关于水头损失根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。
　　 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。
　　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、流量均已突破临界值，而管内压力反而下降了0.5公斤。
　　通过测试结果，读者可以欣喜的看到，“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，不禁引发诸多思考，现象的背后蕴涵着怎样的本质规律。现在返回本文主题，深入探究一下，水头损失的根源究竟是什么。
　　排除天然河道、人工渠道等各种明渠水流，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究其能量损耗，并把对水头损失研究的视角深入到液体粘性、管道糙率、断面特性、水流流态等种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！
　　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。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过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根源。
　　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，如果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，已经完全突破了层流与紊流之间的临界流速，在同等条件下，它的流态应该比“重力流”更加紊乱，通常工程中本应把真空流放在紊流阻力平方区来考虑，由于水头损失的根源——“粘滞性”没有排除，能量损失必然加剧。然而，根据经典理论所作出的论断，完全不符合实际，甚至与实际大相径庭，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，其唯一差别就在于管内的气体环境。能量损失的根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）偏差很大，部分出水口经常出现零压力，人们自然就认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；另一方面人们认为水源的进水口通常淹没至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，管内绝不可能掺入气体，这样的认识是与现实相当矛盾的。认识的误区导致了对配水管网进行水力计算时依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。一些计算方法和经验公式也存在计算工作量大、过程繁琐、精度低、适应范围窄、种类不全等诸多问题，这种局面困扰着不少工程设计人员。那么空气阻力真的小到可以忽略不计吗？答案是否定的！现存的两种输水形式的共同特点是：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，形成了巨大的水头损失。水头损失的真正根源是“气阻”。
　　科学发展至今天，人类已经可以探索静态或者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瞬间是否掺杂了气体，掺入量有多少。大气压时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，即使管口淹没再深，空气照样掺入管内。不仅如此，根据现实工程的经验，管径越大，淹没越深，气阻越大，空气掺入量越加可观。更值得一提的是，“笔者”所研究的“真空高速流”真空部位并没有发生所谓的“空化”现象而产生大量气体，相反却形成了相当稳定的不掺气流体，这些问题尚待于研究。大型水电站的引水压力钢管进水口淹没深度有的达到五六十米以上，水轮机叶片的金属表面所受到的汽蚀破坏极有可能和流体本身掺入的空气有很大关系。水电站压力引水管内的流速极高，微小气体分子来不及上浮，就以相当于子弹射击的速度射向叶片而迅速崩溃，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，使过流截面积变小，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。这种现象在配水引水工程中比比皆是，而人们却误认为是水体粘滞力造成的水头损失，这是水力学界非常致命的一个理论误区。
　　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，这套实验装置虽然结构简单，管径较小，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1所示，管径50毫米，重力流形式，管道在中间有三个M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，输水距离总长17米，出口阀门B竟然滴水不出！
　　当时在场的许多专家教授大惑不解，即使是读者现在看到此图，也有绝大多数会认为应当出水。按照人们的习惯性思维，“水往低处流”是恒古不变的真理，然而实验结果的不合逻辑又当如何解释？只能说明人们的认识还存在局限性。“水不往低处流”这种看似奇异的现象，并不是离我们很遥远，可以说每座城市的自来水供水系统，每一个长距离引水工程都存在着类似现象，就比如边远地区某三层楼用户用不到水，人们就认为是沿程水头损失起了作用，实际却是气体在阻碍流体运行，一旦排除气阻，该用户就能24小时到水。写到这里，有些读者百思不解，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？文章前面已经提到，气体是无时不刻掺入管内的，依靠排气阀只能减弱气阻，不能完全排除气阻，只有从水源处从根本上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但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，推导出一条全新的“气阻定律”，为节省篇幅，具体请参见相关资料。
　　上面提到，“真空流”适用于“重力流”工程改造，那么“压力流”工程能否进行改造，又当如何实施？道理是同样的，但难度稍大一些，首先要把同等动力的“压力流”改造成“重力流”，再着手实施“真空流”改造。
　　300多年来，地球上几乎所有管道输水都是在大气压的状态下运行的，只有虹吸管高于水面部分产生负压，笔者将现有水力学的研究成果归纳成“正压流”：“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、管内水充盈度等技术参数均无法用常规理论解释与推算，笔者将这项新领域的研究归纳成“负压流”，它将成为基础水力学理论研究的新方向，成为水力学不可缺少的组成部分，“正压流”与“负压流”理论将相映成辉。
　　⒍结语
　　由此可见，气阻的作用不可忽视，它是水头损失最大的根源，水头损失并非难以控制，遏制了气阻，大幅度提高输水效率，降低能量损失，节约工程投资就不再成为神话！
　　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、地下水回灌、水力发电、工业循环水、海洋深处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、更有力的各项数据进行更深入的研究探索，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。
　　水力学的发展同其他学科一样，依赖于生产实践和科学实验，并受科学发展和社会因素的制约。当我们发现了“真空高速流”，我们不得不以科学的态度重新审视水力学理论，并对一些由于受到科学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，一篇论文、几个现象似乎微不足道，但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。