流量测量中常用的流体参数

流量测量中常用的流体参数

对工业管道流体流动规律的研究、流量测量计算以及仪表选型时，都要遇到一系列反映流体属性和流动状态的物理参数．这些参数，常用的有流体的密度、粘度、绝热指数(等熵指数)、体积压缩系数以及雷诺数、流速比(马赫数)等；这些物理参数都与温度．压力密切相关。流量测量的一次元件的设计以及二次仪表的校验，都是在一定的压力和温度条件下进行的。若实际工况超过设计规定的范围，即需作相应的修正。

一、流体的密度

流体的密度( )是流体的重要参数之一，它表示单位体积内流体的质量。在一般工业生产中，流体通常可视为均匀流体，流体的密度可由其质量和体积之商求出：

＝（1－2）

式中m——流体的质量，kg；

V——质量为m的流体所占的体积，m3

密度的单位换算见表1—3。

各种流体的密度都随温度、压力改变而变化．在低压及常温下，压力变化对液体密度的影响很小，所以工程计算上往往可将液体视为不可压缩流体，即可不考虑压力变化的影响．但这只是一种近似计算。而气体，温度、压力变化对其密度的影响较大，所以表示气体密度时，必须严格说明其所处的压力、温度状况．工业测量中，有时还用“比容”这一参数。比容数是密度数的倒数，单位为m3／kg。

二、流体的粘度

流体的粘度是表示流体内摩擦力的一个参数。各种流体的粘度不同，表示流动时的阻力各异。粘度也是温度、压力的函数．一般说来，温度上升，液体的粘度就下降，气体的粘度则上升．在工程计算上液体的粘度，只需考虑温度对它的影响，仅在压力很高的情况下才需考虑压力的影响。水蒸气及气体的粘度与压力、温度的关系十分密切．表征流体的粘度，通常采用动力粘度( )和运动粘度(v)，有时也采用恩氏粘度(°E)．

流体动力粘度的意义是，当该流体的速度梯度等于l时，接触液层间单位面积上的内摩擦力．流体的动力粘度也可理解为两个相距1m、面积各为1m2的流体层以相对速度1m／s移动时相互间的作用力，即

＝（1－3）

式中――单位面积上的内摩擦力，Pa；

v——流体流动速度，m／s；

h——两流体层之间的距离，m；

——速度梯度，I / S；

动力粘度的单位Pa·s是国际单位制(SI)的导出单位，是我国法定单位．它与过去习惯使用的其他单位的换算关系见表l—4．表中的单位达因·秒／厘米2(dyn·s／cm2)是厘米—克—秒单位制(c．G．s单位制)的导出单位，习惯上称泊(P)。取其百分之一为单位，称厘泊(cP)，或百万分之一为单位，称微泊( P)。由于流体的粘度和密度有关，将动力粘度与流体密度之比作为粘度的另一参数，称运动粘度，用v表示：

v＝（1－4）

在SI单位制中，v的单位为m2/s与过去习惯用的其他单位间的换算关系见表1—5。表中v的单位cm2／s是c．G．s单位制的导出单位，称斯托克斯(St)，取其百分之一为单位，称厘斯(cSt)。

在试验室对粘度进行测定常采用恩格勒粘度计，这里还需提及恩氏粘度(E)的概念。流体的恩氏粘度又称条件粘度，它是基于流体的粘性越大，流动时表现的阻力也越大的原理,按下列方式测定的：取一定容积的被测流体(例如200mL)，在一定的温度(t℃)下，测定其从恩格勒粘度计流出的时间( t)，以s为单位，然后与

同体积的蒸馏水在20℃时流出恩格勒粘度计的时间（）对比，其比值称该流体在t℃时的恩氏粘度．

恩氏粘度与运动粘度在常用范围内的对照关系见表1—6。当v＞1．2×l0－4m2／s 时，在同一温度t下，E与v的换算采用下式：

Et＝135×103Vt （1－6）

或Vt＝7. 41×10－6Et （1－7）

式中Et――在温度t时的恩氏粘度；

Vt――在温度t时的运动粘度。

三、牛顿流体及非牛顿流体

在节流装置的设计标准、规程以及一些流量测量方法的“适用范围”栏目中，常常提出所测流体仅限于“牛顿流体”。什么是牛顿流体和非牛顿流体呢? 在前述流体的粘度一节中，给出了流体动力粘度的定义式(1—3)，由该式可以导出在流

体内部有速度梯度(剪切进度) 时，作用在与该速度梯度方向垂直的单位面积上的内摩擦力(或称剪切应力、粘滞力) 与之间的关系式是：

式(1—8)称牛顿粘性定律。当式中比例系数(即动力粘度)为常数时，内摩擦力

与速度梯度间呈线性关系。这一规律的流体即称牛顿流体．不同种类的牛顿流体的比例常数值

各不相同。当值不是常数或与间的关系不符式(1—8)所示规律，即不符牛顿粘性定律时，该流体即称非牛顿流体。一般高粘滞性流体和高分子溶液都呈现非牛顿流体的性质。典型的非牛顿流体以可塑性流体、膨胀性流体和宾厄姆

(BINGham)流体为代表．其与的关系可用下列两个简单的典型式表示：

当式(1—9)中常数n＞I时，称可塑性流体；当n＜1时，称膨胀性流体．对宾厄姆流体，表达式为

式中B——常数，称塑性粘度；

h——流体开始流动时的内摩接力(剪切应力)，常称为屈服值。

为直观起见，常以作纵坐标，以为横坐标，绘出与的关系曲线，称流动曲线。对牛顿流体，流动曲线为通过原点的直线；对非牛顿流体，流动曲线有各种不同的形状。例如可塑性流体的流动曲线是下弯的曲线；膨胀性流体则是向上弯的曲线；宾厄姆流体为不通过原点的直线。

四、绝热指数及等熵指数

测量气(汽)体流量时，需要了解流体流经流量测量元件(例如节流元件)时的状态变化，为此需要知道被测气(汽)体的绝热指数和等熵指数。

流动工质在状态变化(由一种状态转变到另一种状态)过程中若不与外界发生热交换，则该过程称为绝热过程。若绝热过程没有(或不考虑)摩擦生热，即为可逆绝热过程．根据熵的定义，在可逆绝热过程中熵(S)值不变(S＝常数)，故可逆的绝热过程又称为等熵过程。例如，流体流经节流元件时，因为节流元件很短，其与外界的热交换及摩擦生热均可忽略，所以该过程可近似认为是等熵的．在此过程中，流体的压力P与比容V的X次方的乘积为常数，即PV X＝常数，X称为等熵指数。当被测气(汽)体服从理想气体定律时，等熵指数等于比热比，即定压比热Cp与定容比热Cv之比值Cp／Cv。在绝热过程中，比热比又叫绝热指数。