關于水頭損失根源的水力學理論探討

　　水力學研究經(jīng)歷了漫長歷程。早期的古典流體力學，在數(shù)學分析上系統(tǒng)、嚴謹，但計算結果與實驗不盡符合。隨著生產(chǎn)發(fā)展的需要，一些工程師和實際工作者，憑借實地觀測和室內實驗，得出經(jīng)驗公式，或在理論公式中引入經(jīng)驗系數(shù)以解決實際工程問題。前者偏理論重數(shù)學，后者偏經(jīng)驗重實用，但兩者之間存在著一個難以磨合的能量損失問題，它的根源在哪里，它的數(shù)量有多大，成為基礎水力學理論研究中的重要內容。為了解決理想概念給實際流體求解帶來的困難，科學家們作出許多努力，將研究的重點轉移到液體粘性上，創(chuàng)立了邊界層理論、紊流理論等，并在理想流體方程中添加粘性項使之適用于實際流體。液體的粘滯性概念應運而生，成為產(chǎn)生能量損失的最大根源。它的影響力在水力學研究中是相當深遠的，幾乎所有的流體工程，無論是設計施工還是運行監(jiān)測，都離不開對水頭損失進行衡量與估算。

　　然而研究古典流體力學的數(shù)學、力學家們沒有想到，在21世紀的今天，他們所論證的偏重于數(shù)學理論的理想流態(tài)模型可以在真空中存在，并且這種接近理想的流態(tài)同樣可以廣泛應用于各類大型的實際工程當中，它的水頭損失大大降低了，“液體的粘滯性”幾乎不存在了！這是一個驚人的發(fā)現(xiàn)！筆者稱這種新的流體輸送形式為“真空高速流”， 簡稱為“真空流”。對于“真空流”這種特殊流體，國內外尚欠缺這方面研究文獻，本文就是針對這一流體，介紹其形成概況、工程效益以及對水力學理論的影響沖擊，深入探究水頭損失產(chǎn)生的根源。

　?、舱婵樟餍纬筛艣r

　　“真空流”是根據(jù)類似于真空隧道列車可以達到1萬公里/小時等級的高運行速度原理，在輸水管內的某部位形成高速運行所必須的高真空，再利用工程水頭（落差）勢能的拉動牽引，將流體以更高的流速推進。輸水工程的效率將在原來的基礎上大幅度提高，配套直徑300mm－3500mm，管道流體壓力由于受局部高真空的影響，反而降低15%左右，形成“高速低壓”狀態(tài)，有利于保護整個管網(wǎng)。

　　具體實施過程如下：在水庫或水廠高位水池上游的進水口處安裝一臺“潛水式無動力真空虹吸裝置”，在壩體上鋪設真空輸水管道，管道必須高于水面、呈n字形向下游延伸或與原“重力流”管道串接，串接處安裝控制閥門。通過真空液氣交換箱對n字形局部管道充滿水，使高于水面的管內形成真空。開啟串接處及下游閥門，在大氣壓作用下，使水源源不斷通過“潛水式無動力真空虹吸裝置”進入到管內，上升到管道最高點而后下落，在水頭勢能的拉動牽引下流向下游，送往遠程的輸配水管網(wǎng)中，整個輸水運行過程無需耗用電能。這臺“潛水式真空虹吸裝置”是整個真空管道輸水工程中的核心部分，它猶如單向濾板，在進水口處完全阻斷了空氣的進入，只透過水流及其夾帶的雜質、泥沙，在管道內部形成高度真空；自帶的流體整流器，將進入的水流進行梳理，改變水的有旋流動為有勢流動。水體經(jīng)過濾氣、整流，再經(jīng)過真空部位，形成了非常理想的、運行無阻力的、完全充滿整個管（網(wǎng)）道截面的管道均勻流。

　　“真空高速輸水成套設備” 由潛水式無動力真空虹吸裝置、流體整流器、真空液氣交換箱、管道及閥門所組成，歷經(jīng)近20年的潛心研究，2001年被授予發(fā)明專利權，已成功實施于多項輸水工程，輸水距離不限，其流量、流速、壓力、節(jié)能高于任何先進國家的輸水設備與技術，將引發(fā)自人類發(fā)明水泵以來，在管道輸水領域的第二次新的突破和跨越式發(fā)展。它的研制成功已不僅僅是一項技術上的革新，更將開辟出水力學理論中關于“真空流”這片亟待開墾的“處女地”。

