關(guān)于水頭損失根源的水力學(xué)理論探討

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摘要：本文結(jié)合一系列真空管道輸水工程，對(duì)“真空高速流”的流態(tài)進(jìn)行了觀測(cè)，討論了其中遇到的主要水力學(xué)問(wèn)題。指出空氣阻力在現(xiàn)實(shí)工程中對(duì)于入管水流的均勻性、平穩(wěn)性和水頭損失等水力問(wèn)題都有著明顯的作用和影響。闡述了液流粘滯性根源理論存在的誤區(qū)以及“真空流”出現(xiàn)后如何以全新眼光看待液體能量損失問(wèn)題。關(guān)鍵詞：真空高速流水頭損失水力學(xué)氣阻重力流配水工程⒈前言水力學(xué)研究經(jīng)歷了漫長(zhǎng)歷程。早期的古典流體力學(xué)，在數(shù)學(xué)分析上系統(tǒng)、嚴(yán)謹(jǐn)，但計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)不盡符合。隨著生產(chǎn)發(fā)展的需要，一些工程師和實(shí)際工作者，憑借實(shí)地觀測(cè)和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，得出經(jīng)驗(yàn)公式，或在理論公式中引入經(jīng)驗(yàn)系數(shù)以解決實(shí)際工程問(wèn)題。前者偏理論重?cái)?shù)學(xué)，后者偏經(jīng)驗(yàn)重實(shí)用，但兩者之間存在著一個(gè)難以磨合的能量損失問(wèn)題，它的根源在哪里，它的數(shù)量有多大，成為基礎(chǔ)水力學(xué)理論研究中的重要內(nèi)容。為了解決理想概念給實(shí)際流體求解帶來(lái)的困難，科學(xué)家們作出許多努力，將研究的重點(diǎn)轉(zhuǎn)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(xiàng)使之適用于實(shí)際流體。液體的粘滯性概念應(yīng)運(yùn)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(xué)研究中是相當(dāng)深遠(yuǎn)的，幾乎所有的流體工程，無(wú)論是設(shè)計(jì)施工還是運(yùn)行監(jiān)測(cè)，都離不開(kāi)對(duì)水頭損失進(jìn)行衡量與估算。然而研究古典流體力學(xué)的數(shù)學(xué)、力學(xué)家們沒(méi)有想到，在21世紀(jì)的今天，他們所論證的偏重于數(shù)學(xué)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(yīng)用于各類大型的實(shí)際工程當(dāng)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(gè)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(jiǎn)稱為“真空流”。對(duì)于“真空流”這種特殊流體，國(guó)內(nèi)外尚欠缺這方面研究文獻(xiàn)，本文就是針對(duì)這一流體，介紹其形成概況、工程效益以及對(duì)水力學(xué)理論的影響沖擊，深入探究水頭損失產(chǎn)生的根源。⒉真空流形成概況“真空流”是根據(jù)類似于真空隧道列車可以達(dá)到1萬(wàn)公里/小時(shí)等級(jí)的高運(yùn)行速度原理，在輸水管內(nèi)的某部位形成高速運(yùn)行所必須的高真空，再利用工程水頭（落差）勢(shì)能的拉動(dòng)牽引，將流體以更高的流速推進(jìn)。輸水工程的效率將在原來(lái)的基礎(chǔ)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(hù)整個(gè)管網(wǎng)。具體實(shí)施過(guò)程如下：在水庫(kù)或水廠高位水池上游的進(jìn)水口處安裝一臺(tái)“潛水式無(wú)動(dòng)力真空虹吸裝置”，在壩體上鋪設(shè)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(mén)。通過(guò)真空液氣交換箱對(duì)n字形局部管道充滿水，使高于水面的管內(nèi)形成真空。開(kāi)啟串接處及下游閥門(mén)，在大氣壓作用下，使水源源不斷通過(guò)“潛水式無(wú)動(dòng)力真空虹吸裝置”進(jìn)入到管內(nèi)，上升到管道最高點(diǎn)而后下落，在水頭勢(shì)能的拉動(dòng)牽引下流向下游，送往遠(yuǎn)程的輸配水管網(wǎng)中，整個(gè)輸水運(yùn)行過(guò)程無(wú)需耗用電能。這臺(tái)“潛水式真空虹吸裝置”是整個(gè)真空管道輸水工程中的核心部分，它猶如單向?yàn)V板，在進(jìn)水口處完全阻斷了空氣的進(jìn)入，只透過(guò)水流及其夾帶的雜質(zhì)、泥沙，在管道內(nèi)部形成高度真空；自帶的流體整流器，將進(jìn)入的水流進(jìn)行梳理，改變水的有旋流動(dòng)為有勢(shì)流動(dòng)。水體經(jīng)過(guò)濾氣、整流，再經(jīng)過(guò)真空部位，形成了非常理想的、運(yùn)行無(wú)阻力的、完全充滿整個(gè)管（網(wǎng)）道截面的管道均勻流。