谈热工流体流动的基本概念

摘要：自然界和工程实际中，流体流动的问题远较流体静止的问题为多，范围也要广泛得多。如热电厂中锅炉、汽轮机车间里，锅炉向汽轮机输送的蒸汽，汽轮机车间向锅炉输送水，将空气送人炉膛燃烧等等，都要通过各种管道与这些设备连接起来才能完成，而管道中的流体都不是静止的，而是以不同压力和流速连续不断地流动着。因此，研究流体的流动规律及其在生产实践中的应用更具有普遍和重要的意义。

关键词：热工；流体；流动；概念

自然界和工程实际中，流体流动的问题远较流体静止的问题为多，范围也要广泛得多。如热电厂中锅炉、汽轮机车间里，锅炉向汽轮机输送的蒸汽，汽轮机车间向锅炉输送水，将空气送人炉膛燃烧等等，都要通过各种管道与这些设备连接起来才能完成，而管道中的流体都不是静止的，而是以不同压力和流速连续不断地流动着。因此，研究流体的流动规律及其在生产实践中的应用更具有普遍和重要的意义。

1、流速问题

在一个变断面的水槽的上游撒上一大片木屑，这些木屑被水带动一起流动，逐渐连接起来形成一条条的线。可以认为，这些木屑都黏附在水质点上，因而木屑的运动形象地表示水质点的运动，这些线条就是流线。它们不但形象地表示流体流动的方向，还反映了流速的相对大小(在断面上，这些流线排列较稀疏，说明流速较慢，而在断面上，流线的排列较紧密，说明流速较快)及边界形状对流动的影响[离边界愈近，边界对液体质点的影响愈大，流线形状愈接近于边界的形状，在边界形状急剧变化的地方，由于惯性作用，流线将与边界脱离，并在主流和边界之间形成旋涡区]。

与水箱连接的粗细不同的管道上各接上测压管。当阀门关闭时，流体处于静止状态，则测压管中的液柱高度与容器中液位都相等，说明在管内各点处的液体静压力相等。当阀门开启后，管内液体处于运动状态，在容器液位不变的条件下，其测压管中液柱高度不相等，说明各点处液体的压力不相等，由于各管段的横截面积不同，所以液体流经各点处的速度也不相同。不同的压力和流速反映液体的不同运动情况。因此压力和流速是流体的两个基本运动要素。

流体力学，是研究流体(液体和气体)的力学运动规律及其应用的学科。主要研究在各种力的作用下，流体本身的状态，以及流体和固体壁面、流体和流体间、流体与其他运动形态之间的相互作用的力学分支。流体力学是力学的一个重要分支，它主要研究流体本身的静止状态和运动状态，以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流动的规律。在生活、环保、科学技术及工程中具有重要的应用价值。流体力学的基本问题是流速问题，许多流体流动的概念与基本方程都与流速有关。为了反映力学的基本问题是流速问题，许多流体流动的概念与基本方程都与流速有关。

二、稳定流与非稳定流

为研究方便，按运动要素是否随时间而变化，把流体的流动分为稳定流与非稳定流。

当水箱中水位保持不变时，管道中任意一点的流速和压力是不随时间变化的。所以流体的运动要素不随时间变化而只随空间位置变化的流动称为稳定流。如不向水箱内补充水，则水箱水位将随着水的不断流出而逐渐下降，此时流体的运动要素不仅随空间位置的不同而变化，而且还随时间而变化，这种流动称为非稳定流。

严格地说，任何实际流体的流动都是非稳定流。但工程实际认为，只要在相当长一段时间内运动要素变化不大，则可以认为是稳定流。这样既可使研究简化，又能满足工程实际的需要。如在热力发电厂中正常运行状态下的汽、水、油、风、烟的流动(除启动、停止或变负荷外)，一般都可认为是稳定流。所以后面的内容绝大多数都是在稳定流前提下讨论的(除水锤现象外)。

三、缓变流与急变流

如果流动过程中运动要素随坐标位置（流程）而变化，这种流动称为非均匀流。非均匀流的流线不是互相平行的直线。对非均匀流，按照流线不平行和弯曲的程度，可分为渐变流和急变流。流线虽然不是互相平行的直线，但近似于平行直线时的流动称为渐变流（或缓变流）。渐变流过流断面上动水压强的分布规律，可近似地看作与静水压强分布规律相同。若流线之间夹角很大或者流线的曲率半径很小，这种流动称为急变流。急变流时动水压强分布规律，与静水压强分布规律不同。

均匀流和非均匀流的区别在于“流线是否为平行直线”即流线为平行直线的流动称为均匀流，否则是非均匀流。一般等截面直管内的流动时均匀流；而变直径管道内的流动时非均匀流。不管是渐变流还是急变流管道的直径都发生了变化，只是变化程度不同，不过他们都属于非均匀流。

四、过流断面

与所有流线垂直的横断面称为过流断面，其面积用符号A表示，单位为m2。当流线平行时，过流断面是一平面；当流线不平行时，过流断面为一曲面。过流断面是与元流或总流所有流线正交的横断面。过流断面不一定是平面，只有当流线相互平行时，过流断面才为平面，否则为曲面。过流断面的面积确定了轴面速度的平均值。

五、流量

单位时间内通过过流断面的流体数量称为流量。如流体数量用体积表示，称为体积流量，用符号qv表示，单位为m3／s(或m3／h、L／s等)，如流体数量用质量表示，称为质量流量，用符号qm表示，单位是kg／s(或t／h)。

体积流量与质量流量的关系为qm=ρqv

根据定性分析，流量与过流断面积及流速有关。过流断面积是一个几何量，对一定的固体边界，过流断面积是一定的，则流速大，流量就大。

流体运动时由于存在黏性，使各层流速不相等，因此在某一过流断面上各点的实际流速应该是一个变量，这就给定量计算流量带来很大困难。为简化计算，引入了平均流速的概念。

六、平均流速

平均流速是假想的流速，即在过流断面内，各点都有相同的流速，在这种流速下，流过的流量与同断面内各点以实际流速流动时所流过的流量相等。

由于液体都有黏性，液体在管中流动时，在同一截面上各点的流速是不相同的。为方便计算，引入一个平均流速的概念，即假设过流断面上各点的流速均匀分布。流速是指在单位时间内流过单位过流断面的液体体积:v=qv/A .在实际工程中，平均流速才具有应用价值。液压缸工作时，活塞运动的速度就等于缸内液体的平均流速。可以根据上述公式建立起活塞速度v与液压缸有效面积A和流量qv之间的关系：v=qv/A，即输入液压缸的流量决定了活塞运动速度的大小。

参考文献

[1] 雷玉贵．热工动力学．水利水电出版社，2006．

[2] 山东电力集团公司．热工流体流动的基本认识．中国电力出版社，2005．