淺析流速

王朝暉，張永國(guó)，趙鵬程，賈 麗

(空軍勤務(wù)學(xué)院航空軍需與燃料系，江蘇徐州 221000)

流速是表征流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的重要物理量，也稱為運(yùn)動(dòng)要素。它與管道運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)性、安全性息息相關(guān)。長(zhǎng)期以來(lái)，有不少人對(duì)它的內(nèi)涵及關(guān)聯(lián)認(rèn)識(shí)不清，存在模糊甚至是錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，極易造成嚴(yán)重的工作失誤，引發(fā)事故。本文旨在通過(guò)闡述流速的豐富內(nèi)涵，分析流速與流量及壓強(qiáng)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，澄清模糊及錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，提高管道運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)性及安全性。

1 流速的內(nèi)涵

流速是指流體質(zhì)點(diǎn)在單位時(shí)間內(nèi)所通過(guò)的距離。它是一個(gè)矢量，有大小也有方向。其國(guó)際單位為m/s。

從流速的定義可以看出，流速應(yīng)是某一質(zhì)點(diǎn)的瞬時(shí)流速。對(duì)于非定常流來(lái)說(shuō)，其值是始終變化的，難以確定。在工程上，我們主要研究的是定常均勻流的情況。定常均勻流流速較慢且處于層流狀態(tài)時(shí)，各質(zhì)點(diǎn)的流速與時(shí)間、空間無(wú)關(guān)，恒速流動(dòng)。定常均勻流流速較快且處于紊流狀態(tài)時(shí)，實(shí)驗(yàn)表明各質(zhì)點(diǎn)的瞬時(shí)流速隨時(shí)間的變化而變化，因此，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，紊流是非定常流。但在一段足夠長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，其瞬時(shí)流速始終在某一平均值上下波動(dòng)，這個(gè)平均值就稱為時(shí)間平均流速。用時(shí)均值來(lái)代替紊流流動(dòng)中的瞬時(shí)值，可把復(fù)雜的紊流運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單的時(shí)均流動(dòng)，定常流的公式依舊適用。

在研究圓管流動(dòng)時(shí)，過(guò)流斷面為圓形，其上各點(diǎn)的瞬時(shí)流速分布為中心最大，管壁為零，中心與管壁之間流體流速隨半徑增大變小，應(yīng)用起來(lái)比較復(fù)雜。為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，我們首先將過(guò)流斷面上各點(diǎn)的瞬時(shí)流速時(shí)均化，然后在整個(gè)斷面上平均，即用體積流量除以過(guò)流斷面面積得到平均流速。在工程上的水力計(jì)算中，我們通常采用的是平均流速。

管道運(yùn)輸只所以能在現(xiàn)代物流中占有較大份額，競(jìng)爭(zhēng)力主要體現(xiàn)在管道運(yùn)輸既安全又經(jīng)濟(jì)。這兩者均與流速有著密不可分的關(guān)系。在一定的流量下，流速過(guò)大，意味著管路阻力過(guò)大，管道輸送的動(dòng)力成本過(guò)大;流速過(guò)小，意味著管徑過(guò)大，管道輸送的設(shè)備投資、管理、保養(yǎng)費(fèi)用過(guò)大;管道輸送只有在經(jīng)濟(jì)流速［1］下運(yùn)行，總成本最低。根據(jù)計(jì)算及經(jīng)驗(yàn)，油庫(kù)內(nèi)部管道的經(jīng)濟(jì)流速為1～2m/s，外輸管道的經(jīng)濟(jì)流速為1～3m/s。在軍事上，有時(shí)為了提高輸油、加油效率，管道輸送油品的流速往往要大于經(jīng)濟(jì)流速，但由于油品的流速增大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致靜電積累增大，增加油品燃燒、爆炸的幾率。因此油品的流速是有限制的，不能超過(guò)安全流速［2］?？展奘沼?，當(dāng)油品浸沒(méi)注入口前，流速應(yīng)不大于1 m/s，當(dāng)油品浸沒(méi)注入口200 mm后，可以提高流速，但最大流速應(yīng)不大于7m/s。鐵路油罐車裝卸油，當(dāng)油品浸沒(méi)鶴管口前，或油品內(nèi)存在明顯水分、雜質(zhì)時(shí)，流速應(yīng)不大于1 m/s。當(dāng)油品浸沒(méi)鶴管口后，可以提高流速，但最大流速應(yīng)不大于4.5 m/s。油輪(駁)裝卸油，當(dāng)油品浸沒(méi)注入口前，流速應(yīng)不大于1m/s，當(dāng)油品浸沒(méi)注入口后，可以提高流速，但最大流速應(yīng)不大于7m/s。

