内容简介
《流体输运性质测量与预测》围绕能源系统和动力工程中担负能源利用和能量转化的传统流体工质和新型流体工质的输运性质，如黏度、导热系数和质扩散系数，系统阐述了实验测量原理、数据处理方法和理论预测方法。《流体输运性质测量与预测》主要内容包括：实验测量的不确定度和理论预测的偏差，流体黏度、流体导热系数、流体质扩散系数的实验测量和理论预测等。《流体输运性质测量与预测》针对流体的高效利用和工质设计，可在宽范围、高精度热物理性质基础数据的获取方面提供方案。
精彩书摘
第1章绪论
流体的输运性质是流体热物理性质的重要组成部分，主要包括黏度、导热系数和质扩散系数等。流体的热物理性质是热力学、流体力学、传热学、化工原理等众多学科中的重要研究内容。因此，我国学者提出热物性学这一分支学科，并定义热物性学是研究和测试物质的宏观热物理性质，探索宏观热物理性质与物质微观结构之间联系的学科⑴。
1.1流体及其热物理性质
流体(flmd)是一种受任何微小剪切力的作用都会连续变形的物质，是液体(Uqmd)和气体(gas)的总称。流体具有流动性、可压缩性和黏性等特征，因此被用作动量传递和流动的载体、能量利用和转换的工质、质量迁移和交换的介质，在能源动力、计量测试、化工环境、航空航天、机械材料、医疗卫生、生物生命、气象测绘、农业水利、日常生活等领域均有非常广泛的应用。以水和空气为代表的流体，是人类工农业生产、服务业和日常生活无时无刻不需要的物质和能量基础。因此，可以认为流体是一种物质存在的形式和能量储存的方式。
随着工业革命和现代科技的发展，尤其是化学工业的发展，人类合成了大量并非自然界天然存在的物质，流体的种类也越来越多。以能源动力领域为例，能量利用和转换涉及的流体工质从常用的几十种拓展到了几百种之多。表1-1列出了一些能源动力领域的传统流体工质和新型流体工质。这些流体的热物理性质需要充分研究，以方便科学应用。流体的热物理性质(thermophysical property)是指与热有关的物理性质，简称热物性。流体的热物性有很多，大致可分为平衡性质(equilibrium property)、输运性质(transport property)和其他性质三类。
平衡性质是指流体在平衡状态下呈现的性质，也称为热力学性质(thermodynamicproperty)。通常所说的压力-比体积-温度-成分(pvTi)性质、临界性质、密度、压缩因子、位力系数、声速、定熵压缩效率、焓、熵、畑、偏心因子、表面张力等均属于平衡性质。如果流体处于多组分多相平衡状态，平衡性质还包括溶液性质和相平衡性质，如化学势、偏摩尔性质、溶解度、逸度、活度、超额热力性质等。
输运性质是指流体在某种势差作用下热量、动量、质量等迁移过程中表现出来的性质，也称为迁移性质或者非平衡性质(non-equilibrium property)。通常所说的黏度、导热系数、质扩散系数等属于输运性质，它们都是反映梯度(势)作用的性质。
其他性质是指除了平衡性质和输运性质外，流体的发射率、折射率、吸收率、透射率和散射光谱等光学性质和辐射性质。不难看出，流体热物性的应用范围很广泛，与其在能源、动力、化工、航空航天领域的设备设计开发和前沿研究存在密切关系。
1.2流体输运性质
流体的输运性质可表示为
(1-1)
式中，为流体输运的传递率；k为输运性质参数；为方向的梯度或者变化率；负号表示输运量矢量方向与梯度矢量方向相反。如果迁移过程驱动的梯度分别为速度梯度、温度梯度和浓度梯度，那么对应的传递率分别为动量、热量和质量输运通量，对应的输运性质参数就分别为黏度、导热系数和质扩散系数。
1.2.1黏度
1687年，英国科学家牛顿(Newton)提出了牛顿黏性定律(Newton’s law of viscosity)，又称牛顿内摩擦定律，指出当层流流体内部的流层之间存在相对运动时，相邻流层间的内摩擦力正比于流层移动的相对速度和接触面积，可表示为
