流量測量中常用的流體參數(shù)

1、流量測量中常用的流體參數(shù)對工業(yè)管道流體流動規(guī)律的研究、流量測量計算以及儀表選型時，都要遇到一系列反映流體屬性和流動狀態(tài)的物理參數(shù)這些參數(shù)，常用的有流體的密度、粘度、絕熱指數(shù)(等熵指數(shù))、體積壓縮系數(shù)以及雷諾數(shù)、流速比(馬赫數(shù))等；這些物理參數(shù)都與溫度壓力密切相關(guān)。流量測量的一次元件的設(shè)計以及二次儀表的校驗，都是在一定的壓力和溫度條件下進行的。若實際工況超過設(shè)計規(guī)定的范圍，即需作相應(yīng)的修正。一、流體的密度流體的密度( )是流體的重要參數(shù)之一，它表示單位體積內(nèi)流體的質(zhì)量。在一般工業(yè)生產(chǎn)中，流體通?？梢暈榫鶆蛄黧w，流體的密度可由其質(zhì)量和體積之商求出：     

2、                             （12）式中  m流體的質(zhì)量，kg；      V質(zhì)量為m的流體所占的體積，m3密度的單位換算見表13。各種流體的密度都隨溫度、壓力改變而變化在低壓及常溫下，壓力變化對液體密度的影響很小，所以工程計算上

3、往往可將液體視為不可壓縮流體，即可不考慮壓力變化的影響但這只是一種近似計算。而氣體，溫度、壓力變化對其密度的影響較大，所以表示氣體密度時，必須嚴(yán)格說明其所處的壓力、溫度狀況    工業(yè)測量中，有時還用“比容”這一參數(shù)。比容數(shù)是密度數(shù)的倒數(shù)，單位為m3kg。    二、流體的粘度    流體的粘度是表示流體內(nèi)摩擦力的一個參數(shù)。各種流體的粘度不同，表示流動時的阻力各異。粘度也是溫度、壓力的函數(shù)一般說來，溫度上升，液體的粘度就下降，氣體的粘度則上升在工程計算上液體的粘度，只需考慮溫度對它的影響，僅在壓力很高的情

4、況下才需考慮壓力的影響。水蒸氣及氣體的粘度與壓力、溫度的關(guān)系十分密切表征流體的粘度，通常采用動力粘度( )和運動粘度(v)，有時也采用恩氏粘度(°E)流體動力粘度的意義是，當(dāng)該流體的速度梯度等于l時，接觸液層間單位面積上的內(nèi)摩擦力流體的動力粘度也可理解為兩個相距1m、面積各為1m2的流體層以相對速度1ms移動時相互間的作用力，即                      

5、60;            （13）式中   單位面積上的內(nèi)摩擦力，Pa；v流體流動速度，ms；        h兩流體層之間的距離，m；        速度梯度，I / S；    動力粘度 的單位Pa·s是國際單位制(SI)的導(dǎo)出單位，是我國法定單位它與過去習(xí)慣使用的其他單位的換算關(guān)

6、系見表l4表中 的單位達因·秒厘米2(dyn·scm2)是厘米克秒單位制(cGs單位制)的導(dǎo)出單位，習(xí)慣上稱泊(P)。取其百分之一為單位，稱厘泊(cP)，或百萬分之一為單位，稱微泊( P)。由于流體的粘度和密度有關(guān)，將動力粘度與流體密度之比作為粘度的另一參數(shù)，稱運動粘度，用v表示：           v               &#

7、160;                       （14）在SI單位制中，v的單位為m2/s與過去習(xí)慣用的其他單位間的換算關(guān)系見表15。表中v的單位cm2s是c瓽s單位制的導(dǎo)出單位，稱斯托克斯(St)，取其百分之一為單位，稱厘斯(cSt)。在試驗室對粘度進行測定常采用恩格勒粘度計，這里還需提及恩氏粘度(E)的概念。流體的恩氏粘度又稱條件粘度，它是基于流體的粘性越大，流動時表

8、現(xiàn)的阻力也越大的原理,按下列方式測定的：取一定容積的被測流體(例如200mL)，在一定的溫度(t)下，測定其從恩格勒粘度計流出的時間( t)，以s為單位，然后與同體積的蒸餾水在20時流出恩格勒粘度計的時間（ ）對比，其比值稱該流體在t時的恩氏粘度     恩氏粘度與運動粘度在常用范圍內(nèi)的對照關(guān)系見表16。當(dāng)v12×l04m2s時，在同一溫度t下，E與v的換算采用下式：             Et135×103Vt&

9、#160;                          （16）或           Vt7. 41×106Et          

10、               （17）式中   Et在溫度t時的恩氏粘度；Vt在溫度t時的運動粘度。三、牛頓流體及非牛頓流體在節(jié)流裝置的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程以及一些流量測量方法的“適用范圍”欄目中，常常提出所測流體僅限于“牛頓流體”。什么是牛頓流體和非牛頓流體呢? 在前述流體的粘度一節(jié)中，給出了流體動力粘度的定義式(13)，由該式可以導(dǎo)出在流體內(nèi)部有速度梯度(剪切進度) 時，作用在與該速度梯度方向垂直的單位面積上的內(nèi)摩擦力(或稱剪切應(yīng)力、粘滯

