关于水头损失根源的水力学理论探讨——管道水力输送中能量损失分析

⒈ 研究目的
　　水力学研究经历了漫长历程。早期的古典流体力学，在数学分析上系统、严谨，但计算结果与实验不尽符合。随着生产发展的需要，一些工程师和实际工作者，凭借实地观测和室内实验，得出经验公式，或在理论公式中引入经验系数以解决实际工程问题。前者偏理论重数学，后者偏经验重实用，但两者之间存在着一个难以磨合的能量损失问题，成为基础水力学理论研究中的重要内容。为了解决理想概念给实际流体求解带来的困难，科学家们作出许多努力，将研究的重点转移到液体粘性上，创立了边界层理论、紊流理论等，并在理想流体方程中添加粘性项使之适用于实际流体。液体的粘滞性概念应运而生，成为产生能量损失的最大根源 ①。
　　然而研究古典流体力学的数学、力学家们没有想到，在 21 世纪的今天，他们所论证的偏重于数学理论的理想流态模型可以在真空中存在，并且这种接近理想的流态同样可以广泛应用于各类大型的实际工程当中，它的水头损失大大降低了，“液体的粘滞性”几乎不存在了！这是一个惊人的发现！笔者称这种新的流体输送形式为“真空高速流”，简称为“真空流”。对于“真空流”这种特殊流体，国内外尚欠缺这方面研究文献，本文就是针对这一流体，介绍其形成概况、工程效益以及对水力学理论的影响冲击，深入探究水头损失产生的根源。

⒉ “真空流”概述
　　“真空流”是根据 虹吸原理，在输水管内的形成局部高真空，利用工程水头（落差）势能的拉动牵引，将流体以更高的流速推进。输水工程效率将在原基础上大幅度提高，管道流体压力由于受局部高真空影响，能降低 15% 左右，形成 “ 高速低压 ” 状态，利于保护整个管网。

　　具体实施过程如下：在水库上游或水厂高位水池的进水口处安装一台“潜水式无动力真空虹吸装置”（如图1），在坝体上铺设真空输水管道，管道必须高于水面、呈 n 字形向下游延伸或与原“重力流”管道串接，串接处安装控制阀门。通过真空液气交换箱对 n 字形局部管道充水，使高于水面的管内形成真空。开启串接处阀门，在大气压作用下，水通过装置进入到管内，上升到管道最高点而后下落，在水头势能的拉动牵引下流向下游，送往远程的输配水管网中，整个输水运行过程无需耗电。这台“潜水式真空虹吸装置”是整个工程的核心部分，它在进水口完全阻断了空气的进入，在管内形成高真空；自带的流体整流器，将进入的水流进行梳理，消减漩涡。水体经过滤气、整流、真空处理，形成了非常理想的、弱阻力、管（网）充盈度极高的管道均匀流。

⒊ “真空流”与“重力流”对比测试及工程实例
　　在管径、水头、输水距离等其它工程条件均保持不变前提下，无论进行何种参数对比，“真空流”都有着“重力流”不可替代的绝对优势，以下进行对比测试。
3.1 测试一：流量对比
3.1.1 工程Ⅰ：全程 16 公里，管径 600mm ，总水头 41m, 原设计流量 1 万吨 / 日，在吸水头部进行真空改造后，流量在原基础上提高 50% 。
3.1.2工程Ⅱ：两高位水池，原两根重力流管 DN600 及 DN700 在下游 3 公里处汇合，接入一根 1000mm 主管向城市配水。仅对其中一高位水池 DN600 管实施“真空流”改造，关闭另一高位水池出水阀门，其单管流量提高到原两管总流量的 115 ％。
3.1.3工程Ⅲ：水厂高位水池58 米，城内一座 20 层高楼，顶层标高 52 米，距水厂 8 公里。采用“重力流”， 10 层以上均供不到水；采用“真空流”，水自行上到 20 层，20 层流量仍然充沛。城内另一座标高为 50 米的老水厂水池，采用“重力流”，只能在夜间水压5kg/c㎡的非高峰期进水；采用“真空流”， 老水厂水池每天可 24 小时进水，且供水压力仅4.5 kg/c㎡。
3.1.4工程Ⅳ：一支驻郊部队，距水厂约 16 公里，用 DN150 管串接主管向其供水，在距水厂中途约 9 公里处需进行二次加压。：水厂高位清水池“重力流”改成“真空流”后，部队输水无需中途加压，直接到水，甚至流量超过经过“二次加压”的“重力流”，同时还将淤积于管道中的大量淤泥从出水口排出。
3.1.5工程Ⅴ：一配水工程，改造前先访问用户的用水情况，普遍反映用水难，缺水现象严重。一气象站离水厂最远，且在小山腰上，常年不到水。该工程以同样方法进行改造，再次访问用水情况时，反映良好，用户 100 ％到水，气象站也意外的第一次用上了洁净的自来水。
3.2 测试二：管道压力对比
3.2.1工程Ⅵ：一“真空流”配水工程，将管网中位于最低点的排泥阀打开，加大流速水头，同时观察流量表和压力表的示数变化。配水流量迅速增加66 ％，主管流速增加85％，流速、流量均剧增，而管内压力反而下降0.5 kg/c㎡。
3.3 测试三：工程夹带掺气性质对比。
3.3.1工程Ⅶ：某城市供水管网，排气阀全部开启状态下，处于“不利点”的用户在供水高峰期用不上水，供水不稳定。进行真空改造后，关闭所有排气阀。供水系统承载负荷能力提高，能够全天候 24 小时对整个城市低于高位水池底部 3 米的任何用户正常供水，整个管网的水充盈度达 99 ％以上，对比效果相当明显。在“真空流”试验 5 天之后，又重新恢复“重力流”运行，仅 2小时，全城断水，此时打开最靠近高位水池的排气阀出现异常现象，水夹带空气泡沫喷出 3 米高，排气持续 2 分钟，充分证明在排气阀关闭情况下“重力流”掺气严重、无法运行。
3.4 测试四：管口出流的性状对比
　　观察大于 100mm 的管子出水。 “重力流”管出流呈白色带气泡的不均匀水流；“真空流”管出流呈无色透明，水流稳定且出口断面满管流出。