(1-2)
式中，F为剪切力，N；r为剪切应力，N/m2或Pa，又称动量通量；n为动力黏度(dynamicviscosity)，简称黏度(viscosity)，或为剪切面积，为速度，为速度梯度或者速度变化率，又称剪切速率，s-1。符合牛顿黏性定律的流体称为牛顿流体(Newtonianfluid)，反之称为非牛顿流体(non-Newtonian fluid)，石油、聚乙稀溶液、血液、油漆、泥桨等均属于非牛顿流体。
从式(1-3)可以看出，黏度是流体流动时的剪切应力与剪切速率之比。黏度是流体的一种属性，不但与流体自身有关，也与流体所处的压力、温度、流动状态等有关。
在流体力学方程中经常用到运动黏度(kinematic viscosity)，指动力黏度与密度的比值，即
(1-4)
式中，v为运动黏度，m2/s；p为密度，kg/m3。
各种流体在不同状态下的黏度千差万别，*大可达几个数量级。例如，水在0.1MPa和298K下的黏度和运动黏度分别为和；空气在0.1MPa和298K下的黏度和运动黏度分别为和。
微观上，流体的动量输运可认为是分子动量传递。气体动量是通过分子在自由运动中的碰撞传递的，温度是分子运动剧烈程度的表征，因此气体的黏度通常随着温度的升高而增加；液体的分子运动缓慢，动量输运主要取决于分子间的相互作用，通常情况下，液体的黏度随着温度的升高而下降。
1.2.2导热系数
1882年，法国科学家傅里叶(Fourier)提出了傅里叶导热定律(Fourier’s law of heat conduction)，指出
目录
目录
前言
主要符号表
第1章 绪论 1
1.1 流体及其热物理性质 1
1.2 流体输运性质 2
1.2.1 黏度 2
1.2.2 导热系数 3
1.2.3 质扩散系数 4
1.3 流体输运性质的研究方法 6
1.4 本书主要内容 8
参考文献 9
第2章 实验测量的不确定度和理论预测的偏差 10
2.1 基本概念 11
2.1.1 随机变量及其数学特征 11
2.1.2 误差和残差 14
2.2 实验测量的不确定度 15
2.2.1 测量模型 16
2.2.2 标准不确定度的评定 17
2.2.3 合成不确定度的评定 19
2.2.4 扩展不确定度的评定 20
2.2.5 不确定度的表示 20
2.3 理论预测的偏差 21
参考文献 23
第3章 流体黏度实验测量 24
3.1 黏度实验测量方法 24
3.1.1 毛细管法 25
3.1.2 旋转法 26
3.1.3 落体法 27
3.1.4 滚球法 28
3.1.5 振动法 29
3.1.6 石英谐振法 30
3.2 高压流体毛细管法黏度测量原理和实验装置 31
3.2.1 毛细管法黏度的测量原理 31
3.2.2 毛细管法黏度测量的实验装置 32
3.2.3 实验装置的不确定度分析 35
3.3 动态光散射法流体黏度测量原理和实验装置 40
3.3.1 动态光散射法流体黏度的测量原理 40
3.3.2 动态光散射法流体黏度的测量原理改进 47
3.3.3 动态光散射法流体黏度测量的实验装置 50
3.3.4 实验数据处理及不确定度分析 54
3.3.5 蛋白质溶液黏度测量实验 59
3.4 黏度测量校验的参考数据 60
参考文献 61
第4章 流体导热系数实验测量 64
4.1 导热系数实验测量方法 64
4.1.1 同轴圆筒法 65
4.1.2 平行平板法 67
4.1.3 瞬态热线法 68
4.1.4 瞬态平面热源法 70
4.1.5 光散射法 71
4.1.6 3ω法 73
4.2 动态光散射法流体导热系数测量原理和实验装置 75
4.2.1 动态光散射法流体导热系数的测量原理 75
4.2.2 动态光散射法流体导热系数测量的实验装置 78
4.2.3 实验数据处理及不确定度分析 83