11、力) 與 之間的關(guān)系式是：式(18)稱牛頓粘性定律。當(dāng)式中比例系數(shù) (即動力粘度)為常數(shù)時，內(nèi)摩擦力 與速度梯度 間呈線性關(guān)系。這一規(guī)律的流體即稱牛頓流體不同種類的牛頓流體的比例常數(shù) 值各不相同。當(dāng) 值不是常數(shù)或 與 間的關(guān)系不符式(18)所示規(guī)律，即不符牛頓粘性定律時，該流體即稱非牛頓流體。一般高粘滯性流體和高分子溶液都呈現(xiàn)非牛頓流體的性質(zhì)。典型的非牛頓流體以可塑性流體、膨脹性流體和賓厄姆(BINGham)流體為代表其 與 的關(guān)系可用下列兩個簡單的典型式表示：       當(dāng)式(19)中常數(shù)nI時，稱可塑性流體；當(dāng)n1時，稱膨脹性流

12、體對賓厄姆流體，表達式為            式中    B常數(shù)，稱塑性粘度；h流體開始流動時的內(nèi)摩接力(剪切應(yīng)力)，常稱為屈服值。為直觀起見，常以 作縱坐標(biāo)，以 為橫坐標(biāo)，繪出 與 的關(guān)系曲線，稱流動曲線。對牛頓流體，流動曲線為通過原點的直線；對非牛頓流體，流動曲線有各種不同的形狀。例如可塑性流體的流動曲線是下彎的曲線；膨脹性流體則是向上彎的曲線；賓厄姆流體為不通過原點的直線。    四、絕熱指數(shù)及等熵指數(shù) &#

13、160;  測量氣(汽)體流量時，需要了解流體流經(jīng)流量測量元件(例如節(jié)流元件)時的狀態(tài)變化，為此需要知道被測氣(汽)體的絕熱指數(shù)和等熵指數(shù)。    流動工質(zhì)在狀態(tài)變化(由一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另一種狀態(tài))過程中若不與外界發(fā)生熱交換，則該過程稱為絕熱過程。若絕熱過程沒有(或不考慮)摩擦生熱，即為可逆絕熱過程根據(jù)熵的定義，在可逆絕熱過程中熵(S)值不變(S常數(shù))，故可逆的絕熱過程又稱為等熵過程。例如，流體流經(jīng)節(jié)流元件時，因為節(jié)流元件很短，其與外界的熱交換及摩擦生熱均可忽略，所以該過程可近似認為是等熵的在此過程中，流體的壓力P與比容V的X次方的乘積為常數(shù)，即PVX常數(shù)

14、，X稱為等熵指數(shù)。當(dāng)被測氣(汽)體服從理想氣體定律時，等熵指數(shù)等于比熱比，即定壓比熱Cp與定容比熱Cv之比值CpCv。在絕熱過程中，比熱比又叫絕熱指數(shù)。實際氣(汽)體的等熵指數(shù)與介質(zhì)的種類以及所處的壓力、溫度有關(guān)，可從有關(guān)手冊的圖表上查取幾種常用氣體在常溫常壓下的X值見表l8。至今還有許多氣體或蒸汽的等熵指數(shù)尚沒有數(shù)據(jù)發(fā)表，在此情況下可暫時用比熱比代替?；旌蠚怏w的等熵指數(shù)不服從疊加規(guī)律，但其定壓比熱和定容比熱服從疊加規(guī)律，可按疊加法則求得，然后再求出混合氣體的比熱比    五、可壓縮流體的壓縮系數(shù)任何流體都可壓縮，這是流體的基本屬性。但在工程上液體一般可忽略其體積

15、的微小變化，視為不可壓縮。對于氣體，通常作為可壓縮流體來處理。在流量測量中，氣體流經(jīng)測量元件的時間很短，來不及與外界進行熱交換，且可不考慮摩擦生熱，所以這時發(fā)生的氣體狀態(tài)變化過程可近似地視為可逆絕熱過程或等熵過程。因此，可用絕熱過程狀態(tài)方程來計算不同狀態(tài)下的比容(V)或密度( )但由于PVX常數(shù)這一絕熱方程的形式用來換算不同狀態(tài)下的比容或密度很不方便，在工程上仍用 mR(常數(shù))這個理想氣體狀態(tài)方程式，只是再加一個實際氣體偏離理想氣體的校正系數(shù)，這稱為壓縮系數(shù)(K0)此時，氣體狀態(tài)變化的基本關(guān)系式為因為V （m氣體的質(zhì)量； 氣體的密度），所以或    &#

16、160;        式中 P、T、V、 分別表示被測氣體的絕對壓力(Pa)，絕對溫度(K)，在P、T狀態(tài)下的容積(m3)和密度(kgm3)；P0、T0、V0、 0分別表示被測氣體在已知狀態(tài)時的參數(shù)，一般情況下取P010×l. 0 325×l05  Pa，T027315K。由式(113)，壓縮系數(shù)K0的物理意義就很明確，即根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程求得的氣體容積和實際氣體間在各種壓力、溫度下有不同程度的偏離。壓縮系數(shù)就是衡量這種偏差程度的尺度。不同的氣體，壓縮系數(shù)也不同。各種氣體的壓縮系數(shù)可由有關(guān)工

