=V^2/（2g） , 得虹吸流速：V=（2gH1）^（1/2）虹吸流量：Q=（3.14D^2/4）（2gH1）^（1/2） D為虹吸管內徑。設最高點壓強為P,虹吸管最高點到出口的高差為H2,列最高點到出口的伯努利方程得： H2+P/（pg）+V^2/（2g）=V^2/（2g）得：P = -pgH2 （相對壓強，即不包括大氣壓，相對壓強為負值，即絕對壓強小于大氣壓，就是處于一定的真空狀態，理論上最大真空值不能超過10米水柱，即H2<10米水柱）也可列容器液面到最高點的伯努利方程： 0=H3+P/（pg）+V^2/（2g） P=-pg[H3+V^2/（2g）]=-pg[H3+H1] = -pgH2
u是流速，p是壓力。主要用來計算泵的揚程或已知揚程計算泵的出口壓力。
伯努利方程實質上是能量守恒定律在理想流體定常流動中的表現，它是流體力學的基本規律。在一條流線上流體質點的機械能守恒是伯努利方程的物理意義。
這個理論是由瑞士數學家丹尼爾·伯努利在1738年提出的，當時被稱為伯努利原理。后人又將重力場中歐拉方程在定常流動時沿流線的積分稱為伯努利積分，將重力場中無粘性流體定常絕熱流動的能量方程稱為伯努利定理。這些統稱為伯努利方程，是流體動力學基本方程之一。
擴展資料：
理想正壓流體在有勢體積力作用下作定常運動時，運動方程（即歐拉方程）沿流線積分而得到的表達運動流體機械能守恒的方程。
因著名的瑞士科學家伯努利于1738年提出而得名。對于重力場中的不可壓縮均質流體，方程為p+ρgh+(1/2)*ρv^2=c式中p、ρ、v分別為流體的壓強、密度和速度；h為鉛垂高度；g為重力加速度；c為常量。
其實質是流體的機械能守恒。即：動能+重力勢能+壓力勢能=常數。其最為著名的推論為：等高流動時，流速大，壓力就小[1][2]。
需要注意的是，由于伯努利方程是由機械能守恒推導出的，所以它僅適用于粘度可以忽略、不可被壓縮的理想流體[2]。
中文名
伯努利原理
外文名
Bernoulli's principle
提出者
丹尼爾·伯努利
提出時間
1726年
應用學科
流體力學
快速
導航
圖文解釋伯努利發現過程應用舉例
方程式
原表達形式
伯努利原理往往被表述為：[2]
這個式子被稱為伯努利方程。式中，P為流體中某點的壓強，v為流體該點的流速，ρ為流體密度，g為重力加速度，h為該點所在高度，C是一個常量。它也可以被表述為：[2]
假設條件
使用伯努利定律必須符合以下假設，方可使用；如沒完全符合以下假設，所求的解也是近似值[2]。
定常流：在流動系統中，流體在任何一點之性質不隨時間改變[2]。
不可壓縮流：密度為常數，在流體為氣體適用于馬赫數(Ma)<0.3[2]。
無摩擦流：摩擦效應可忽略，忽略黏滯性效應[2]。
流體沿著流線流動：流體元素沿著流線而流動，流線間彼此是不相交的[2]。
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