4.3 双线3ω法流体导热系数测量原理和实验装置 87
4.3.1 传统3ω法测量原理 87
4.3.2 双线3ω法测量原理 91
4.3.3 双线3ω法导热系数测量的实验装置 96
4.3.4 实验装置的不确定度分析 102
4.4 导热系数测量校验的参考数据 105
参考文献 107
第5章 流体质扩散系数实验测量 109
5.1 质扩散系数实验测量方法 109
5.1.1 膜池法 110
5.1.2 泰勒分散法 111
5.1.3 光干涉法 113
5.1.4 核磁共振法 119
5.1.5 气相色谱法 120
5.1.6 动态光散射法 120
5.1.7 重量法 124
5.1.8 压力衰减法 125
5.2 数字激光全息干涉法流体质扩散系数测量原理 126
5.2.1 质扩散系数测量的物理模型 127
5.2.2 全息干涉法在质扩散系数测量中的应用 128
5.2.3 全息干涉法测量原理 129
5.2.4 数字全息干涉法测量原理 138
5.3 扩散本体和数字全息干涉法质扩散系数测量实验装置 148
5.3.1 实验本体和扩散池设计 148
5.3.2 数字全息干涉法质扩散系数测量的实验装置 150
5.4 数字全息干涉法图像处理方法 152
5.4.1 Anand团队图像处理方法 153
5.4.2 Shevtsova团队图像处理方法 155
5.4.3 何茂刚团队图像处理方法 157
5.5 质扩散系数实验数据处理方法 163
5.5.1 极值点间距 164
5.5.2 干涉条纹 164
5.5.3 浓度分布*线拟合 167
5.5.4 物光相位差*线峰宽 169
5.5.5 物光相位差*线拟合 171
5.5.6 物光相位*线拟合 172
5.6 压力衰减法流体质扩散系数测量原理和实验装置 174
5.6.1 压力衰减法流体质扩散系数测量的物理模型 175
5.6.2 压力衰减法流体质扩散系数测量的实验装置 177
5.6.3 高压下压力衰减法流体质扩散系数测量的实验改进 183
5.7 质扩散系数测量校验的参考数据 189
参考文献 190
第6章 流体黏度理论预测 195
6.1 气体黏度的理论预测 196
6.1.1 理想气体的黏度 197
6.1.2 稀薄气体的黏度 198
6.1.3 稀薄气体混合物的黏度 207
6.1.4 高压气体的黏度 212
6.1.5 高压气体混合物的黏度 219
6.2 液体黏度的理论预测 221
6.2.1 液体黏度与温度的关联 223
6.2.2 液体黏度与压力的关联 225
6.2.3 液体黏度与密度的关联 226
6.2.4 液体黏度的摩擦理论模型 231
6.2.5 液体黏度的自由体积模型 234
6.2.6 液体黏度的绝对速率理论模型 236
6.2.7 液体混合物的黏度 240
参考
试读
第1章绪论
流体的输运性质是流体热物理性质的重要组成部分，主要包括黏度、导热系数和质扩散系数等。流体的热物理性质是热力学、流体力学、传热学、化工原理等众多学科中的重要研究内容。因此，我国学者提出热物性学这一分支学科，并定义热物性学是研究和测试物质的宏观热物理性质，探索宏观热物理性质与物质微观结构之间联系的学科⑴。
1.1流体及其热物理性质
流体(flmd)是一种受任何微小剪切力的作用都会连续变形的物质，是液体(Uqmd)和气体(gas)的总称。流体具有流动性、可压缩性和黏性等特征，因此被用作动量传递和流动的载体、能量利用和转换的工质、质量迁移和交换的介质，在能源动力、计量测试、化工环境、航空航天、机械材料、医疗卫生、生物生命、气象测绘、农业水利、日常生活等领域均有非常广泛的应用。以水和空气为代表的流体，是人类工农业生产、服务业和日常生活无时无刻不需要的物质和能量基础。因此，可以认为流体是一种物质存在的形式和能量储存的方式。
