淺析流速

王朝暉，張永國，趙鵬程，賈 麗

(空軍勤務學院航空軍需與燃料系，江蘇徐州 221000)

流速是表征流體運動狀態的重要物理量，也稱為運動要素。它與管道運輸的經濟性、安全性息息相關。長期以來，有不少人對它的內涵及關聯認識不清，存在模糊甚至是錯誤認識，極易造成嚴重的工作失誤，引發事故。本文旨在通過闡述流速的豐富內涵，分析流速與流量及壓強的內在關聯，澄清模糊及錯誤認識，提高管道運輸的經濟性及安全性。

1 流速的內涵

流速是指流體質點在單位時間內所通過的距離。它是一個矢量，有大小也有方向。其國際單位為m/s。

從流速的定義可以看出，流速應是某一質點的瞬時流速。對于非定常流來說，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時，各質點的流速與時間、空間無關，恒速流動。定常均勻流流速較快且處于紊流狀態時，實驗表明各質點的瞬時流速隨時間的變化而變化，因此，嚴格來說，紊流是非定常流。但在一段足夠長的時間內，其瞬時流速始終在某一平均值上下波動，這個平均值就稱為時間平均流速。用時均值來代替紊流流動中的瞬時值，可把復雜的紊流運動簡化為簡單的時均流動，定常流的公式依舊適用。

在研究圓管流動時，過流斷面為圓形，其上各點的瞬時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，應用起來比較復雜。為簡化起見，我們首先將過流斷面上各點的瞬時流速時均化，然后在整個斷面上平均，即用體積流量除以過流斷面面積得到平均流速。在工程上的水力計算中，我們通常采用的是平均流速。

管道運輸只所以能在現代物流中占有較大份額，競爭力主要體現在管道運輸既安全又經濟。這兩者均與流速有著密不可分的關系。在一定的流量下，流速過大，意味著管路阻力過大，管道輸送的動力成本過大;流速過小，意味著管徑過大，管道輸送的設備投資、管理、保養費用過大;管道輸送只有在經濟流速［1］下運行，總成本最低。根據計算及經驗，油庫內部管道的經濟流速為1～2m/s，外輸管道的經濟流速為1～3m/s。在軍事上，有時為了提高輸油、加油效率，管道輸送油品的流速往往要大于經濟流速，但由于油品的流速增大時，會導致靜電積累增大，增加油品燃燒、爆炸的幾率。因此油品的流速是有限制的，不能超過安全流速［2］。空罐收油，當油品浸沒注入口前，流速應不大于1 m/s，當油品浸沒注入口200 mm后，可以提高流速，但最大流速應不大于7m/s。鐵路油罐車裝卸油，當油品浸沒鶴管口前，或油品內存在明顯水分、雜質時，流速應不大于1 m/s。當油品浸沒鶴管口后，可以提高流速，但最大流速應不大于4.5 m/s。油輪(駁)裝卸油，當油品浸沒注入口前，流速應不大于1m/s，當油品浸沒注入口后，可以提高流速，但最大流速應不大于7m/s。

2 流速的關聯

2.1 流速與流量的關聯

一元不可壓縮流體定常總流的連續性方程，是工程流體力學中最常用的一個基本方程。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為一定值;

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。

將經濟流速及安全流速代入連續性方程即可求出對應的經濟流量和安全流量。

2.2 流速與壓強的關聯

總流伯努利方程是能量守恒定律在流體力學中的表達式，廣泛地應用于解決流體工程中的實際問題。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，Pa;

v1、v2－ 斷面1、2 的平均流速，m/s;

σ1、σ2－斷面1、2的動能修正系數，工程計算紊流取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，當兩斷面位置高度相差不大，且距離較近，水頭損失較小時，壓強隨流速增大而減小，隨流速減小而增大。工業中常用的節流式流量計如孔板、噴嘴和文德里管等，就是依據上述工作原理:當管路中的液體流經節流裝置時，液流的過流斷面縮小，流速增大，壓力降低。在節流裝置前后產生壓差。液體的流量越大，則節流裝置前后的壓差也越大。這樣，通過測量壓差可以計算液體流量的大小。需要指出的是，在成品油管道上實施節流，節流斷面面積不宜過小，過小有可能產生兩種危害，一是流速過大，超過安全流速，引發事故;二是壓強過低，低于輸送介質的飽和蒸氣壓，發生汽化，導致氣阻或汽蝕現象。

流速這一看似簡單平凡的物理量實際上內涵豐富;它與流量、壓強有著密切的關聯。它是衡量管道輸送經濟性與安全性的重要指標之一。