浅析流速

王朝晖，张永国，赵鹏程，贾 丽

(空军勤务学院航空军需与燃料系，江苏徐州 221000)

流速是表征流体运动状态的重要物理量，也称为运动要素。它与管道运输的经济性、安全性息息相关。长期以来，有不少人对它的内涵及关联认识不清，存在模糊甚至是错误认识，极易造成严重的工作失误，引发事故。本文旨在通过阐述流速的丰富内涵，分析流速与流量及压强的内在关联，澄清模糊及错误认识，提高管道运输的经济性及安全性。

1 流速的内涵

流速是指流体质点在单位时间内所通过的距离。它是一个矢量，有大小也有方向。其国际单位为m/s。

从流速的定义可以看出，流速应是某一质点的瞬时流速。对于非定常流来说，其值是始终变化的，难以确定。在工程上，我们主要研究的是定常均匀流的情况。定常均匀流流速较慢且处于层流状态时，各质点的流速与时间、空间无关，恒速流动。定常均匀流流速较快且处于紊流状态时，实验表明各质点的瞬时流速随时间的变化而变化，因此，严格来说，紊流是非定常流。但在一段足够长的时间内，其瞬时流速始终在某一平均值上下波动，这个平均值就称为时间平均流速。用时均值来代替紊流流动中的瞬时值，可把复杂的紊流运动简化为简单的时均流动，定常流的公式依旧适用。

在研究圆管流动时，过流断面为圆形，其上各点的瞬时流速分布为中心最大，管壁为零，中心与管壁之间流体流速随半径增大变小，应用起来比较复杂。为简化起见，我们首先将过流断面上各点的瞬时流速时均化，然后在整个断面上平均，即用体积流量除以过流断面面积得到平均流速。在工程上的水力计算中，我们通常采用的是平均流速。

管道运输只所以能在现代物流中占有较大份额，竞争力主要体现在管道运输既安全又经济。这两者均与流速有着密不可分的关系。在一定的流量下，流速过大，意味着管路阻力过大，管道输送的动力成本过大;流速过小，意味着管径过大，管道输送的设备投资、管理、保养费用过大;管道输送只有在经济流速［1］下运行，总成本最低。根据计算及经验，油库内部管道的经济流速为1～2m/s，外输管道的经济流速为1～3m/s。在军事上，有时为了提高输油、加油效率，管道输送油品的流速往往要大于经济流速，但由于油品的流速增大时，会导致静电积累增大，增加油品燃烧、爆炸的几率。因此油品的流速是有限制的，不能超过安全流速［2］。空罐收油，当油品浸没注入口前，流速应不大于1 m/s，当油品浸没注入口200 mm后，可以提高流速，但最大流速应不大于7m/s。铁路油罐车装卸油，当油品浸没鹤管口前，或油品内存在明显水分、杂质时，流速应不大于1 m/s。当油品浸没鹤管口后，可以提高流速，但最大流速应不大于4.5 m/s。油轮(驳)装卸油，当油品浸没注入口前，流速应不大于1m/s，当油品浸没注入口后，可以提高流速，但最大流速应不大于7m/s。

2 流速的关联

2.1 流速与流量的关联

一元不可压缩流体定常总流的连续性方程，是工程流体力学中最常用的一个基本方程。其方程式如下［3］:

V1A1=V2A2=Q

式中，V1－断面1的平均流速，m/s;

V2－断面2的平均流速，m/s;

A1－断面1的面积，m2;

A2－断面2的面积，m2;

Q－总流的体积流量，m3/s。

该方程的意义如下:

1)沿流程体积流量保持不变为一定值;

2)平均流速与断面面积成反比，即断面面积大流速小，断面面积小流速大。

将经济流速及安全流速代入连续性方程即可求出对应的经济流量和安全流量。

2.2 流速与压强的关联

总流伯努利方程是能量守恒定律在流体力学中的表达式，广泛地应用于解决流体工程中的实际问题。其方程式如下［3］:

式中，z1、z2－ 断面 1、2 的位置高度，m;

p1、p2－ 断面1、2 的压强，Pa;

v1、v2－ 断面1、2 的平均流速，m/s;

σ1、σ2－断面1、2的动能修正系数，工程计算紊流取1，层流取2;

hw1－2－流体从断面1到2的水头损失，m;

g－重力加速度，m/s2;

γ － 重度，N/m3。

分析上式，在管道输送中，当两断面位置高度相差不大，且距离较近，水头损失较小时，压强随流速增大而减小，随流速减小而增大。工业中常用的节流式流量计如孔板、喷嘴和文德里管等，就是依据上述工作原理:当管路中的液体流经节流装置时，液流的过流断面缩小，流速增大，压力降低。在节流装置前后产生压差。液体的流量越大，则节流装置前后的压差也越大。这样，通过测量压差可以计算液体流量的大小。需要指出的是，在成品油管道上实施节流，节流断面面积不宜过小，过小有可能产生两种危害，一是流速过大，超过安全流速，引发事故;二是压强过低，低于输送介质的饱和蒸气压，发生汽化，导致气阻或汽蚀现象。

流速这一看似简单平凡的物理量实际上内涵丰富;它与流量、压强有着密切的关联。它是衡量管道输送经济性与安全性的重要指标之一。