这个计算器有什么用?
本工具可将动力粘度(又称绝对粘度,符号 \(\mu\))除以流体的密度 \(\rho\),换算为运动粘度(符号 \(\nu\))。动力粘度衡量的是流体在外力作用下抵抗流动的内部阻力,而运动粘度衡量的则是流体在重力作用下流动的快慢程度。这一关系是流体力学、润滑工程的基础,也是计算雷诺数等无量纲数时必不可少的环节。
使用方法
在对应输入框中填入以帕秒(Pa·s)为单位的动力粘度 \(\mu\),以及以千克每立方米(kg/m³)为单位的流体密度 \(\rho\)。计算器会同时给出国际单位制(m²/s)下的运动粘度 \(\nu\),以及常用的厘斯(cSt)和斯托克斯(St)这两个基于 CGS 制的单位。作为参考,20 °C 时的水 \(\mu \approx 0.001\,\text{Pa}\cdot\text{s}\),\(\rho \approx 998\,\text{kg/m}^3\)。
公式详解
核心公式为 $$\nu = \dfrac{\mu}{\rho}$$ 由于 \(\mu\) 的单位是 \(\text{Pa}\cdot\text{s} = \text{kg/(m}\cdot\text{s)}\),而 \(\rho\) 的单位是 kg/m³,二者相除即得 m²/s——可以看到结果中已不含质量量纲,这正是 \(\nu\) 被称为"运动"粘度的原因。换算关系为:$$1\,\text{m}^2/\text{s} = 10\,000\,\text{St} = 1\,000\,000\,\text{cSt}$$ 发动机油和润滑油的粘度通常以 cSt 标注。
计算实例
以 20 °C 的水为例,取 \(\mu = 0.001\,\text{Pa}\cdot\text{s}\),\(\rho = 1000\,\text{kg/m}^3\)。则 $$\nu = \frac{0.001}{1000} = 0.000001\,\text{m}^2/\text{s} = 1 \times 10^{-6}\,\text{m}^2/\text{s}$$ 再乘以 1,000,000 得到 1.0 cSt,正好与水众所周知的运动粘度值吻合。
常见流体的典型粘度值
运动粘度通过将动态(绝对)粘度 \(\mu\) 除以流体密度 \(\rho\) 得到:
$$\nu = \frac{\mu}{\rho}$$由于密度出现在分母中,两种动态粘度相似的流体可能具有截然不同的运动粘度。例如,汞的密度极大,所以其运动粘度很小,尽管其动态粘度与水相当。下面的数值是近似的室温数据(除非另有说明),可用于对你自己的计算进行合理性检查。注意 \(1\ \text{m}^2/\text{s} = 10^6\ \text{cSt}\)。
| 流体 | 动态粘度 \(\mu\)(Pa·s) | 密度 \(\rho\)(kg/m³) | 运动粘度 \(\nu\)(cSt) |
|---|---|---|---|
| 水(20 °C) | 0.001002 | 998 | 1.00 |
| 空气(15 °C,1 atm) | 0.0000181 | 1.225 | 14.8 |
| SAE 30 机油(20 °C) | 0.29 | 891 | 325 |
| 甘油(20 °C) | 1.49 | 1261 | 1182 |
| 蜂蜜(20 °C) | 10 | 1420 | 7042 |
| 汞(20 °C) | 0.00155 | 13534 | 0.115 |
| 汽油(20 °C) | 0.0006 | 720 | 0.83 |
这些数据是代表性的;实际粘度强烈依赖于温度,特别是油脂因等级和添加剂包而异。
常见问题
动力粘度和运动粘度有什么区别?动力粘度是剪切应力与剪切速率之比(基于力的概念);运动粘度则是动力粘度除以密度(基于运动的概念)。
可以直接输入厘泊(cP)吗?需要先换算:\(1\,\text{cP} = 0.001\,\text{Pa}\cdot\text{s}\),所以请将 cP 数值除以 1000 后再作为 \(\mu\) 输入。
为什么 m²/s 单位下的结果这么小?对于稀薄流体,国际单位制下的运动粘度本身就是极小的数值,因此工程师通常改用 cSt 来表示。