　?、痴婵樟髋c重力流對比測試及工程實例

　　關于“重力流”與“壓力流”已為人們所熟悉，這里不贅述。但需要特別強調的是，任何一項“重力流”流體工程，只需在進水頭部進行真空改造，在管徑、水頭、輸水距離等其它工程條件均保持不變前提下，無論進行何種參數(shù)對比，“真空流”都有著“重力流”不可替代的絕對優(yōu)勢，以下進行對比測試。

　　3.1 測試一：長距離重力流引水工程。

　　工程概況：全程16公里，管徑600mm，總水頭41m，原設計流量1萬噸/日，筆者以及其他工程人員在吸水頭部進行真空改造，使其改變?yōu)?ldquo;真空高速流”。

　　測試結果：流量在原基礎上提高50%.

　　3.2 測試二：城鄉(xiāng)給水配水工程。

　　3.2.1 工程概況：兩高位水池池底標高58米，原兩根“重力流”管DN600及DN700在下游3公里處匯合，接入一根1000mm主管向城市配水。

　　測試結果：筆者僅對其中一高位水池DN600管實施“真空流”改造，關閉另一高位水池出水閥門，其單管流量提高到原兩管總流量的115％。

　　3.2.2 工程概況：水廠高位水池池底標高58米，某城內一座20層高樓，頂層標高52米，距水廠8公里。

　　測試結果：采用“重力流”供水，水壓低，10層以上均供不到水；采用“真空流”供水，水自行上到20層，20層出流量仍然很充沛。

　　3.2.3 工程概況：水廠58米的高位水池，城市內一座標高為50米的老水廠水池，采用“重力流”供水，由于水壓太低，只能夠在夜間水壓達5公斤時的非供水負荷高峰期進水。

　　測試結果：對上述高位水池進行“真空流”改造，老水廠水池每天可24小時進水。此時，供水壓力僅4.5公斤。

　　3.2.4 工程概況：一支駐外部隊，距水廠約16公里，用DN100管串接主管向其供水，在距水廠中途約9公里處需進行二次加壓。

　　測試結果：水廠高位水池“重力流”改成“真空流”后，部隊輸水無需中途加壓，直接到水，甚至流量超過經(jīng)過“二次加壓”的“重力流”，同時還將淤積于管道中的大量淤泥從出水口排出。

　　3.2.5 工程概況：偏遠地區(qū)一配水工程，改造前先訪問用戶的用水情況，普遍反映用水難，缺水現(xiàn)象嚴重。一氣象站離水廠最遠，且在小山腰上，常年不到水。

　　測試結果：該工程以同樣方法進行改造，再次訪問用水情況時，反映良好，用戶100％到水，氣象站的工作人員也意外的第一次用上了潔凈的自來水。

　　3.3 測試三：工程夾帶摻氣性質對比。

　　在城市供水管網(wǎng)系統(tǒng)中，往往需要布置一定數(shù)量的排氣閥，以保證水流順暢不受氣體影響，但是排氣閥的排氣效果顯然是不理想的。相比之下，“真空流”能自動將管網(wǎng)內任何角落的“窩存”氣體徹底排除，排氣過程需要6－8小時，并直接于水源進口處把關，防止氣體再次進入管內，可以說是一勞永逸，整個供水系統(tǒng)無需設置排氣閥。

　　3.3.1 工程概況：某城市供水管網(wǎng)，在排氣閥全部開啟狀態(tài)下，處于“不利點”的用戶在供水高峰期用不上水，出水時夾帶大量泡沫。管內水充盈度低，供水不穩(wěn)定。

　　測試結果：筆者給原系統(tǒng)加配一套真空高速輸水系列成套設備，關閉所有排氣閥。供水系統(tǒng)承載負荷能力提高，能夠全天候24小時對整個城市低于高位水池底部3米的任何用戶正常供水，整個管網(wǎng)的水充盈度達99％以上，對比效果相當明顯。在“真空流”試驗5天之后，又重新恢復“重力流”運行，僅3小時，全城斷水，可以證明在排氣閥關閉的情況下“重力流”無法運行。此時打開排氣閥，最靠近高位水池的排氣閥則出現(xiàn)了異?，F(xiàn)象，水夾帶空氣泡沫噴出3米高，排氣持續(xù)2分鐘，充分說明了“重力流”摻氣的嚴重性。