“真空高速輸水成套設(shè)備”由潛水式無(wú)動(dòng)力真空虹吸裝置、流體整流器、真空液氣交換箱、管道及閥門(mén)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(quán)，已成功實(shí)施于多項(xiàng)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(jìn)國(guó)家的輸水設(shè)備與技術(shù)，將引發(fā)自人類發(fā)明水泵以來(lái)，在管道輸水領(lǐng)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(xiàng)技術(shù)上的革新，更將開(kāi)辟出水力學(xué)理論中關(guān)于“真空流”這片亟待開(kāi)墾的“處女地”。⒊真空流與重力流對(duì)比測(cè)試及工程實(shí)例關(guān)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(qiáng)調(diào)的是，任何一項(xiàng)“重力流”流體工程，只需在進(jìn)水頭部進(jìn)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(wú)論進(jìn)行何種參數(shù)對(duì)比，“真空流”都有著“重力流”不可替代的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，以下進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。3.1測(cè)試一：長(zhǎng)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(shè)計(jì)流量1萬(wàn)噸/日，筆者以及其他工程人員在吸水頭部進(jìn)行真空改造，使其改變?yōu)椤罢婵崭咚倭鳌?。測(cè)試結(jié)果：流量在原基礎(chǔ)上提高50%。3.2測(cè)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(biāo)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(cè)試結(jié)果：筆者僅對(duì)其中一高位水池DN600管實(shí)施“真空流”改造，關(guān)閉另一高位水池出水閥門(mén)，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(biāo)高58米，某城內(nèi)一座20層高樓，頂層標(biāo)高52米，距水廠8公里。測(cè)試結(jié)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(nèi)一座標(biāo)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(dá)5公斤時(shí)的非供水負(fù)荷高峰期進(jìn)水。測(cè)試結(jié)果：對(duì)上述高位水池進(jìn)行“真空流”改造，老水廠水池每天可24小時(shí)進(jìn)水。此時(shí)，供水壓力僅4.5公斤。3.2.4工程概況：一支駐外部隊(duì)，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(jìn)行二次加壓。測(cè)試結(jié)果：水廠高位水池“重力流”改成“真空流”后，部隊(duì)輸水無(wú)需中途加壓，直接到水，甚至流量超過(guò)經(jīng)過(guò)“二次加壓”的“重力流”，同時(shí)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(yuǎn)地區(qū)一配水工程，改造前先訪問(wèn)用戶的用水情況，普遍反映用水難，缺水現(xiàn)象嚴(yán)重。一氣象站離水廠最遠(yuǎn)，且在小山腰上，常年不到水。測(cè)試結(jié)果：該工程以同樣方法進(jìn)行改造，再次訪問(wèn)用水情況時(shí)，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(lái)水。3.3測(cè)試三：工程夾帶摻氣性質(zhì)對(duì)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(dòng)將管網(wǎng)內(nèi)任何角落的“窩存”氣體徹底排除，排氣過(guò)程需要6－8小時(shí)，并直接于水源進(jìn)口處把關(guān)，防止氣體再次進(jìn)入管內(nèi)，可以說(shuō)是一勞永逸，整個(gè)供水系統(tǒng)無(wú)需設(shè)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(kāi)啟狀態(tài)下，處于“不利點(diǎn)”的用戶在供水高峰期用不上水，出水時(shí)夾帶大量泡沫。管內(nèi)水充盈度低，供水不穩(wěn)定。測(cè)試結(jié)果：筆者給原系統(tǒng)加配一套真空高速輸水系列成套設(shè)備，關(guān)閉所有排氣閥。供水系統(tǒng)承載負(fù)荷能力提高，能夠全天候24小時(shí)對(duì)整個(gè)城市低于高位水池底部3米的任何用戶正常供水，整個(gè)管網(wǎng)的水充盈度達(dá)99％以上，對(duì)比效果相當(dāng)明顯。在“真空流”試驗(yàn)5天之后，又重新恢復(fù)“重力流”運(yùn)行，僅3小時(shí)，全城斷水，可以證明在排氣閥關(guān)閉的情況下“重力流”無(wú)法運(yùn)行。此時(shí)打開(kāi)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(shuō)明了“重力流”摻氣的嚴(yán)重性。