气体流动概念及其影响因素

1.气体流动分类

1）稳定流动：气体在流动过程中，如果速度v、压力p、密度ρ等物理量都不随时间变化而改变的流动叫“稳定流动”，也称“定常流动”，稳定流动是气体管网中最常见的，如流量控制阀开度一定时，工程压力范围内的气体在管径变化不大的管道内流动时，就可看作是稳定流动。

2）不稳定流动：气体在管内流动，各物理量随时间变化的流动叫“不稳定流动”。这种流动也称“非定常流动”。如气罐的充气过程、气缸的充排气过程、换向阀启闭过程中的流动都属不稳定流动。

3）不可压缩流动和可压缩流动：一定质量的静止气体由于压力改变而导致气体密度改变，这种现象我们称之为气体的压缩性、而实际上空气流动时由于速度的改变也会使气体密度发生变化，实验证明，当流速小于70m/s时，气体密度的相对变化小于2%，这对其他物理参量的影响是完全可以忽略不计的。工程上常将密度变化可以忽略不计的气体流动当作不可压缩的流动。

气体在管道或设备中作流动的情况非常复杂，在高速流动过程中，气体的密度和温度都会发生较大的变化，这种流动称为可压缩流动。例如压缩空气在收缩喷管内的流动就属典型的可压缩流动。

2.气体流动状态

流线是流场中某一瞬间的一条空间曲线，在该线上各点的流体质点所具有的速度方向与曲线在该点的切线方向重合。在稳定流动中，各点速度不随时间变动，因此流线的形状也不随时间变化，在非稳定流动中，由于各点的速度随时间而变化，因此流线的形状也随时间而变化。根据流线形态的不同，管内流体可分为层流和紊流两种基本流态。

（1）层流和紊流 当气体质点在流动方向上呈现有规律的层状流动时，如图5-1a所示，这种流动称为“层流”。只有在管道较细或速度较低的情况下，气体的流线才会呈现层流形状。当流速增大到一定程度或管道较粗时，气体质点进行不规则的紊流运动，此时气体质点不仅在主流方向上向前流动，而且在管道的横截面方向或管道轴向上部会发生所谓的“脉动”。在流线核心内还会形成许多细小的旋涡，如图5-1b所示，这种流动称为紊流。紊流情况下，靠近管壁处很薄的流层内，由于受管壁摩擦的作用仍保持层流状态。气体流动时产生的惯性力和内摩擦力的相互作用是产生旋涡而形成紊流的主要原因。

图5-1 层流和紊流示意图

a）层流 b）紊流

（2）流体形态判别的依据——雷诺数 实验证明，流体的流动状态不仅与流速有关，还和流体种类和管道直径有关。而且无论流体的种类和管道直径如何变化，流体的密度ρ（单位kg/m³）、动力粘度μ（单位Pa·s）或运动粘度υ（单位m²/s）、管道直径d（单位m）及流体的临界流速（单位m/s）这4个物理量按下列方式组合成的无量纲数Re_e不变，而且约为2320，即

Re_e称为“临界雷诺数”。将上式中的临界流速换成流体的实际流速，即可得到管内流体流动的一般雷诺数Re，即：

实验证明，雷诺数越大，越容易形成紊流。工程上常用下两式来判断气体在圆管内流动时的流态：

层流：

紊流：

必须指出，雷诺数的临界值与许多条件有关，如气体进入管子的条件、管壁的粗糙程度、速度分布及气流方向上的压力变化等。在一般情况下，当以同样的平均速度流动时，实际上只有当Re≥10000时，才能呈现稳定的紊流流动。当2320＜Re＜10000时，为层流向紊流的过渡区，运动呈非常稳定状态。

流体在管内发生的许多物理现象，如管内速度分布、过程压力损失及与周遍物体的热量传递速率等都与它们的流动形态有关。

3.流量与速度

（1）流量：单位时间里流过管道截面的气体数量称为“流量”，若气体数量以质量（kg）计称为“质量流量”符号为q_m（Q_m），单位是kg/h，kg/min等；如果气体数量以体积计则称为“容积流量”符号为q_v（Q_v），单位是m³/min，L/min等，除尘技术中常用标准状态下的空气体积作为流量单位，此时可表示为m³/h或m³/min。容积流量与质量流量之间的换算关系为q_m=ρq_v，ρ为气体在计算温度和压力下的密度。在压力不变的条件下，容积流量随温度升高而增加：

q_v=q_{v 0}（1+βt） （5-3）(www.xing528.com)

式中 β——空气的体积膨胀系数，。

（2）平均容积流量 空气流量与速度之间成正比关系，即

q_v=vA（m³/s） （5-4）

式中 q_v——管道中空气的平均容积流量（m³/s）；

v——气体在管道中的平均流速（m/s）；

A——管道截面积（m²）。

气流在管道中流动时，由于管壁的摩擦作用，周围的速度小，中心的速度大，在管道截面上形成不均匀的速度分布，其分布规律与气体流动性质有关。

1）圆管层流时的气体速度：流体在圆直管道中作层流流动时，其速度分布呈抛物线体形状（见图5-2a），管中心流速最大，其值为

式中 d，l——管道的内径和长度（m）；

μ——流体的绝对粘度（Pa·s）；

p₁、p₂——在l管长上空气流股上、下游的压力（Pa）。

图5-2 管道截面上的速度分布图

平均流速

其中：△p_t=p₁-p₂

层流流动的容积流量为

2）圆管紊流时的气体速度：如图5-2b所示，靠近管壁处，y=±R，气流速度v=0。在中心处，y=0，气流速度最大，其值由式（5-5）确定。由于在紊流状态下，主流股中有气体质点的附加纵向运动，使流层间气体质点进行交换和混杂，其结果使气流速度均匀化。所以主流股内流速分布比层流时要均匀。根据理论和实验证明，若忽略边界层影响，紊流时管内气体的平均流速与雷诺数Re有关，当Re增大时，由于紊流程度增加，速度更趋于均匀化：

当Re=2300时，v=0.73v_max （5-8）

当Re＜50000时，v=0.82v_max （5-9）

当Re=500000时，v=0.86v_max （5-10）