1实验目的与学时45 分钟›
本次实验你要达成
- 知识目标〔理解〕：描述层流、过渡、湍流三种流态下颜色水线的形态特征，解释雷诺数作为流态判据的物理意义。
- 能力目标〔运用 · 评价〕：实验测出圆管流动的上、下临界雷诺数，按雷诺数分类各组流态并判定其归属。
- 素养目标〔分析 · 创造〕：归纳无量纲参数在实验研究中的作用，推断临界雷诺数为何不是一个精确常数。
重点与难点
重点：临界雷诺数的测定与流态判别。
难点：下临界状态的判断时机 —— 颜色水在全管刚呈现一条稳定直线的瞬间，早了晚了都不对。
课前预习前测
先别翻书，凭现在的理解选。这是前测 —— 不会很正常，学完第 ⑦ 段再回来，你会发现都懂了。
1. 雷诺数 Re = vd/ν 的物理意义是？
Re 大 → 惯性力占优，扰动不易被黏性衰减 → 易湍流；Re 小 → 黏性占优 → 层流。这正是它能把流态"统一"判别的深层原因。
2. 关于下临界雷诺数 Rec（约 2320），下列说法正确的是？
Rec 不是物性，而是"流态转换"的经验判据值；它由 v、d、ν 组合成的无量纲数与 2320 比较来判流态，所以同一判据能用于不同流体、不同管径。
3. 颜色水在管内呈一条稳定的直线，说明流动处于？
层流时流体质点分层有序前进，颜色水线保持清晰直线；湍流时横向脉动强烈，色线迅速散开。你会在第 ③ 段的仿真里亲眼看到六种形态的演变。
2为什么要学这个0–5 分钟 · 工程情境›
输油管道设计时，工程师第一件事就是判断管内是层流还是湍流 —— 因为两种流态下，算能量损失的公式完全不同，选错公式，泵的功率就会算错几倍。
先想三个问题
- 自来水龙头开一点点，水流是透明柱状的；开大了就变成白花花散开的。中间发生了什么？
- 凭什么用一个数就能判断管道里是哪种流动？这个数为什么必须是无量纲的？
- 同样是 14 mm 的管子，输水和输机油，临界流速会一样吗？
带着这三个问题做实验；其中第 2、3 个问题，⑦ 段的思考题会再问你。
工厂里的它 · 案例与视频
输油管道含蜡原油黏度大，常温输送时 Re 低、可能处于层流区，泵耗高。工程上采用加热输送：油温升高 → ν 减小 → Re 增大进入湍流 → 同样输量下阻力特性完全改变。判断流态是输油工艺设计的第一步。
城市供水管网市政供水干管 Re 通常在 10⁴~10⁵ 量级，按湍流公式算损失；而农业滴灌毛管、医用输液管内是层流，用层流公式。选错公式，损失能差出几倍。
医学血流人体主动脉血流 Re 约 10³ 量级，接近临界值；血管狭窄处流速升高可局部转为湍动，医生听诊到的"血管杂音"正来源于此 —— 雷诺数也是诊断工具。
看着没动，其实一直在动
本实验最好看的一幕：把阀门开到很小，染色线会变成一条笔直、纹丝不动的细线——
第一次做的同学几乎都会问一句「水是不是没流？」。
可量筒在涨、秒表在走，水确实在流：只是各层各走各的、互不掺混，
所以整条线看上去像被冻住了。这正是层流的样子。
接着把阀门一点点开大：线先开始轻轻摆动（一摆起来就已经离开层流、进入过渡区了）→ 再断成一段一段 → 最后整段染开、糊成一片。 从"冻住"到"糊开"的这一路，就是雷诺数从小变大的全过程 —— 你看见的是流态，量到的是 Re。
③ 段的染色仿真把这四步做成了可以来回拖的：先点「层流」看那条线有多稳， 再点「下临界 2320」，看它在哪一刻开始不老实。
接着把阀门一点点开大：线先开始轻轻摆动（一摆起来就已经离开层流、进入过渡区了）→ 再断成一段一段 → 最后整段染开、糊成一片。 从"冻住"到"糊开"的这一路，就是雷诺数从小变大的全过程 —— 你看见的是流态，量到的是 Re。
