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

——常数，称塑性粘度；

式中

B

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。

实际气(汽)体的等熵指数与介质的种类以及所处的压力、温度有关，可从有关手册的图表上查取．几种常用气体在常温常压下的X值见表l—8。至今还有许多气体或蒸汽的等熵指数尚没有数据发表，在此情况下可暂时用比热比代替。混合气体的等熵指数不服从叠加规律，但其定压比热和定容比热服从叠加规律，可按叠加法则求得，然后再求出混合气体的比热比．

五、可压缩流体的压缩系数

任何流体都可压缩，这是流体的基本属性。但在工程上液体一般可忽略其体积的微小变化，视为不可压缩①。对于气体，通常作为可压缩流体来处理。在流量测量中，气体流经测量元件的时间很短，来不及与外界进行热交换，且可不考虑摩擦生热，所以这时发生的气体状态变化过程可近似地视为可逆绝热过程或等熵过

程。因此，可用绝热过程状态方程来计算不同状态下的比容(V)或密度( )．但由于PV X＝常数这一绝热方程的形式用来换算不同状态下的比容或密度很不方

便，在工程上仍用＝mR(常数)这个理想气体状态方程式，只是再加一个实际气体偏离理

)．此时，气体状态变化的基本关系式为想气体的校正系数，这称为压缩系数(K

因为V＝（m――气体的质量；――气体的密度），所以