3.4測(cè)試四：管口出流的性狀對(duì)比觀察大于100mm的管子出水。測(cè)試結(jié)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(wú)色透明，水流穩(wěn)定且在出口斷面滿管流出。3.5測(cè)試五：流速、流量及管道壓力對(duì)比考慮到管道壽命和承受能力，疑問(wèn)就產(chǎn)生了?！罢婵樟鳌庇捎谄渥陨淼膬?yōu)勢(shì)，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(yīng)力有可能超過(guò)材料的容許抗拉應(yīng)力而產(chǎn)生“爆管”事故。一般的引水配水工程，設(shè)計(jì)流量必須局限在一定的范圍之內(nèi)，避免流速超越臨界值引發(fā)爆管。那么“真空流”會(huì)不會(huì)產(chǎn)生爆管危險(xiǎn)？它流速過(guò)大的優(yōu)勢(shì)會(huì)不會(huì)產(chǎn)生其它的副作用？筆者就這個(gè)問(wèn)題，對(duì)一項(xiàng)已實(shí)施的真空輸水工程進(jìn)行最大流量的壓力測(cè)試。為了達(dá)到配水管網(wǎng)的最大流量，筆者打開(kāi)管網(wǎng)中位于最低點(diǎn)的排污閥，加大流速水頭。同時(shí)觀察流量表和壓力表的示數(shù)變化。測(cè)試結(jié)果：配水流量迅速增加到原來(lái)的60％，主管的流速增加到原來(lái)的80％，流速、流量均已突破臨界值，而管內(nèi)壓力反而下降了0.5公斤。通過(guò)測(cè)試結(jié)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(duì)優(yōu)勢(shì)，而且更好的保護(hù)了供水管網(wǎng)系統(tǒng)。⒋理論研究與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(yùn)涵著怎樣的本質(zhì)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?，科學(xué)家們完全依據(jù)上述兩種輸水形式的運(yùn)行結(jié)果探究其能量損耗，并把對(duì)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(qǐng)注意，他們完全忽略了空氣阻力！根據(jù)現(xiàn)代基礎(chǔ)水力學(xué)對(duì)水頭損失根源的原始表述，認(rèn)為液體粘滯性起著傳遞運(yùn)動(dòng)、使運(yùn)動(dòng)保持連續(xù)和阻滯運(yùn)動(dòng)的雙重作用。它把一束管流看成是無(wú)數(shù)的流層，兩相鄰流層間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，流層間產(chǎn)生一對(duì)平行切力，稱為“內(nèi)摩擦力”，由于粘滯性的存在，液體在作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中要克服內(nèi)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(duì)管流的干擾因素，也就是把空氣阻力忽略不計(jì)，“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(yīng)該比“重力流”更加紊亂，通常工程中本應(yīng)把真空流放在紊流阻力平方區(qū)來(lái)考慮，由于水頭損失的根源——“粘滯性”沒(méi)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(shí)際，甚至與實(shí)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(jìn)行對(duì)比分析，很明顯，其唯一差別就在于管內(nèi)的氣體環(huán)境。能量損失的根源應(yīng)該源于空氣對(duì)流體的影響。筆者把空氣對(duì)流體的阻礙作用簡(jiǎn)稱為“氣阻”。在現(xiàn)實(shí)的“重力流”長(zhǎng)距離輸水、配水工程中，實(shí)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(rèn)為這是沿程水頭損失大于總水頭的緣故，把問(wèn)題歸咎于液體粘滯性。液體粘滯性的模糊概念在流體科學(xué)中造成了相當(dāng)程度的矛盾和混亂，一方面，在實(shí)際流體工程尤其是長(zhǎng)距離引水、配水工程的管線中配備了相當(dāng)數(shù)量且必不可少的排氣閥，若關(guān)閉這些排氣閥，流體工程運(yùn)行的后果是難以想象的，這充分說(shuō)明管流中不斷有氣體進(jìn)入到管內(nèi)，同時(shí)又需要不斷被排出；另一方面人們認(rèn)為水源的進(jìn)水口通常淹沒(méi)至幾米甚至幾十米水深，如水庫(kù)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(nèi)絕不可能摻入氣體，這樣的認(rèn)識(shí)是與現(xiàn)實(shí)相當(dāng)矛盾的。認(rèn)識(shí)的誤區(qū)導(dǎo)致了對(duì)配水管網(wǎng)進(jìn)行水力計(jì)算時(shí)依然沒(méi)有給出一個(gè)符合某一限制條件、確切、直觀、通用的計(jì)算表達(dá)式。