《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。

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
参考文献 245
第7章 流体导热系数理论预测 249
7.1 气体导热系数的理论预测 250
7.1.1 理想气体的导热系数 251
7.1.2 稀薄气体的导热系数 253
7.1.3 稀薄气体混合物的导热系数 260
7.1.4 高压气体的导热系数 262
7.1.5 高压气体混合物的导热系数 269
7.2 液体导热系数的理论预测 272
7.2.1 液体导热系数与温度的关联 276
7.2.2 液体导热系数与压力的关联 278
7.2.3 液体导热系数与密度的关联 280
7.2.4 液体混合物的导热系数 281
参考文献 284
第8章 流体质扩散系数理论预测 287
8.1 气体中质扩散系数的理论预测 289
8.1.1 理想气体中的质扩散系数 289
8.1.2 稀薄气体中的质扩散系数 291
8.1.3 高压气体中的质扩散系数 296
8.1.4 多组分气体中的质扩散系数 298
8.2 液体中质扩散系数的理论预测 298
8.2.1 稀溶液中的质扩散系数 300
8.2.2 高温液体中的质扩散系数 303
8.2.3 高压液体中的质扩散系数 305
8.2.4 多组分液体中的质扩散系数 309
参考文献 310

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)，指出在导热过程中，单位时间内通过给定截面的热流量，正比于垂直于该截面方向上的温度变化率和截面面积，而热量传递的方向则与温度升高的方向相反，可表示为
　　(1-5)
　　(1-6)
　　式中，Q为热流量，W；q为热流密度，W/m2；X为导热系数(thermal conductivity)，
　　W/(m？K)；t为温度，°C或者K;dt/dy为温度梯度或者温度变化率，°C/m或者K/m。
　　在传热学方程中也经常用到热扩散系数(thermal diffusion coefficient)，指导热系数与密度和比定压热容的比值，即
　　(1-7)
　　式中，a为热扩散系数或者热扩散率(thermal diffusivity)，m2/s;Cp为比定压热容，J/(kg？K)。
　　各种流体在不同状态下的导热系数差别很大，可差5～6个数量级。例如，水在0.1MPa和298K下的导热系数和热扩散系数分别为6.0719x10-!W/(m？K)和1.4565x10-7m2/s;空气在0.1MPa和298K下的导热系数和热扩散系数分别为2.5912x10-2W/(m？K)和2.1978x10-5m2/s。
　　微观上，流体导热可认为是分子中的能量传递。气体热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，因此气体的导热系数通常随着温度的升高而增加；液体的分子运动缓慢，热量输运主要取决于分子运动和分子间相互作用的联合作用，液体的导热系数随着温度的升高有增加也有下降，大多数表现为下降趋势。
　　流体的运动黏度和热扩散系数具有相同的物理量纲(L2/T)。针对同一个物理现象，流体的动量输运和能量输运方程中，流体的运动黏度和热扩散系数以类似的方式出现，它们的比值反映了流体流动中动量和能量传递的相对大小。定义该无量纲比值为
　　(1-8)
　　式中，Pr为普朗特数。
　　1.2.3质扩散系数
　　1855年，德国生理学家菲克(Fick)提出了菲克扩散定律(Fick’s law of diffusion)，指出不依靠宏观的混合作用，仅依靠分子扩散发生的传质现象，单位时间内通过垂直于扩散方向单位截面积的扩散物质流密度，即质量通量与该截面处的浓度梯度(concentrationgradient)成正比。以A物质和B物质组成的二兀溶液为例，可表示为
　　(1-9)