17、程手冊所載曲線查取，至于混合氣體的壓縮系數(shù)，可按下式確定：式中   X1，X2，Xn混合氣體各組成部分所占容積的百分比；       K01，K02，K0n混合氣體各組成部分的壓縮系數(shù)。K0值確定后，即可代入式(112)，根據(jù)某一已知狀態(tài)下的密度 。值求出任一狀態(tài)下的密度 只有求出實際工作狀態(tài)下的密度 ，才能正確地求得該流體的流量 壓力較高及測量準(zhǔn)確度要求較高時，需考慮液體的可壓縮性。六、馬蒲數(shù)(流速比)    流體的流動速度(V)和聲音在該流體內(nèi)傳播的速度(c)之比，稱為馬

18、赫數(shù)(M)，M 在氣體動力學(xué)中，它是劃分氣體流動類型的一個標(biāo)準(zhǔn)，又是判斷氣體壓縮性的一個尺度。    在氣(汽)體中，壓力以聲速相對于氣體傳播當(dāng)氣(汽)體以流速V流動時，在順流情況下，壓力向下游傳播的速度是c+V；在逆流情況下，壓力向上游傳播的速度是cV，因此，當(dāng)Vc時，下游壓力的改變不會向上游傳播。音速噴嘴就是利用這一原理達到恒定酌臨界流量的。當(dāng)馬赫數(shù)Ml時，稱為超音速流動；M1時，稱為亞音速流動在超音速和亞音速流功情況下，氣(汽)體表觀的特性有本質(zhì)的區(qū)別。流體的壓縮性是指機體在流場中相對密度的變化。實驗證明，隨著氣(汽)體流速增加，氣(汽)流中的壓力梯度也增加

19、，則流體的密度就不能視為常數(shù)。因此，馬赫數(shù)就可用作衡量氣體壓縮性的標(biāo)準(zhǔn)。流體在流場中相對密度的變化( 。)和馬赫數(shù)是什么關(guān)系？工程上常遇到的等熵過程(例如氣體在噴嘴或葉片中的流動)的表達式為式中  X等熵指數(shù)；      M馬赫數(shù)；氣體在流動狀態(tài)下的密度；0氣體在滯止?fàn)顟B(tài)(流速等于零)下的密度。    由式(115)可知，氣體在流場中密度的變化是馬赫數(shù)的函數(shù)，并和氣體的性質(zhì)有關(guān)對于同一氣體，馬赫數(shù)越大，密度變化也就越大。例如，工業(yè)上常用的過熱蒸汽的 0和M的關(guān)系如表17所示。由表17可知，隨著馬赫數(shù)的增加

20、，也即隨著流速的增加，氣體的密度將減小。在工業(yè)測量中，若馬赫數(shù)不大，則可利用式(I15)計算得 0，若在允許的誤差范圍內(nèi) 的變化可忽略，則可根據(jù)具體情況把可壓縮流體視為不可壓縮流體處理。音(聲)速和介質(zhì)的性質(zhì)以及所處的狀態(tài)有關(guān)，在工程上，聲速可用下式表示：  式中  X介質(zhì)的等熵指數(shù)；      R氣體常執(zhí)，N·mkg·K；      T工作狀態(tài)下介質(zhì)的絕對溫度，K。在不同的氣體中音速各不相同。在0的空氣中音速為332ms；在二氧化碳氣體中，為262ms；

21、在同一氣體中，音速隨溫度的升高而增加。應(yīng)根據(jù)介質(zhì)的性質(zhì)以及工作狀態(tài)下的溫度由式(116)計算聲速。常見氣體的物理性質(zhì)見表18所列。七、雷諾數(shù)測量管內(nèi)流體流量時，往往必須了解其流動狀態(tài)、流速分布等。雷諾數(shù)就是表征流體流動特性的一個重要參數(shù)流體流動時的慣性力Fs和粘性力(內(nèi)摩擦力)Fm之比稱為雷諾數(shù)。用符號Re表示。Re是一個無因次量。式(117)中的動力粘度 用運功粘度V來代替，因 ，則                 

22、0;      式中  V流體的平均速度；      流束的定型尺寸；      V、 在工作狀態(tài)下流體的運動粘度和動力粘度；被測流體密度。    由式(118)可知，雷諾數(shù)Re的大小取決于三個參數(shù)，即流體的速度、流束的定型尺寸以及工作狀態(tài)下的粘度。用圓管傳輸流體，計算雷諾數(shù)時，定型尺寸一般取管道直徑(D)，則用方形管傳輸流體，管道定型尺寸取當(dāng)量直徑(Dd)。當(dāng)量直徑等于水力半徑的四倍。對于任意截面形狀的管道，其水力半徑等于管道截面積與周長之比所以長和寬分別為A和B的矩形管道，其當(dāng)量直徑 對于任