一些計(jì)算方法和經(jīng)驗(yàn)公式也存在計(jì)算工作量大、過(guò)程繁瑣、精度低、適應(yīng)范圍窄、種類不全等諸多問(wèn)題，這種局面困擾著不少工程設(shè)計(jì)人員。那么空氣阻力真的小到可以忽略不計(jì)嗎？答案是否定的！現(xiàn)存的兩種輸水形式的共同特點(diǎn)是：在大氣下運(yùn)行，受到空氣干擾，氣體質(zhì)點(diǎn)參與液流運(yùn)行，與液體質(zhì)點(diǎn)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(jī)械能，形成了巨大的水頭損失。水頭損失的真正根源是“氣阻”?？茖W(xué)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(wú)一種科學(xué)儀器能夠觀察到動(dòng)態(tài)的湍急水流進(jìn)入管道瞬間是否摻雜了氣體，摻入量有多少。大氣壓時(shí)時(shí)刻刻將氣體以人類肉眼所不能見(jiàn)的微小單元形式溶入水中，即使管口淹沒(méi)再深，空氣照樣摻入管內(nèi)。不僅如此，根據(jù)現(xiàn)實(shí)工程的經(jīng)驗(yàn)，管徑越大，淹沒(méi)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(méi)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(dāng)穩(wěn)定的不摻氣流體，這些問(wèn)題尚待于研究。大型水電站的引水壓力鋼管進(jìn)水口淹沒(méi)深度有的達(dá)到五六十米以上，水輪機(jī)葉片的金屬表面所受到的汽蝕破壞極有可能和流體本身?yè)饺氲目諝庥泻艽箨P(guān)系。水電站壓力引水管內(nèi)的流速極高，微小氣體分子來(lái)不及上浮，就以相當(dāng)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(duì)較慢的管道水力輸送過(guò)程當(dāng)中，這些微小氣體分子會(huì)逐漸上浮，并窩存在管道的高凸處，使過(guò)流截面積變小，隨著管線的延伸，過(guò)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(rèn)為是水體粘滯力造成的水頭損失，這是水力學(xué)界非常致命的一個(gè)理論誤區(qū)。⒌理論探索及模擬試驗(yàn)為了更準(zhǔn)確揭示管道中的阻力機(jī)制，證明氣阻不但不可忽略不計(jì)，甚至可阻斷流體運(yùn)行，1997年4月，筆者設(shè)計(jì)并委托清華大學(xué)水利水電工程系進(jìn)行了一組模擬“重力流”輸配水工程中慣見(jiàn)現(xiàn)象的水力實(shí)驗(yàn)（見(jiàn)圖1），這套實(shí)驗(yàn)裝置雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，管徑較小，距離僅17米，但濃縮了一般長(zhǎng)距離輸配水工程的主要特征，其原理與實(shí)際工程是吻合的，具有典型意義。本實(shí)驗(yàn)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(gè)M字型起伏，其最高點(diǎn)均低于高位水池水面，管道的進(jìn)口與出口均安裝控制閥門(mén)。試驗(yàn)的目的原是為了測(cè)試本管道系統(tǒng)在采用不同進(jìn)水方式時(shí)的沿程水頭損失，但實(shí)驗(yàn)一開(kāi)始就出現(xiàn)了意想不到的結(jié)果，在凈水頭△h高達(dá)1.90米時(shí)，輸水距離總長(zhǎng)17米，出口閥門(mén)B竟然滴水不出！當(dāng)時(shí)在場(chǎng)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(huì)認(rèn)為應(yīng)當(dāng)出水。按照人們的習(xí)慣性思維，“水往低處流”是恒古不變的真理，然而實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不合邏輯又當(dāng)如何解釋？只能說(shuō)明人們的認(rèn)識(shí)還存在局限性?！八煌吞幜鳌边@種看似奇異的現(xiàn)象，并不是離我們很遙遠(yuǎn)，可以說(shuō)每座城市的自來(lái)水供水系統(tǒng)，每一個(gè)長(zhǎng)距離引水工程都存在著類似現(xiàn)象，就比如邊遠(yuǎn)地區(qū)某三層樓用戶用不到水，人們就認(rèn)為是沿程水頭損失起了作用，實(shí)際卻是氣體在阻礙流體運(yùn)行，一旦排除氣阻，該用戶就能24小時(shí)到水。寫(xiě)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(wú)時(shí)不刻摻入管內(nèi)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(biāo)治本的辦法。筆者在清華大學(xué)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中不但演示了實(shí)際工程中的氣阻斷流模型，而且還測(cè)量出氣阻斷流的臨界摻氣量，推導(dǎo)出一條全新的“氣阻定律”，為節(jié)省篇幅，具體請(qǐng)參見(jiàn)相關(guān)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(jìn)行改造，又當(dāng)如何實(shí)施？道理是同樣的，但難度稍大一些，首先要把同等動(dòng)力的“壓力流”改造成“重力流”，再著手