　　3.4 測試四：管口出流的性狀對比

　　觀察大于100mm的管子出水。

　　測試結果：“重力流”管出流呈白色帶氣泡的不均勻水流：“真空流”出流呈無色透明，水流穩(wěn)定且在出口斷面滿管流出。

　　3.5 測試五：流速、流量及管道壓力對比

　　考慮到管道壽命和承受能力，疑問就產(chǎn)生了。“真空流”由于其自身的優(yōu)勢，流速、流量都比“重力流”略勝一籌，按照傳統(tǒng)理論的思維模式，水頭損失必將明顯加大，水流與管壁摩擦阻力也加大，管壁承受的拉應力有可能超過材料的容許抗拉應力而產(chǎn)生“爆管”事故。一般的引水配水工程，設計流量必須局限在一定的范圍之內，避免流速超越臨界值引發(fā)爆管。那么“真空流”會不會產(chǎn)生爆管危險？它流速過大的優(yōu)勢會不會產(chǎn)生其它的副作用？筆者就這個問題，對一項已實施的真空輸水工程進行最大流量的壓力測試。為了達到配水管網(wǎng)的最大流量，筆者打開管網(wǎng)中位于最低點的排污閥，加大流速水頭。同時觀察流量表和壓力表的示數(shù)變化。

　　測試結果：配水流量迅速增加到原來的60％，主管的流速增加到原來的80％，流速、流量均已突破臨界值，而管內壓力反而下降了0.5公斤。

　　通過測試結果，讀者可以欣喜的看到，“真空流”不但具有大幅度提高供水效率的絕對優(yōu)勢，而且更好的保護了供水管網(wǎng)系統(tǒng)。

　?、蠢碚撗芯颗c探討

　　以上如此眾多反常規(guī)的現(xiàn)象發(fā)生，不禁引發(fā)諸多思考，現(xiàn)象的背后蘊涵著怎樣的本質規(guī)律。現(xiàn)在返回本文主題，深入探究一下，水頭損失的根源究竟是什么。

　　排除天然河道、人工渠道等各種明渠水流，其他所有有壓管流均只有“重力流”和“壓力流”兩種輸送形式?？上攵茖W家們完全依據(jù)上述兩種輸水形式的運行結果探究其能量損耗，并把對水頭損失研究的視角深入到液體粘性、管道糙率、斷面特性、水流流態(tài)等種種可能產(chǎn)生影響的因素，但請注意，他們完全忽略了空氣阻力！

　　根據(jù)現(xiàn)代基礎水力學對水頭損失根源的原始表述，認為液體粘滯性起著傳遞運動、使運動保持連續(xù)和阻滯運動的雙重作用。它把一束管流看成是無數(shù)的流層，兩相鄰流層間存在相對運動，流層間產(chǎn)生一對平行切力，稱為“內摩擦力”，由于粘滯性的存在，液體在作相對運動的過程中要克服內摩擦力作功，因此液體的粘滯性是產(chǎn)生能量損失的根源。

　　假定這一理論適用于所有流體，那么照此推理，“真空流”也不例外的具有粘滯性，如果排除空氣對管流的干擾因素，也就是把空氣阻力忽略不計，“真空流”的流速之大，已經(jīng)完全突破了層流與紊流之間的臨界流速，在同等條件下，它的流態(tài)應該比“重力流”更加紊亂，通常工程中本應把真空流放在紊流阻力平方區(qū)來考慮，由于水頭損失的根源——“粘滯性”沒有排除，能量損失必然加劇。然而，根據(jù)經(jīng)典理論所作出的論斷，完全不符合實際，甚至與實際大相徑庭，這絕不是偶然！為了找到“真空流”不喪失能量的奧秘所在，筆者把“真空流”與“重力流”流體所處的環(huán)境進行對比分析，很明顯，其唯一差別就在于管內的氣體環(huán)境。能量損失的根源應該源于空氣對流體的影響。筆者把空氣對流體的阻礙作用簡稱為“氣阻”。

