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上海海洋大学上海海洋大学 工程学院工程学院层流和湍流层流和湍流主讲教师主讲教师:兰雅梅兰雅梅二、雷诺实验、层流和湍流二、雷诺实验、层流和湍流一、问题的研究背景一、问题的研究背景一、问题的研究背景一、问题的研究背景粘性流体恒定总流的能量方程粘性流体恒定总流的能量方程(伯努利方程伯努利方程)：z 单位重量流体具有的位置势能；单位重量流体具有的位置势能；单位重量流体具有的压强势能；单位重量流体具有的压强势能；单位重量流体具有的动能；单位重量流体具有的动能；单位重量流体从断面单位重量流体从断面1到到 断面断面2的能量损失的能量损失(水头损失水头损失)。图1 恒定总流的能量方程示意图 早在早在1919世纪初，水力学家发现：由于流体具有粘性，在不同世纪初，水力学家发现：由于流体具有粘性，在不同的条件下，流体的断面流速分布不同，因此流体的能量损失规律的条件下，流体的断面流速分布不同，因此流体的能量损失规律也不同。也不同。图图2 不同条件下的圆管流速分布图不同条件下的圆管流速分布图 1883年，英国科学家雷诺做了著名的雷诺实验，试图找到年，英国科学家雷诺做了著名的雷诺实验，试图找到流动中由于粘性存在而产生的能量损失规律。流动中由于粘性存在而产生的能量损失规律。雷诺实验雷诺实验u 雷诺生平简介雷诺生平简介 雷诺雷诺(O.Reynolds，1842-1912)：英：英国力学家、理学家和工程师，于国力学家、理学家和工程师，于1883年年发表了一篇经典性论文发表了一篇经典性论文决定水流为决定水流为直线或曲线运动的条件以及在平行水槽直线或曲线运动的条件以及在平行水槽中的阻力定律的探讨中的阻力定律的探讨。这篇文章以实。这篇文章以实验说明水流分为层流与湍流两种形态，验说明水流分为层流与湍流两种形态，并提出以无量纲数并提出以无量纲数Re作为判别两种流态作为判别两种流态的标准。的标准。二、雷诺实验、层流和湍流二、雷诺实验、层流和湍流 实验装置实验装置 实验现象实验现象 实验结论实验结论 实验装置实验装置 测压管测水头损失：测压管测水头损失：（恒压水箱、墨盒、实验管段、计量水箱）u 层流层流:u 过渡过渡流流:u 湍湍流流:实验现象实验现象(a)平稳而鲜明的细色线平稳而鲜明的细色线(b)振荡摇摆的波形色线振荡摇摆的波形色线(c)色线破裂扩散色线破裂扩散层流层流湍流：湍流：上临界流速上临界流速湍流湍流层流：层流：下临界流速下临界流速层流层流过渡流过渡流湍流湍流层流层流 是指在流速较小时，流体质点作有条不紊的有序的直线运动，是指在流速较小时，流体质点作有条不紊的有序的直线运动，水流各层质点互不掺混。水流各层质点互不掺混。过渡流过渡流 是层流与湍流之间的过渡阶段。是层流与湍流之间的过渡阶段。湍流湍流 亦称紊流，是指随流速增大，流体质点作极不规则的运动，亦称紊流，是指随流速增大，流体质点作极不规则的运动，流层不稳定，质点相互掺混。流层不稳定，质点相互掺混。例：毛细血管中血液流动，流速很小的细直管道流动等。例：毛细血管中血液流动，流速很小的细直管道流动等。例：输油输水管道，天然河道，大气环流，动脉中血液的流动等。例：输油输水管道，天然河道，大气环流，动脉中血液的流动等。用颜色水观察水流形态（可操作性差）用颜色水观察水流形态（可操作性差）雷诺等人发现：临界流速雷诺等人发现：临界流速由量纲分析得到无量纲量：由量纲分析得到无量纲量：用临界流速判断（缺乏普遍性）用临界流速判断（缺乏普遍性）（圆管流动：（圆管流动：）实验结论实验结论1:流动形态判别流动形态判别临界雷诺数临界雷诺数Re数表示流体的惯性力和粘性力的量级之比数表示流体的惯性力和粘性力的量级之比粘性力粘性力抑制小扰动，促使流动趋于稳定抑制小扰动，促使流动趋于稳定惯性力惯性力使小扰动的作用保持和强化，促使流动趋于紊动使小扰动的作用保持和强化，促使流动趋于紊动流速较小（流速较小（Re数较小）数较小）粘性力起主导作用粘性力起主导作用层流层流流速较大（流速较大（Re数较大）数较大）惯性力起主导作用惯性力起主导作用湍流湍流 实验结论实验结论2:雷诺数雷诺数Re 实验结论实验结论3:与与V的关系的关系当流动为层流时沿程水头损失当流动为层流时沿程水头损失 为，为，；当流动为湍流时沿程水头损失当流动为湍流时沿程水头损失 为，为，。u 小结小结层流层流（有序性）（有序性）流速小流速小 颜色水不与清水掺混颜色水不与清水掺混 流体质点作有条不紊的运动流体质点作有条不紊的运动 湍流湍流（无序性）（无序性）流速大流速大 颜色水快速而完全地与清水掺混颜色水快速而完全地与清水掺混 流体质点运动轨迹不规则流体质点运动轨迹不规则