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(jìn)行的。若實(shí)際工況超過設(shè)計規(guī)定的范圍，即需 作相應(yīng)的修正。、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：mV(1-2)式中 m流體的質(zhì)量，

2、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1 3表寥度單位換H器或lb/ft1 iIb/UK 卵 1Jb/US gvl1 i62.43lojdi0*0011s.Gtsxir*0.062棉o.awgs040S35級關(guān)1Iins277公斤力吋宇頓時 /采七tMrHA378X l(TkrixuH0351 0*1021A2a814?t.Bt1.356 xlQ*13.3XKT1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1 5。表中v的單位cm2/s是c. G. 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)。 1-5運(yùn)動粘盛單位

3、損算剰/秒(ITf/Ofl(米* /杪 i斯挖克斷) (St)毫米*/秒 心一斯 (cSt)1米営時(yd/s)1 - 1(ftVs)英尺/時(fi/h)1ID*j ia*3$00 1I96! 10*7&38*7EX 10IQ*111UCT6XKT*趴辟510*0.0113.Bn WU1S5X JO-*WJ6X10-*38.75X1F*177,8 XJO*2,T?277.8J332X10-*29X10*10.710加S.36X1Q1&36X 030101992U042.B K1Q_,&29也gm，334,570411i360025*Kir*0肩翱2亍92,9X ICT：303 x io 1.

4、2X 10 4m2 /s時，在同一溫度t下，E與v的換算采用下式：Et =(1 6)或Vt = 7. 41 X 106Et(1 7)135X 103Vt式中Et在溫度t時的恩氏粘度;Vt 在溫度t時的運(yùn)動粘度翹氏粘虞()1.003.MdXOJe.oo3血1.00iMa30.473乳碼4舫帥8M71Q叫-1UB0UMH.0O16,0416,011=173S481,50&9.00lltOII18.0(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

5、力粘度的定義式(1 3)，由該式可以導(dǎo)出在流空體內(nèi)部有速度梯度(剪切進(jìn)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、粘滯力)與之間的關(guān)系式是：2 帶 (1-8)式(1 8)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)摩擦空力與速度梯度門間呈線性關(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n間的關(guān)系不符式(1 8)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空(BINGham流體為代表.其.與二.4

6、的關(guān)系可用下列兩個簡單的典型式表示：廣彳麗(1-9)當(dāng)式(1 9)中常數(shù)nI時，稱可塑性流體；當(dāng)nv 1時，稱膨脹性流體.對賓厄 姆流體，表達(dá)式為dv(WO)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 n為橫坐標(biāo)，繪出l與n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(diǎn)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(diǎn)的直線。四、絕熱指數(shù)及等熵指數(shù)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

7、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(rèn)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PV冷常數(shù)，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Cp/Cv。

8、在絕熱過程中，比熱比又叫絕熱指數(shù)。實(shí)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I &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?氣體的等熵指數(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(jìn)行熱交換，且可

9、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 二mR常數(shù)）這個理想氣體狀態(tài)方程式，只是再加一個實(shí) 際氣體偏離理pV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(1-H)因為7=：】(m氣體的質(zhì)量;p氣體的密度)，所以(1-12)式中P、T、V、一一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(kg /m3);P0、TO、V0

10、“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P0= 1. OX l. 0 325 X 105Pa, T0= 273. 15K。由式(1 13),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(shí)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：力】+心兀+碼,100式中 X1，X2,X混合氣體各組成部分所占容積的百分比;K01，K02,，K0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(1 12)，根據(jù)某一

11、已知狀態(tài)下的密度 。值求出任 一狀態(tài)下的密度 I只有求出實(shí)際工作狀態(tài)下的密度 1，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c V,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(dá)到 恒定酌臨界流量的

12、。當(dāng)馬赫數(shù) M l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(jī)體在流場中相對密度的變化。實(shí)驗證明，隨著氣（汽）體流速增加，氣（汽）流中的壓力梯度也增加，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(dá)式為(115)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;f 0氣體在滯止?fàn)顟B(tài)(流速等于零)下的密度由式(1 15)可知，氣體在流場中密度的變化是馬赫數(shù)的函數(shù)，并和

13、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，也即隨著流速的增加，氣體的密度將減小* 1-7過梆蒸汽的P/P與M的蕪慕AI1i*0朋t 1oao0e20口g細(xì)0.49廠* 0*9950092421i在工業(yè)測量中，若馬赫數(shù)不大，則可利用式(I 15)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:C =X/R7(1-16 )式中 X 介質(zhì)的等熵指數(shù);R氣體常執(zhí)，Nm/kg

14、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 0C的空氣中音速為332n/ s；在二氧化碳?xì)?體中，為262n/s；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（1 佝計算聲速。常見氣體的物理性質(zhì)見表1 8 所列。表1-8幣見氣揮的物理性質(zhì)（101325Pa, 20flC）氣廉名報氣WftR (N*m/kgK)空氣1.205I.4C1zrMM1.4026G14601.402977 ：氫0J8301*40112(l.I0、1029?二製化帳18401皿186it熱蒸料0.747”3.31 -i七、雷諾數(shù)測量管內(nèi)流體流量時，往往必須了解其

15、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。(1-17)式（1 17）中的動力粘度；用運(yùn)功粘度V來代替，因=.：1，則式中 V流體的平均速度;.流束的定型尺寸;V、一一在工作狀態(tài)下流體的運(yùn)動粘度和動力粘度;被測流體密度由式（1 佝可知，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（M9）2ABn . AB 2AB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

16、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)量直徑對于任意截面形狀管道的當(dāng)量直徑，都可按截面積的四倍和截面周長之比計算 因此，雷諾數(shù)的計算公式為(1-20)雷諾數(shù)小，意味著流體流動時各質(zhì)點(diǎn)問的粘性力占主要地位，流體各質(zhì)點(diǎn)平行于管路內(nèi)壁有規(guī)則地流動，呈層流流動狀態(tài)。雷諾數(shù)大，意味著慣性力占主要地位， 流體呈紊流流動狀態(tài)，一般管道雷諾數(shù) ReDC 2000為層流狀態(tài)，ReD 4000為紊 流狀態(tài)，ReD= 20004000為過渡狀態(tài)。在不同的流動狀態(tài)下，流體的運(yùn)動規(guī)律.流速的分布等都是不同的，因而管道內(nèi)流體的平均流速;與最大

17、流速Vmax的比值也是不同的。因此雷諾數(shù)的大小決定了粘性流體的流動特性。圖11表示光滑管道的雷諾數(shù)ReD與 /Vmax的關(guān)系。渝速斷iff輪嗨-層流區(qū)Ji餾7親就區(qū)卜iI31 II 岑 一 J丄lJL_LjJL一L. 1一!i102 2 410d400J I臚 2410 2 41 爐2004Xeo圖1*1光潸骨的管道雷諾敬與速度阿“的關(guān)系試驗表明，外部條件幾何相似時（幾何相似的管子，流體繞過幾何相似的物體等）， 若它們的雷諾數(shù)相等，則流體流動狀態(tài)也是幾何相似的（流體動力學(xué)相似）。這一 相似規(guī)律正是流量測量節(jié)流裝置標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)。 可見，雷諾數(shù)確切地反映了流體 的流動特性，是流量測量中常用的參數(shù).雷諾數(shù)的流量表達(dá)式為Ep = 353 X 10*常-(H21 )= 353X10磊*(卜22 )M被測介質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/h