流态与雷诺数的关系

1）流态

液体在管道中流动时的流动状态可分为层流和紊流两种。层流与紊流是两种不同性质的流动状态，可通过雷诺实验观察。

（1）层流

当液体在层流时，液体质点互不干扰，液体的流动呈线性或层状；层流时，液体流速通常较慢，液体质点间的黏性力起主导作用，液体质点受黏性力的约束，不能随意运动。

（2）紊流

紊流时，液体流速较快，液体质点间黏性力的制约作用减弱，惯性起主导作用。当液流处在紊流时，液体质点的运动杂乱无章，除了平行于管道轴线的运动外，还存在着剧烈的横向运动。

2）雷诺实验

雷诺实验揭示了液体存在层流和紊流这两种不同的流动状态。雷诺实验装置如图2.16（a）所示。水箱5由进水管2不断供水，并通过溢流管1保持水箱5中水位恒定实现恒定流动。水杯3内盛有红颜色水，将开关4打开，红色液体经细导管6流入水平玻璃管7中。当调节节流阀阀门8的开度使水平玻璃管7中水的流速较小时，在水平玻璃管7中呈现一条明显红色的直线，上下移动细导管6，红色的细线也上下移动，如图2.16（b）所示。这说明水平玻璃管7中水流是分层的，层与层之间互不干扰，液体的这种流动状态就是层流。当调节节流阀阀门8的开度使水平玻璃管7中水的流速逐渐增大至某一数值时，可看到这条红线开始抖动，并呈波浪状，如图2.16（c）所示。如果继续加大阀门8的开口大小，使水平玻璃管7中的流速进一步增大，红色波浪线被拉断，红色的液体杂乱无章的分布在管道中，如图2.16（d）所示。这时的流动状态，称为紊流。在紊流状态下，如果将阀门8逐渐调小时，红线又会出现，水流又重新恢复为层流。

图2.16　雷诺实验

1—溢流管；2—进水管；3—水杯；4—开关；5—水箱；6—细导管；7—水平玻璃管；8—阀门(www.xing528.com)

雷诺实验证明，液体在管中的流动状态的影响因素有液体的平均流速v、管道内径d和液体的运动速度。

3）雷诺数Re

液体的流动状态可用雷诺数来判断。雷诺数定义了平均流速v、管道内径d、液体的运动黏度三者构成的一个无量纲数。当液流从层流到紊流状态对应了一个雷诺数，从紊流到层流也对应了一个雷诺数，后者的值较小，定义为临界雷诺数。液流的实际雷诺数小于临界雷诺数时，可认为液流处于层流状态；反之，认为液流处于紊流状态。常见液流管道的临界雷诺数由实验求得，见表2.1，可计算为

表2.1　常见液流管道的临界雷诺数

对非圆截面的管道，Re可计算为

式中　R——通流截面的水力半径，等于通流截面的有效面积A和它的湿周（通流截面有效截面的周长）的比值。

在通流截面有效面积一定时，水力半径大，代表液流和管壁的接触周长越小，管壁对液流的阻力小，通流能力大。在面积相等但形状不同的所有通流截面中，圆形管道的水力半径最大。