fluid-property-calculator

流体属性计算器

使用经验关联式和解析公式快速计算流体属性。无需外部数据库或数据文件，即可即时估算属性。

概述

此辅助工具使用成熟可靠的经验关联式，快速计算常见流体的属性。所有公式均包含适用范围，并已通过参考数据验证。

可用计算

水的属性（0-100°C）

计算液态水随温度变化的属性：

• 密度（kg/m³）- 多项式关联式
• 动力黏度（Pa·s）- Vogel 方程
• 运动黏度（m²/s）- 根据动力黏度推导
• 热导率（W/m·K）- 多项式关联式
• 比热容（J/kg·K）- 多项式关联式
• 蒸气压（Pa）- Antoine 方程
• 普朗特数 - 无量纲传热参数

适用范围：大气压下 0-100°C 典型精度：大多数属性为 ±1-2%

空气属性（标准大气）

计算大气压下空气随温度变化的属性：

• 密度（kg/m³）- 理想气体定律
• 动力黏度（Pa·s）- Sutherland 公式
• 运动黏度（m²/s）- 根据动力黏度推导
• 热导率（W/m·K）- 多项式关联式
• 比热容（J/kg·K）- 温度相关关联式
• 普朗特数 - 无量纲传热参数

适用范围：101.325 kPa 下 -50 至 200°C 典型精度：大多数属性为 ±1-3%

黏度关联式

Sutherland 公式（气体）

气体的温度相关黏度：

μ = μ₀ × (T/T₀)^(3/2) × (T₀ + S)/(T + S)

可用于：

• 空气（S = 110.4 K）
• 氮气（S = 111 K）
• 氧气（S = 127 K）
• 二氧化碳（S = 240 K）

Andrade 方程（液体）

液体的温度相关黏度：

μ = A × exp(B/T)

使用自定义参数，为各种液体提供经验关联式。

蒸气压（Antoine 方程）

计算饱和蒸气压：

log₁₀(P) = A - B/(C + T)

可用于：

• 水
• 乙醇
• 甲醇
• 丙酮
• 苯
• 甲苯

单位：温度以 °C 为单位；压力以 mmHg 或 Pa 为单位（取决于常数）

无量纲数

雷诺数

计算流态指标：

Re = ρ × V × L / μ = V × L / ν

其中：

• ρ = 密度（kg/m³）
• V = 速度（m/s）
• L = 特征长度（m）
• μ = 动力黏度（Pa·s）
• ν = 运动黏度（m²/s）

解释：

• Re < 2300：层流（管道）
• 2300 < Re < 4000：过渡流
• Re > 4000：湍流（管道）

摩擦因子计算器

层流（Re < 2300）：

f = 64 / Re

湍流 - 光滑管道（Blasius）： 适用于 Re < 100,000：

f = 0.316 / Re^0.25

湍流 - 粗糙管道（Colebrook-White）： 以下公式的迭代解：

1/√f = -2 log₁₀(ε/3.7D + 2.51/(Re√f))

其中：

• ε = 绝对粗糙度（m）
• D = 管道直径（m）

Swamee-Jain 近似式（非迭代）：

f = 0.25 / [log₁₀(ε/3.7D + 5.74/Re^0.9)]²

理想气体属性

使用理想气体定律和分子运动理论计算属性：

• 密度：ρ = P/(R×T)
• 比热比：γ（常见气体的值）
• 声速：a = √(γ×R×T)
• 摩尔质量：M（常见气体的值）

使用示例

示例 1：20°C 时水的属性

from calc import water_properties

props = water_properties(20)
print(f"Density: {props['density']:.2f} kg/m³")
print(f"Viscosity: {props['dynamic_viscosity']:.6f} Pa·s")
print(f"Thermal conductivity: {props['thermal_conductivity']:.4f} W/m·K")

示例 2：管道流动的雷诺数

from calc import reynolds_number, water_properties

T = 25  # °C
V = 1.5  # m/s
D = 0.05  # m

props = water_properties(T)
Re = reynolds_number(V, D, props['kinematic_viscosity'])
print(f"Reynolds number: {Re:.0f}")

示例 3：摩擦因子计算

from calc import friction_factor

Re = 50000
roughness = 0.045e-3  # 0.045 mm for commercial steel
diameter = 0.1  # m

f = friction_factor(Re, roughness, diameter)
print(f"Friction factor: {f:.5f}")

示例 4：水的蒸气压

from calc import antoine_vapor_pressure

T = 80  # °C
P_vap = antoine_vapor_pressure('water', T)
print(f"Vapor pressure at {T}°C: {P_vap/1000:.2f} kPa")

示例 5：使用 Sutherland 公式计算空气黏度

from calc import sutherland_viscosity

T = 100  # °C
mu = sutherland_viscosity('air', T + 273.15)  # Convert to Kelvin
print(f"Air viscosity at {T}°C: {mu:.6f} Pa·s")

快速参考

常见水的物性

T (°C)	ρ (kg/m³)	μ (mPa·s)	ν (mm²/s)	k (W/m·K)	Pr
0	999.8	1.787	1.787	0.561	13.5
20	998.2	1.002	1.004	0.598	7.0
40	992.2	0.653	0.658	0.631	4.3
60	983.2	0.467	0.475	0.654	3.0
80	971.8	0.355	0.365	0.670	2.2
100	958.4	0.282	0.294	0.680	1.8

常见空气的物性（101.325 kPa 下）

T (°C)	ρ (kg/m³)	μ (μPa·s)	ν (mm²/s)	k (W/m·K)	Pr
0	1.293	17.16	13.27	0.0243	0.71
20	1.205	18.24	15.14	0.0257	0.71
50	1.093	19.57	17.90	0.0279	0.71
100	0.946	21.67	22.90	0.0314	0.71

局限性

1. 温度范围：关联式仅在指定范围内有效
2. 压力影响：大多数关联式假设处于大气压下
3. 纯物质：混合物需要采用不同方法
4. 精度：经验公式给出的是估算值（典型误差为 ±1-5%）
5. 相变：相变附近的物性可能不够准确

何时使用此辅助工具

适用场景：

• 快速工程计算
• 初步设计工作
• 教育用途
• 无法使用数据库时
• 快速原型开发

不适用场景：

• 高精度科学研究
• 超出有效范围的物性
• 非标准条件（高压等）
• 复杂混合物
• 要求精度优于 ±1% 时

最佳实践

1. 使用任何关联式前，先检查有效范围
2. 核对单位——大多数函数使用 SI 单位（Sutherland 公式中的温度用 K，其他公式中用 °C）
3. 尽可能将结果与参考数据进行比较
4. 根据关联式的精度使用适当的有效数字
5. 在计算中记录假设条件

其他资源

参见 reference.md，了解：

• 完整的关联式方程
• 文献来源
• 验证数据
• 精度比较
• 其他形式的公式