　　在現(xiàn)實的“重力流”長距離輸水、配水工程中，實際的輸水壓力（或輸水量）偏差很大，部分出水口經(jīng)常出現(xiàn)零壓力，人們自然就認為這是沿程水頭損失大于總水頭的緣故，把問題歸咎于液體粘滯性。液體粘滯性的模糊概念在流體科學中造成了相當程度的矛盾和混亂，一方面，在實際流體工程尤其是長距離引水、配水工程的管線中配備了相當數(shù)量且必不可少的排氣閥，若關閉這些排氣閥，流體工程運行的后果是難以想象的，這充分說明管流中不斷有氣體進入到管內，同時又需要不斷被排出；另一方面人們認為水源的進水口通常淹沒至幾米甚至幾十米水深，如水庫涵管、水電站壓力隧洞（引水管）、高位水池底部出水管等，管口與大氣之間隔著厚厚的水層，管內絕不可能摻入氣體，這樣的認識是與現(xiàn)實相當矛盾的。認識的誤區(qū)導致了對配水管網(wǎng)進行水力計算時依然沒有給出一個符合某一限制條件、確切、直觀、通用的計算表達式。一些計算方法和經(jīng)驗公式也存在計算工作量大、過程繁瑣、精度低、適應范圍窄、種類不全等諸多問題，這種局面困擾著不少工程設計人員。那么空氣阻力真的小到可以忽略不計嗎？答案是否定的！現(xiàn)存的兩種輸水形式的共同特點是：在大氣下運行，受到空氣干擾，氣體質點參與液流運行，與液體質點之間相互摩擦碰撞，促使液體剪切變形，液流克服氣體阻力和管道摩阻做功消耗機械能，形成了巨大的水頭損失。水頭損失的真正根源是“氣阻”。

　　科學發(fā)展至今天，人類已經(jīng)可以探索靜態(tài)或者速度有限的微觀世界，然尚無一種科學儀器能夠觀察到動態(tài)的湍急水流進入管道瞬間是否摻雜了氣體，摻入量有多少。大氣壓時時刻刻將氣體以人類肉眼所不能見的微小單元形式溶入水中，即使管口淹沒再深，空氣照樣摻入管內。不僅如此，根據(jù)現(xiàn)實工程的經(jīng)驗，管徑越大，淹沒越深，氣阻越大，空氣摻入量越加可觀。更值得一提的是，“筆者”所研究的“真空高速流”真空部位并沒有發(fā)生所謂的“空化”現(xiàn)象而產(chǎn)生大量氣體，相反卻形成了相當穩(wěn)定的不摻氣流體，這些問題尚待于研究。大型水電站的引水壓力鋼管進水口淹沒深度有的達到五六十米以上，水輪機葉片的金屬表面所受到的汽蝕破壞極有可能和流體本身摻入的空氣有很大關系。水電站壓力引水管內的流速極高，微小氣體分子來不及上浮，就以相當于子彈射擊的速度射向葉片而迅速崩潰，葉片產(chǎn)生氣蝕孔洞破壞現(xiàn)象很有可能就是氣阻在高速水流中的一種極端表現(xiàn)；而在流速相對較慢的管道水力輸送過程當中，這些微小氣體分子會逐漸上浮，并窩存在管道的高凸處，使過流截面積變小，隨著管線的延伸，過流截面逐漸變小，流速、流量、壓力也隨之減小，最后形成空管。這種現(xiàn)象在配水引水工程中比比皆是，而人們卻誤認為是水體粘滯力造成的水頭損失，這是水力學界非常致命的一個理論誤區(qū)。

　?、道碚撎剿骷澳M試驗

　　為了更準確揭示管道中的阻力機制，證明氣阻不但不可忽略不計，甚至可阻斷流體運行，1997年4月，筆者設計并委托清華大學水利水電工程系進行了一組模擬“重力流”輸配水工程中慣見現(xiàn)象的水力實驗，這套實驗裝置雖然結構簡單，管徑較小，距離僅17米，但濃縮了一般長距離輸配水工程的主要特征，其原理與實際工程是吻合的，具有典型意義。