2 流速的關(guān)聯(lián)

2.1 流速與流量的關(guān)聯(lián)

一元不可壓縮流體定?？偭鞯倪B續(xù)性方程，是工程流體力學(xué)中最常用的一個(gè)基本方程。其方程式如下［3］:

V1A1=V2A2=Q

式中，V1－斷面1的平均流速，m/s;

V2－斷面2的平均流速，m/s;

A1－斷面1的面積，m2;

A2－斷面2的面積，m2;

Q－總流的體積流量，m3/s。

該方程的意義如下:

1)沿流程體積流量保持不變?yōu)橐欢ㄖ?

2)平均流速與斷面面積成反比，即斷面面積大流速小，斷面面積小流速大。

將經(jīng)濟(jì)流速及安全流速代入連續(xù)性方程即可求出對(duì)應(yīng)的經(jīng)濟(jì)流量和安全流量。

2.2 流速與壓強(qiáng)的關(guān)聯(lián)

總流伯努利方程是能量守恒定律在流體力學(xué)中的表達(dá)式，廣泛地應(yīng)用于解決流體工程中的實(shí)際問(wèn)題。其方程式如下［3］:

式中，z1、z2－ 斷面 1、2 的位置高度，m;

p1、p2－ 斷面1、2 的壓強(qiáng)，Pa;

v1、v2－ 斷面1、2 的平均流速，m/s;

σ1、σ2－斷面1、2的動(dòng)能修正系數(shù)，工程計(jì)算紊流取1，層流取2;

hw1－2－流體從斷面1到2的水頭損失，m;

g－重力加速度，m/s2;

γ － 重度，N/m3。

分析上式，在管道輸送中，當(dāng)兩斷面位置高度相差不大，且距離較近，水頭損失較小時(shí)，壓強(qiáng)隨流速增大而減小，隨流速減小而增大。工業(yè)中常用的節(jié)流式流量計(jì)如孔板、噴嘴和文德里管等，就是依據(jù)上述工作原理:當(dāng)管路中的液體流經(jīng)節(jié)流裝置時(shí)，液流的過(guò)流斷面縮小，流速增大，壓力降低。在節(jié)流裝置前后產(chǎn)生壓差。液體的流量越大，則節(jié)流裝置前后的壓差也越大。這樣，通過(guò)測(cè)量壓差可以計(jì)算液體流量的大小。需要指出的是，在成品油管道上實(shí)施節(jié)流，節(jié)流斷面面積不宜過(guò)小，過(guò)小有可能產(chǎn)生兩種危害，一是流速過(guò)大，超過(guò)安全流速，引發(fā)事故;二是壓強(qiáng)過(guò)低，低于輸送介質(zhì)的飽和蒸氣壓，發(fā)生汽化，導(dǎo)致氣阻或汽蝕現(xiàn)象。

流速這一看似簡(jiǎn)單平凡的物理量實(shí)際上內(nèi)涵豐富;它與流量、壓強(qiáng)有著密切的關(guān)聯(lián)。它是衡量管道輸送經(jīng)濟(jì)性與安全性的重要指標(biāo)之一。