③ 段的染色仿真把这四步做成了可以来回拖的：先点「层流」看那条线有多稳， 再点「下临界 2320」，看它在哪一刻开始不老实。
工厂里的它 · 视频
① 雷诺数演示实验【化工原理】湍流？层流？雷诺数是什么？ · 7分22秒
整套雷诺装置的实拍演示：从那条一动不动的层流细线开始，逐档开大阀门，
一直做到完全湍动。看之前先想好：线什么时候开始摆？什么时候断？做实验时你要亲手找的就是这两个点。
② 层流变湍流的过程短片，课堂时间紧时用这条 · 2分36秒
层流遇到障碍物之后怎么破碎成湍流。它补的是装置上看不到的那一半：
管里没有障碍物，靠加大流速转捩；而工程管路里的弯头、阀门、焊瘤，是靠扰动提前转捩。
上面是视频站搜索页，内容会更新。
3实验原理5–13 分钟 · 公式与变量›
🔮 先预测再动手：你认为本台装置实测的下临界雷诺数 Rec 会落在？
先凭直觉选、锁定，再往下读 —— 读完再选就不是预测了。
雷诺数是惯性力与黏滞力之比，反映两种力在流动中谁占主导。
Re = v · d / ν惯性力 / 黏滞力 —— 无量纲
其中断面平均流速由容积法测得的流量换算：
Q = V / t v = Q / A A = πd² / 4量筒接水体积 V（mL）与时间 t（s）现场实测
变量对照
v断面平均流速，m/s
d管道内径，实验管 A 为 0.014 m
ν水的运动黏度，m²/s，随水温变化，必须实测水温后查取
Q流量，m³/s，容积法测量
A过流断面面积，m²
判别准则
- 下临界雷诺数 Rec ≈ 2320 —— 由湍流逐渐关小阀门，颜色水刚成一条稳定直线时测得。这是工程上真正用的判据，因为它是可重复的。
- 上临界雷诺数 ≈ 4000 或更高 —— 由层流逐渐开大阀门，直线刚被打散时测得。它受扰动影响极大，重复性差，不作为工程判据。
为什么下临界可重复、上临界不可重复？因为层流失稳需要外界扰动去"触发"，实验台震动一下、阀门抖一下，上临界就变了；而湍流衰减回层流是流体自身黏性主导的过程，不依赖扰动。这一点是本实验最值得想明白的地方。
流态仿真 · 先看后做
几百个染色粒子在 A 管（d=14 mm）中随流前进。拖滑块看形态怎么变，或点预设跳到关键状态。
当前雷诺数 Re
—
稳定直线
按本装置参数与你在第 ⑥ 段填的水温实时换算（ν 随温度变）。仅为教学示意，不能替代真实观察。
4实验装置13–18 分钟 · THXZH-1 综合实验台›
本实验使用实验管 A。水由潜水泵送入恒压水箱，经实验管 A 流入辅助水箱后回到供水水箱循环使用。
关键部件
颜色水容器红色示踪水源
颜色水调节阀 / 微调器控制示踪水注入量 —— A 管节流阀开度变了这里要跟着调
潜水泵 / 供水水箱DYT001Ⅱ，扬程 2.5 m，流量 2000 L/h，55 W
A 管节流阀本实验的主控阀 —— 测下临界时只许渐关
旁路节流阀调节使水箱保持微溢流，稳定进口水头
辅助水箱加消色剂使有色水变清
测压针头本实验须向管外侧拉出与内壁齐平，否则会扰动流态
恒压水箱280 × 420 × 400 mm
进水节流阀控制进水量 —— 配合 A 管节流阀减小溢流扰动
本实验台参数
实验管 A内径 d = 14 mm，长 l ≈ 1.2 m，沿程损失计算长度 L = 0.80 m
基准面一律取工作台面板上平面
实验管 B 必须停止测试，关闭 B 管节流阀，否则 A 管流量不稳，测出来的临界雷诺数没有意义。
5操作步骤18–33 分钟 · 边做边打钩 0 / 0›
准备