　　本實驗裝置如圖1所示，管徑50毫米，重力流形式，管道在中間有三個M字型起伏，其最高點均低于高位水池水面，管道的進口與出口均安裝控制閥門。試驗的目的原是為了測試本管道系統(tǒng)在采用不同進水方式時的沿程水頭損失，但實驗一開始就出現(xiàn)了意想不到的結果，在凈水頭△h高達1.90米時，輸水距離總長17米，出口閥門B竟然滴水不出！

　　當時在場的許多專家教授大惑不解，即使是讀者現(xiàn)在看到此圖，也有絕大多數(shù)會認為應當出水。按照人們的習慣性思維，“水往低處流”是恒古不變的真理，然而實驗結果的不合邏輯又當如何解釋？只能說明人們的認識還存在局限性。“水不往低處流”這種看似奇異的現(xiàn)象，并不是離我們很遙遠，可以說每座城市的自來水供水系統(tǒng)，每一個長距離引水工程都存在著類似現(xiàn)象，就比如邊遠地區(qū)某三層樓用戶用不到水，人們就認為是沿程水頭損失起了作用，實際卻是氣體在阻礙流體運行，一旦排除氣阻，該用戶就能24小時到水。寫到這里，有些讀者百思不解，城市給水管網(wǎng)高處均安裝了排氣閥，氣阻不是已經(jīng)被排除了？文章前面已經(jīng)提到，氣體是無時不刻摻入管內的，依靠排氣閥只能減弱氣阻，不能完全排除氣阻，只有從水源處從根本上斷絕氣體摻入才是唯一可行、治標治本的辦法。筆者在清華大學進行的實驗中不但演示了實際工程中的氣阻斷流模型，而且還測量出氣阻斷流的臨界摻氣量，推導出一條全新的“氣阻定律”，為節(jié)省篇幅，具體請參見相關資料。

　　上面提到，“真空流”適用于“重力流”工程改造，那么“壓力流”工程能否進行改造，又當如何實施？道理是同樣的，但難度稍大一些，首先要把同等動力的“壓力流”改造成“重力流”，再著手實施“真空流”改造。

　　300多年來，地球上幾乎所有管道輸水都是在大氣壓的狀態(tài)下運行的，只有虹吸管高于水面部分產(chǎn)生負壓，筆者將現(xiàn)有水力學的研究成果歸納成“正壓流”：“真空流”是繼“重力流”和“壓力流”后誕生的第三種輸水形式，由于其出現(xiàn)了一段常規(guī)虹吸管無法比擬的高真空，且其流態(tài)、流速、流量、管內水充盈度等技術參數(shù)均無法用常規(guī)理論解釋與推算，筆者將這項新領域的研究歸納成“負壓流”，它將成為基礎水力學理論研究的新方向，成為水力學不可缺少的組成部分，“正壓流”與“負壓流”理論將相映成輝。

　?、督Y語

　　由此可見，氣阻的作用不可忽視，它是水頭損失最大的根源，水頭損失并非難以控制，遏制了氣阻，大幅度提高輸水效率，降低能量損失，節(jié)約工程投資就不再成為神話！

　　如今的“真空流”，其應用領域已從長距離引水、城鄉(xiāng)給水配水擴展到了防汛抗旱、地下水回灌、水力發(fā)電、工業(yè)循環(huán)水、海洋深處采吸礦石等等二十多個領域。研究者不但要實施更多的工程造福于四方，而且要從工程中提取更多、更精確、更有力的各項數(shù)據(jù)進行更深入的研究探索，從實踐到理論，再從理論回到實踐中去，形成一套完整的“負壓流”理論，融入水力學理論系統(tǒng)，任重而道遠。

　　水力學的發(fā)展同其他學科一樣，依賴于生產(chǎn)實踐和科學實驗，并受科學發(fā)展和社會因素的制約。當我們發(fā)現(xiàn)了“真空高速流”，我們不得不以科學的態(tài)度重新審視水力學理論，并對一些由于受到科學發(fā)展限制而局限的認識進行修正和完善。要對一個已延續(xù)數(shù)百年并在人們腦海中根深蒂固的經(jīng)典理論進行修正，絕非一朝一夕之事，一篇論文、幾個現(xiàn)象似乎微不足道，但實踐永遠是檢驗真理的唯一標準，經(jīng)典理論同樣面臨科學發(fā)展的重新評價與檢驗。