王朝暉,張永國,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)動狀態(tài)的重要物理量,也稱為運(yùn)動要素。它與管道運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)性、安全性息息相關(guān)。長期以來,有不少人對它的內(nèi)涵及關(guān)聯(lián)認(rèn)識不清,存在模糊甚至是錯誤認(rèn)識,極易造成嚴(yán)重的工作失誤,引發(fā)事故。本文旨在通過闡述流速的豐富內(nèi)涵,分析流速與流量及壓強(qiáng)的內(nèi)在關(guān)聯(lián),澄清模糊及錯誤認(rèn)識,提高管道運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)性及安全性。
流速是指流體質(zhì)點(diǎn)在單位時間內(nèi)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(yīng)是某一質(zhì)點(diǎn)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(tài)時,各質(zhì)點(diǎn)的流速與時間、空間無關(guān),恒速流動。定常均勻流流速較快且處于紊流狀態(tài)時,實(shí)驗(yàn)表明各質(zhì)點(diǎn)的瞬時流速隨時間的變化而變化,因此,嚴(yán)格來說,紊流是非定常流。但在一段足夠長的時間內(nèi),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(fù)雜的紊流運(yùn)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(diǎn)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(yīng)用起來比較復(fù)雜。為簡化起見,我們首先將過流斷面上各點(diǎn)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(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,競爭力主要體現(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(shè)備投資、管理、保養(yǎng)費(fèi)用過大;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,會導(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,不能超過安全流速[2]??展奘沼停?dāng)油品浸沒注入口前,流速應(yīng)不大于1 m/s,當(dāng)油品浸沒注入口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)油品浸沒鶴管口前,或油品內(nèi)存在明顯水分、雜質(zhì)時,流速應(yīng)不大于1 m/s。當(dāng)油品浸沒鶴管口后,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)油品浸沒注入口前,流速應(yīng)不大于1m/s,當(dāng)油品浸沒注入口后,可以提高流速,但最大流速應(yīng)不大于7m/s。
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)性方程即可求出對應(yīng)的經(jīng)濟(jì)流量和安全流量。
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,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,液流的過流斷面縮小,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,通過測量壓差可以計(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)流斷面面積不宜過小,過小有可能產(chǎn)生兩種危害,一是流速過大,超過安全流速,引發(fā)事故;二是壓強(qiáng)過低,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。