⒋ 理论研究与探讨
　　现象的背后蕴涵着深刻的规律。如此众多反常规现象的发生，不禁引发诸多思考，水头损失的根源究竟是什么？
　　根据现代基础水力学对水头损失根源的原始表述，认为液体粘滞性起着传递运动、使运动保持连续和阻滞运动的双重作用，由于粘滞性的存在，液体在作相对运动的过程中要克服内摩擦力作功，其结论为：液体的粘滞性是产生能量损失的根源。如果不改变粘滞力的根源地位且同时否认空气对管流的干扰因素，那么粘滞性给“真空流”所带来的影响，足以使超越层流与紊流之间临界流速的 “真空高速流”流动异常紊乱，并加剧其能量损失。在同等条件下，“真空流”更加难以完成它的远距离输送，更不用谈提高流量与减少管压的作用了。为了找到“真空流”不丧失能量的奥秘所在，笔者把“真空流”与“重力流”流体所处的环境进行对比分析，很明显，其唯一差别就在于管内的气体环境。能量损失的根源必然来自于空气阻力，简称为“气阻”。
　　在“重力流”长距离输配水实际工程中，管线中配备了相当数量且必不可少的排气阀，工程经验告诉我们，关闭排气阀，工程就无法运行，就要发生事故。这充分说明管流中不断有气体进入，同时又需要不断被排出；有些水源进水口常淹没几米甚至几十米水深，如水库涵管、水电站压力隧洞（引水管）、高位水池底部出水管等，管口与大气之间隔着厚厚的水层，如果光凭主观猜想来考虑这样的管道是否掺入气体是不可靠的，只能通过实验或者实际工程来得出结论，然科学发展至今尚无一种科学仪器能够观察到动态的湍急水流进入管道瞬间是否掺杂了气体，掺入量有多少。“真空流”的出现有可能以另一种形式揭示气体与管流的关系。真空流能在完全不开启排气阀情况下达到超大流量，证明在正压环境下，气体分子不断地溶入水中，阻挠了水体正常运行。即使进水管口淹没再深，空气也同样掺入。不仅如此，根据长期以来的工程经验，凡是“重力流”，管径越大，淹没越深，空气掺入量越可观，气阻越大，水头损失越多。
　　引水压力钢管进水口淹没深达五六十米以上的大型水电站，压力引水管内流速极高，微小气体分子来不及上浮，就以相当于子弹射击的速度奔向叶片而迅速崩溃，叶片产生气蚀孔洞破坏现象很有可能就是气阻在高速水流中的一种极端表现；而在流速相对较慢的管道水力输送过程当中，这些微小气体分子会逐渐上浮，并窝存在管道的高凸处，占据着过流面，随着管线的延伸，过流截面逐渐变小，流速、流量、压力也随之减小，最后形成空管。这种现象在引水配水工程中比比皆是，而人们却完全忽视了气体的影响，信奉粘滞力是造成水头损失的第一根源，完全走入理论误区。
　　即使在工程管道安装位置、形式固定不变的情况下，沿程水头损失也不可能一成不变，但其变化与管道管壁粗糙度关系不大，而管外温度、流速大小、介质成分的影响却举足轻重，这些影响最终集中反映在气阻上，当气阻达到一定的临界值，流量将降到最低点，极易造成管道爆裂。外力撞击或者连接问题（不排除管道老化）引起爆管实际上都是次要因素，不应归纳为爆管的主因。

