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关于水头损失根源的水力学理论探讨
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内容提示：本文结合一系列真空管道输水工程，对“真空高速流”的流态进行了观测，讨论了其中遇到的主要水力学问题。指出空气阻力在现实工程中对于入管水流的均匀性、平稳性和水头损失等水力问题都有着明显的作用和影响。阐述了液流粘滞性根源理论存在的误区以及“真空流”出现后如何以全新眼光看待液体能量损失问题。
摘要：本文结合一系列真空管道输水工程，对“真空高速流”的流态进行了观测，讨论了其中遇到的主要水力学问题。指出空气阻力在现实工程中对于入管水流的均匀性、平稳性和水头损失等水力问题都有着明显的作用和影响。阐述了液流粘滞性根源理论存在的误区以及“真空流”出现后如何以全新眼光看待液体能量损失问题。（参考《建筑中文网》）
关键词：真空高速流 水头损失 水力学 气阻 重力流 配水工程
⒈前言
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，它的根源在哪里，它的数量有多大，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。它的影响力在水力学研究中是相当深远的，几乎所有的流体工程，无论是设计施工还是运行监测，都离不开对水头损失进行衡量与估算。
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真空流形成概况
“真空流”是根据类似于真空隧道列车可以达到1万公里/小时等级的高运行速度原理，在输水管内的某部位形成高速运行所必须的高真空，再利用工程水头（落差）势能的拉动牵引，将流体以更高的流速推进。输水工程的效率将在原来的基础上大幅度提高，配套直径300mm-3500mm，管道流体压力由于受局部高真空的影响，反而降低15%左右，形成“高速低压”状态，有利于保护整个管网。
具体实施过程如下：在水库或水厂高位水池上游的进水口处安装一台“潜水式无动力真空虹吸装置”，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字形局部管道充满水，使高于水面的管内形成真空。开启串接处及下游阀门，在大气压作用下，使水源源不断通过“潜水式无动力真空虹吸装置”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用电能。这台“潜水式真空虹吸装置”是整个真空管道输水工程中的核心部分，它犹如单向滤板，在进水口处完全阻断了空气的进入，只透过水流及其夹带的杂质、泥沙，在管道内部形成高度真空；自带的流体整流器，将进入的水流进行梳理，改变水的有旋流动为有势流动。水体经过滤气、整流，再经过真空部位，形成了非常理想的、运行无阻力的、完全充满整个管（网）道截面的管道均匀流。
“真空高速输水成套设备” 由潜水式无动力真空虹吸装置、流体整流器、真空液气交换箱、管道及阀门所组成，历经近20年的潜心研究，2001年被授予发明专利权，已成功实施于多项输水工程，输水距离不限，其流量、流速、压力、节能高于任何先进国家的输水设备与技术，将引发自人类发明水泵以来，在管道输水领域的第二次新的突破和跨越式发展。它的研制成功已不仅仅是一项技术上的革新，更将开辟出水力学理论中关于“真空流”这片亟待开垦的“处女地”。
⒊真空流与重力流对比测试及工程实例
关于“重力流”与“压力流”已为人们所熟悉，这里不赘述。但需要特别强调的是，任何一项“重力流”流体工程，只需在进水头部进行真空改造，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：长距离重力流引水工程。
工程概况：全程16公里，管径600mm，总水头41m，原设计流量1万吨/日，笔者以及其他工程人员在吸水头部进行真空改造，使其改变为“真空高速流”。
测试结果：流量在原基础上提高50%.
3.2 测试二：城乡给水配水工程。
3.2.1 工程概况：两高位水池池底标高58米，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。
测试结果：笔者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%。
3.2.2 工程概况：水厂高位水池池底标高58米，某城内一座20层高楼，顶层标高52米，距水厂8公里。
测试结果：采用“重力流”供水，水压低，10层以上均供不到水；采用“真空流”供水，水自行上到20层，20层出流量仍然很充沛。
3.2.3 工程概况：水厂58米的高位水池，城市内一座标高为50米的老水厂水池，采用“重力流”供水，由于水压太低，只能够在夜间水压达5公斤时的非供水负荷高峰期进水。
测试结果：对上述高位水池进行“真空流”改造，老水厂水池每天可24小时进水。此时，供水压力仅4.5公斤。
3.2.4 工程概况：一支驻外部队，距水厂约16公里，用DN100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。
测试结果：水厂高位水池“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。
3.2.5 工程概况：偏远地区一配水工程，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。
测试结果：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，气象站的工作人员也意外的第一次用上了洁净的自来水。
3.3 测试三：工程夹带掺气性质对比。
在城市供水管网系统中，往往需要布置一定数量的排气阀，以保证水流顺畅不受气体影响，但是排气阀的排气效果显然是不理想的。相比之下，“真空流”能自动将管网内任何角落的“窝存”气体彻底排除，排气过程需要6-8小时，并直接于水源进口处把关，防止气体再次进入管内，可以说是一劳永逸，整个供水系统无需设置排气阀。
3.3.1 工程概况：某城市供水管网，在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，出水时夹带大量泡沫。管内水充盈度低，供水不稳定。
测试结果：笔者给原系统加配一套真空高速输水系列成套设备，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3小时，全城断水，可以证明在排气阀关闭的情况下“重力流”无法运行。此时打开排气阀，最靠近高位水池的排气阀则出现了异常现象，水夹带空气泡沫喷出3米高，排气持续2分钟，充分说明了“重力流”掺气的严重性。
3.4 测试四：管口出流的性状对比
观察大于100mm的管子出水。
测试结果：“重力流”管出流呈白色带气泡的不均匀水流：“真空流”出流呈无色透明，水流稳定且在出口断面满管流出。
3.5 测试五：流速、流量及管道压力对比
考虑到管道寿命和承受能力，疑问就产生了。“真空流”由于其自身的优势，流速、流量都比“重力流”略胜一筹，按照传统理论的思维模式，水头损失必将明显加大，水流与管壁摩擦阻力也加大，管壁承受的拉应力有可能超过材料的容许抗拉应力而产生“爆管”事故。一般的引水配水工程，设计流量必须局限在一定的范围之内，避免流速超越临界值引发爆管。那么“真空流”会不会产生爆管危险？它流速过大的优势会不会产生其它的副作用？笔者就这个问题，对一项已实施的真空输水工程进行最大流量的压力测试。为了达到配水管网的最大流量，笔者打开管网中位于最低点的排污阀，加大流速水头。同时观察流量表和压力表的示数变化。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200610/6581.htm
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