　　式中，鉍为质量通量，kg/(m2？s)，i表示A物质或B物质；Dab和Dba为质扩散系数(mass diffusion coefficient)，也称作互扩散系数(mutual diffusion coefficient)，m2/s，对于二元溶液，Dab=Dba，可简写为D；pi为质量浓度，kg/m3；dpi/dy为质量浓度梯度或者质量浓度变化率，kg/m4。
　　各种流体在不同状态下的质扩散系数差别很大，可差4～7个数量级。例如，1atm(1atm=1.01x105Pa)和298K下，二氧化碳在空气中扩散的质扩散系数为1.58x10-5m2/s；二氧化碳在乙醇中扩散的质扩散系数为1.92x10-9m2/s。
　　气体在气体中的质扩散系数几乎与浓度无关，其随着温度的升高而增加，随着压力升高而降低；液体在液体中的质扩散系数依赖于浓度，一般随着温度的升高而增加。由于液体的密度、黏度一般比气体高得多，流体在液体中的质扩散系数比在气体中低。
　　质扩散系数具有同运动黏度和热扩散系数同样的量纲，引人施密特数和刘易斯数反映流体流动中的质量与动量和能量传递的相对大小，可表示为
　　(1-10)
　　(1-11)
　　式中，Sc为施密特数；Le为刘易斯数。
　　由牛顿黏性定律、傅里叶导热定律和菲克扩散定律可以看出，动量、热量和质量输运过程的规律存在类似性，各传递过程的物理量都与其相应的梯度成正比，且都沿着负梯度方向传递，是一种线性关系。这种建立在分子运动基础上，描述输运现象的关系，称为分子传递的线性现象。流体的输运性质表征流体在热量、动量和质量迁移过程中的能力，是流体的热物理性质，与流体本身有关，也与流体所处的温度、压力状态等有关。
　　对于热量、动量和质量输运过程，其数学分析离不开流体的输运性质。以不可压缩、常物性、无内热源的对流换热二维问题为例，其动量守恒方程和能量守恒方程分别为[2]
　　(1-12)
　　(1-13)
　　以常物性、无对流流动、无化学反应的A、B组成的双组分混合物质量传递三维问题为例，其扩散方程为[3]
　　(1-14)
　　如果流体的输运性质明确已知，上述方程才有可能得到精确的分析解或者数值解。如何获取流体的输运性质正是本书的主要内容。
　　1.3流体输运性质的研究方法
　　流体的输运性质主要依靠实验测量、理论预测和分子模拟等方法获得[4]。
　　实验测量主要是建立精确的实验方法和测量装置，通过实验手段获取流体的黏度、导热系数和质扩散系数。例如，采用毛细管法精确测量流体的黏度，采用动态光散射法精确测量流体的导热系数，采用数字激光全息干涉法精确测量流体的质扩散系数。实验测量不仅可以提供直接的流体输运性质数据，而且是理论计算公式的数据来源。
　　理论预测主要是建立通用的热力学函数关系，采用公式、图表和软件的方式得到流体的输运性质，它通常要以一定量的实验数据进行公式关联和准确度验证。例如，采用绝对速率理论精确计算液体的黏度，采用查普曼-恩斯库格型公式精确计算流体的导热系数，采用斯托克斯-爱因斯坦方程精确计算流体的质扩散系数。由于实验测量耗时费力、分子模拟使用局限，理论预测是获取流体热物理性质的主要方法，包括理论计算公式、半理论半经验计算公式和经验关联式等多种方法。
　　分子模拟主要是建立分子作用模型，通过计算机模拟和大数据处理的方式获取流体的输运丨顿，包括分子力学、分子动力学、蒙特卡罗方法、布朗动力学等**力学模拟方法和从头算、密度泛函理论等量子力学模拟方法。随着计算技术的发展，分子模拟可以部分取代实验测量和理论预测，已经发展为一种*立的热物理注质获取方法。
　　流体的黏度、导热系数和质扩散系数等输运性质的准确性对热工设备、化工流程的精确设计和安全运行起着关键且基础性的作用。图1-1为H2和CO合成甲醇的催化反应器示意图[4]。原料气由H2和CO的混合物组成，通过气体预热器进人反应器，气体预热器是反应器压力容器的组成部分。在气体预热器中，进人的30MPa气体被反应器中两个催化剂床的产物气体从环境温度加热到610K。在两个催化剂床之间使用第二个热