针对重力流存在的问题，我们提出一种见解：在大气下运行的流体，由于受到空气干扰，气体质点参与液流运行，与液体质点之间相互摩擦碰撞，促使液体剪切变形，液流克服气体阻力和管道摩阻做功，消耗机械能，形成巨大的水头损失。水头损失的真正根源是“气阻”。

⒌ 理论探索及模拟试验
　　为了更准确揭示管道中的阻力机制， 证明气阻不但不可忽略不计，甚至可阻断流体运行， 1997 年 4 月，笔者设计并委托清华大学水利水电工程系进行了一组模拟“重力流”输配水工程中惯见现象的水力实验（见图 1），这套实验装置虽然结构简单，距离仅17米，但浓缩了一般长距离输配水工程的主要特征，其原理与实际工程是吻合的，具有典型意义 。
　　本实验装置如图2所示，管径50毫米，“重力流”形式，管道在中间有四个 n 字型起伏，其最高点均低于高位水池水面，管道的进口与出口均安装控制阀门。试验的目的原是为了测试本管道系统在采用不同进水方式时的沿程水头损失，但实验一开始就出现了意想不到的结果，在净水头△h高达1.90米时，出口阀门B与C竟然均滴水不出！

　　当时在场的专家教授均大惑不解，水如何被堵住了？按照习惯性思维，水往低处流。实验结果看似不合逻辑但也体现了认识上存在的局限性。事实上，“水不往低处流”的奇异现象并不遥远，可以说每座城市的自来水系统，每个乡镇的长距离引水工程都存在着类似的现象，比如边远地区某三层楼用户白天用不到水，就是典型的“气阻”现象。
　　那么可能有人会问，城市给水管网高处均安装了排气阀，气阻不是已经被排除了？文章前面提到，气体随时不停地掺入管内，依靠排气阀只能短时间内减弱气阻，不能完全排除气阻，只有从水源处断绝气体掺入才是唯一可行、治标治本的办法。
　　笔者在清华大学进行的实验中不仅演示了实际工程中的气阻断流模型，而且还测量出气阻断流的临界掺气量，并由此推导出相关公式，且命名为“气阻定律”，为避免重复叙述，具体可参见相关资料。
　　从古至今，地球上几乎所有管流工程都是在大气压的状态下运行的，只有虹吸管高出水面部分能够产生负压， “真空流”是继“重力流”和“压力流”后诞生的第三种输水形式，由于其出现了一段常规虹吸管无法比拟的高真空，且其流态、流速、流量、管流充盈度等技术参数均无法用常规理论解释与推算，笔者将现有水力学的研究成果归纳成“正压流”理论，并将这项新领域的研究归纳为“负压流”理论，它将成为基础水力学理论研究的新方向，二者相辅相成，缺一不可。

⒍ 结论
　　由此可见，“气阻”的作用不可小视，它是水头损失最大的根源，遏制了气阻，大幅度提高输水效率，降低能量损失，节约工程投资将立竿见影！
　　如今的“真空流”，其应用领域已从长距离引水、城乡给水配水扩展到了防汛抗旱、水库清淤、地下水回灌、水力发电、工业循环水、海洋深处自动采吸矿石等等二十多个领域。研究者不但要实施更多的工程造福于四方，而且要从工程中提取更多、更精确、更有力的数据进行深入的研究探索，从实践到理论，再从理论回到实践中去，形成一套完整的“负压流”理论，融入水力学理论系统，任重而道远。 当 “真空高速流”走上历史舞台，我们不得不以科学的态度重新审视水力学理论，并对一些由于当时受到科学技术发展限制而局限的认识进行修正和完善。要对一个已延续数百年、并在人们脑海中根深蒂固的经典理论进行修正，绝非一朝一夕之事，我们用事实说话，构筑理论基石，在理论与实践中搭桥。实践永远是检验真理的唯一标准，经典理论同样面临科学发展的重新评价与检验。

参考文献
①《水力学》李家星 陈立德 主编 河海大学出版社 1996年出版
②《气阻定律》翁友彬 阮天恩