随着工业革命和现代科技的发展，尤其是化学工业的发展，人类合成了大量并非自然界天然存在的物质，流体的种类也越来越多。以能源动力领域为例，能量利用和转换涉及的流体工质从常用的几十种拓展到了几百种之多。表1-1列出了一些能源动力领域的传统流体工质和新型流体工质。这些流体的热物理性质需要充分研究，以方便科学应用。流体的热物理性质(thermophysical property)是指与热有关的物理性质，简称热物性。流体的热物性有很多，大致可分为平衡性质(equilibrium property)、输运性质(transport property)和其他性质三类。
平衡性质是指流体在平衡状态下呈现的性质，也称为热力学性质(thermodynamicproperty)。通常所说的压力-比体积-温度-成分(pvTi)性质、临界性质、密度、压缩因子、位力系数、声速、定熵压缩效率、焓、熵、畑、偏心因子、表面张力等均属于平衡性质。如果流体处于多组分多相平衡状态，平衡性质还包括溶液性质和相平衡性质，如化学势、偏摩尔性质、溶解度、逸度、活度、超额热力性质等。
输运性质是指流体在某种势差作用下热量、动量、质量等迁移过程中表现出来的性质，也称为迁移性质或者非平衡性质(non-equilibrium property)。通常所说的黏度、导热系数、质扩散系数等属于输运性质，它们都是反映梯度(势)作用的性质。
其他性质是指除了平衡性质和输运性质外，流体的发射率、折射率、吸收率、透射率和散射光谱等光学性质和辐射性质。不难看出，流体热物性的应用范围很广泛，与其在能源、动力、化工、航空航天领域的设备设计开发和前沿研究存在密切关系。
1.2流体输运性质
流体的输运性质可表示为
(1-1)
式中，为流体输运的传递率；k为输运性质参数；为方向的梯度或者变化率；负号表示输运量矢量方向与梯度矢量方向相反。如果迁移过程驱动的梯度分别为速度梯度、温度梯度和浓度梯度，那么对应的传递率分别为动量、热量和质量输运通量，对应的输运性质参数就分别为黏度、导热系数和质扩散系数。
1.2.1黏度
1687年，英国科学家牛顿(Newton)提出了牛顿黏性定律(Newton’s law of viscosity)，又称牛顿内摩擦定律，指出当层流流体内部的流层之间存在相对运动时，相邻流层间的内摩擦力正比于流层移动的相对速度和接触面积，可表示为
(1-2)
式中，F为剪切力，N；r为剪切应力，N/m2或Pa，又称动量通量；n为动力黏度(dynamicviscosity)，简称黏度(viscosity)，或为剪切面积，为速度，为速度梯度或者速度变化率，又称剪切速率，s-1。符合牛顿黏性定律的流体称为牛顿流体(Newtonianfluid)，反之称为非牛顿流体(non-Newtonian fluid)，石油、聚乙稀溶液、血液、油漆、泥桨等均属于非牛顿流体。
从式(1-3)可以看出，黏度是流体流动时的剪切应力与剪切速率之比。黏度是流体的一种属性，不但与流体自身有关，也与流体所处的压力、温度、流动状态等有关。
在流体力学方程中经常用到运动黏度(kinematic viscosity)，指动力黏度与密度的比值，即
(1-4)
式中，v为运动黏度，m2/s；p为密度，kg/m3。
各种流体在不同状态下的黏度千差万别，*大可达几个数量级。例如，水在0.1MPa和298K下的黏度和运动黏度分别为和；空气在0.1MPa和298K下的黏度和运动黏度分别为和。
微观上，流体的动量输运可认为是分子动量传递。气体动量是通过分子在自由运动中的碰撞传递的，温度是分子运动剧烈程度的表征，因此气体的黏度通常随着温度的升高而增加；液体的分子运动缓慢，动量输运主要取决于分子间的相互作用，通常情况下，液体的黏度随着温度的升高而下降。
1.2.2导热系数
1882年，法国科学家傅里叶(Fourier)提出了傅里叶导热定律(Fourier’s law of heat conduction)，指出