三条铁律：① 每调一次阀门，等稳定几分钟再读数；② 关小阀门过程中只许渐小，不许回开，一旦回开这一次就作废重来；③ 出水流量减小时，同步调小进水节流阀，减少溢流扰动。
6数据录入与计算录一组算一组，自动判流态›
实验数据表
各组流态（按实测 Re 自动生成）
定性观察记录
数据组 0 组
7结果分析与思考题33–45 分钟›
你的结果
Re 分布图
Re 分布图见 ⑥ 段计算表。
误差溯源 · 你的临界雷诺数偏差从哪里来？
下临界本有随机散布，但有些偏差可以避免。勾选最可能的来源（已选 0 项）。
关阀过快会错过"刚变稳定直线"的瞬间；中途回开会人为扰动，这一次必须作废重测。
针头相当于持续扰动源：从湍流往小关阀找下临界时，它后面的尾迹让颜色水线一直摆、迟迟不成直线，要关到更小的流量才判成层流 → 测得 Rec 系统性偏小。
不同人、不同次对"稳定直线"的时机判断不同，影响的是你记下的「刚成稳定直线」那一组（⑥ 段定性观察）—— ⑦ 段的区间是按判据值分组算出来的，反映不了它。减小它的办法：同一档等稳定后多看一会儿、两人互相核对；在报告里说清你的判读偏早还是偏晚。
流态转换有滞后，刚调完阀立刻读数会把上一个工况的流态带进来，上临界尤其敏感。
Q = V/t 的偏差直接进入 v，Re = vd/ν 同向偏移。
颜色水线受浮力影响会与主流流态不同步，你看到的是"染色线的命运"而非纯粹的主流扰动发展。
Re = vd/ν 直接含 ν，水温差 1℃ 时 ν 变化约 2%，Rec 同向偏约 2%。
思考题
1. 为什么工程上采用下临界雷诺数作为流态判据，而不用上临界？
上临界要靠外界扰动"触发"层流失稳，实验台震动、阀门抖动都会改变它；下临界是黏性主导的自发衰减过程，不依赖扰动，因此可重复、可作判据。
2. 水温升高，其他条件不变，管中临界流速如何变化？
临界 Rec = vcd/ν 基本不随温度变化。水温升高 → ν 减小 → 由 vc = Rec·ν/d 可知临界流速降低，即更容易进入湍流。
3. 甲管 d = 14 mm、通 40℃ 的水；乙管 d = 28 mm、通 10℃ 的水（10℃ 水的 ν 约是 40℃ 的 2 倍）。两管流速相同，它们的流态相比？
Re = vd/ν：乙管的 d 是甲管的 2 倍，ν 也约是 2 倍，流速相同时（不必知道流速是多少）两管 Re 几乎相等，流态就相同 —— 只看管子粗细、或只看水温冷热，都会判错。这就是 ② 段第 2 问的答案：判据必须是无量纲数，才能脱开具体的管径、流体、水温去比较；你在 14 mm 管里用水测出的下临界，换一根管、换一种水温照样能用。
回到前测 · 看自己的变化
第 ① 段的三道前测在这里回看：用一句话把正确答案讲给没做实验的同学听，讲得清就打勾。
8提交与导出交给老师（底栏「正式提交」）· 下载 PDF · 导出数据›
输入即存本机；点底栏「正式提交」才交给老师。
课后即时反馈表
误差来源分析与结论 · 写在这里，报告里自动带上
课后反思 · 三格，随提交一起交给老师
提交前自评 · 五个维度，交之前自己先过一遍（系统自动评分看的是完整性 / 准确性 / 结论 / 问题分析）
数据完整性
计算正确
图表质量
误差分析
结论表述
本人签名 · 与首页那一格是同一份，签一次各份报告共用
交之前核对一下 · 实时更新，点一行就跳过去
下载的报告会自动带上：实验目的、装置与原理、原始数据表、计算过程、曲线图、思考题作答、POE 对账、自评与评分 —— 这些不用另写。CSV / Word 是选用的导出，不用交；PDF 报告自己留存，老师要求时再打印（纸质版不能代替底栏的「正式提交」）。