关于水头损失本源的水力学理论探讨.docx

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关于水头损失本源的水力学理论探讨

关于水头损失本源的水力学理论探讨

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，讨论了其中碰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。

论述了液流粘滞性本源理论存在的误区和“真空流”出现后如何以全新目光看待液体能量损失问题。

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。

初期的古典流体力学，在数学分析上系统、严谨，但计算结果与实验不尽符合。

随着生产进展的需要，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，但二者之间存在着一个难以磨合的能量损失问题，它的本源在哪里，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，科学家们作出许多尽力，将研究的重点转移到液体粘性上，创建了边界层理论、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本源。

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，无论是设计施工仍是运行监测，都离不开对水头损失进行衡量与估算。

但是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能够在真空中存在，而且这种接近理想的流态一样能够普遍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！

这是一个惊人的发觉！

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、工程效益和对水力学理论的影响冲击，深切探讨水头损失产生的本源。

⒉真空流形成概况

“真空流”是按照类似于真空隧道列车能够达到1万千米/小时品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需的高真空，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动。

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。

具体实施进程如下：

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，管道必需高于水面、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。

通过真空液气互换箱对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，整个输水运行进程无需耗用电能。

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份，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。

水体通过滤气、整流，再通过真空部位，形成了超级理想的、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、真空液气互换箱、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冲破和跨越式进展。

它的研制成功已不单单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维持不变前提下，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。

测试一：

长距离重力流引水工程。

工程概况：

全程16千米，管径600mm，总水头41m,原设计流量1万吨/日，笔者和其他工程人员在吸水头部进行真空改造，使其改变成“真空高速流”。

测试结果：

流量在原基础上提高50%。

测试二：

城乡给水配水工程。

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3千米处汇合，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％。

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8千米。

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。

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5千克时的非供水负荷顶峰期进水。

测试结果：

对上述高位水池进行“真空流”改造，老水厂水池天天可24小时进水。

现在，供水压力仅千克。

工程概况：

一支驻外军队，距水厂约16千米，用DN100管串接主管向其供水，在距水厂半途约9千米处需进行二次加压。

测试结果：

水厂高位水池“重力流”改成“真空流”后，军队输水无需半途加压，直接到水，乃至流量超过通过“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。

工程概况：

偏远地域一配水工程，改造前先访问用户的用水情形，普遍反映用水难，缺水现象严峻。

一气象站离水厂最远，且在小山腰上，常年不到水。

测试结果：

该工程以一样方式进行改造，再次访问用水情形时，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干净的自来水。

测试三：

工程夹带掺气性质对比。

在城市供水管网系统中，往往需要布置必然数量的排气阀，以保证水流顺畅不受气体影响，可是排气阀的排气效果显然是不睬想的。

相较之下，“真空流”能自动将管网内任何角落的“窝存”气体完全排除，排气进程需要6－8小时，并直接于水源入口处把关，避免气体再次进入管内，能够说是一劳永逸，整个供水系统无需设置排气阀。

工程概况：

某城市供水管网，在排气阀全数开启状态下，处于“不利点”的用户在供水顶峰期用不上水，出水时夹带大量泡沫。

管内水充盈度低，供水不稳固。

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”实验5天以后，又从头恢复“重力流”运行，仅3小时，全城断水，能够证明在排气阀关闭的情形下“重力流”无法运行。

现在打开排气阀，最靠近高位水池的排气阀则出现了异样现象，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”掺气的严峻性。

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，水流稳固且在出口断面满管流出。

测试五：

流速、流量及管道压力对比

考虑到管道寿命和经受能力，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，依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，管壁经受的拉应力有可能超过材料的允许抗拉应力而产生“爆管”事故。

一般的引水配水工程，设计流量必需局限在必然的范围之内，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？

笔者就那个问题，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转变。

测试结果：

配水流量迅速增加到原来的60％，主管的流速增加到原来的80％，流速、流量均已冲破临界值，而管内压力反而下降了千克。

通过测试结果，读者能够欣喜的看到，“真空流”不但具有大幅度提高供水效率的绝对优势，而且更好的保护了供水管网系统。

⒋理论研究与探讨

以上如此众多反常规的现象发生，不由引发诸多试探，现象的背后蕴涵着如何的本质规律。

此刻返回本文主题，深切探讨一下，水头损失的本源究竟是什么。

排除天然河道、人工渠道等各类明渠水流，其他所有有压管流均只有“重力流”和“压力流”两种输送形式。

可想而知，科学家们完全依据上述两种输水形式的运行结果探讨其能量损耗，并把对水头损失研究的视角深切到液体粘性、管道糙率、断面特性、水流流态等各种可能产生影响的因素，但请注意，他们完全忽略了空气阻力！

按照现代基础水力学对水头损失本源的原始表述，以为液体粘滞性起着传递运动、使运动维持持续和阻滞运动的双重作用。

它把一束管流看成是无数的流层，两相邻流层间存在相对运动，流层间产生一对平行切力，称为“内摩擦力”，由于粘滞性的存在，液体在作相对运动的进程中要克服内摩擦力作功，因此液体的粘滞性是产生能量损失的本源。

假定这一理论适用于所有流体，那么照此推理，“真空流”也不例外的具有粘滞性，若是排除空气对管流的干扰因素，也就是把空气阻力忽略不计，“真空流”的流速之大，已经完全冲破了层流与紊流之间的临界流速，在同样条件下，它的流态应该比“重力流”加倍紊乱，通常工程中本应把真空流放在紊流阻力平方区来考虑，由于水头损失的本源——“粘滞性”没有排除，能量损失必然加重。

但是，按照经典理论所作出的论断，完全不符合实际，乃至与实际截然不同，这绝不是偶然！

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，其唯一不同就在于管内的气体环境。

能量损失的本源应该源于空气对流体的影响。

笔者把空气对流体的阻碍作用简称为“气阻”。

在现实的“重力流”长距离输水、配水工程中，实际的输水压力（或输水量）误差专门大，部份出水口常常出现零压力，人们自然就以为这是沿程水头损失大于总水头的缘故，把问题归咎于液体粘滞性。

液体粘滞性的模糊概念在流体科学中造成了相当程度的矛盾和混乱，一方面，在实际流体工程尤其是长距离引水、配水工程的管线中配备了相当数量且必不可少的排气阀，若关闭这些排气阀，流体工程运行的后果是难以想象的，这充分说明管流中不断有气体进入到管内，同时又需要不断被排出；另一方面人们以为水源的进水口通常淹没至几米乃至几十米水深，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，管口与大气之距离着厚厚的水层，管内绝不可能掺入气体，如此的熟悉是与现实相当矛盾的。

熟悉的误区致使了对配水管网进行水力计算时仍然没有给出一个符合某一限制条件、确切、直观、通用的计算表达式。

一些计算方式和经验公式也存在计算工作量大、进程繁琐、精度低、适应范围窄、种类不全等诸多问题，这种局面困扰着很多工程设计人员。

那么空气阻力真的小到能够忽略不计吗？

答案是不是定的！

现存的两种输水形式的一路特点是：

在大气下运行，受到空气干扰，气体质点参与液流运行，与液体质点之间彼此摩擦碰撞，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，形成了庞大的水头损失。

水头损失的真正本源是“气阻”。

科学进展至今天，人类已经能够探索静态或速度有限的微观世界，然尚无一种科学仪器能够观察到动态的湍急水流进入管道刹时是不是搀杂了气体，掺入量有多少。

大气压不时刻刻将气体以人类肉眼所不能见的微小单元形式溶入水中，即便管口淹没再深，空气照样掺入管内。

不仅如此，按照现实工程的经验，管