關于水頭損失根源的水力學理論

關于水頭損失根源的水力學理論探討——管道水力輸送中能量損失分析⒈前言水力學研究經歷了漫長歷程。早期的古典流體力學，在數學分析上系統(tǒng)、嚴謹，但計算結果與實驗不盡符合。隨著生產發(fā)展的需要，一些工程師和實際工作者，憑借實地觀測和室內實驗，得出經驗公式，或在理論公式中引入經驗系數以解決實際工程問題。前者偏理論重數學，后者偏經驗重實用，但兩者之間存在著一個難以磨合的能量損失問題，它的根源在哪里，它的數量有多大，成為基礎水力學理論研究中的重要內容。為了解決理想概念給實際流體求解帶來的困難，科學家們作出許多努力，將研究的重點轉移到液體粘性上，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使之適用于實際流體。液體的粘滯性概念應運而生，成為產生能量損失的最大根源。它的影響力在水力學研究中是相當深遠的，幾乎所有的流體工程，無論是設計施工還是運行監(jiān)測，都離不開對水頭損失進行衡量與估算。然而研究古典流體力學的數學、力學家們沒有想到，在21世紀的今天，他們所論證的偏重于數學理論的理想流態(tài)模型可以在真空中存在，并且這種接近理想的流態(tài)同樣可以廣泛應用于各類大型的實際工程當中，它的水頭損失大大降低了，“液體的粘滯性”幾乎不存在了！這是一個驚人的發(fā)現！筆者稱這種新的流體輸送形式為“真空高速流”，簡稱為“真空流”。對于“真空流”這種特殊流體，國內外尚欠缺這方面研究文獻，本文就是針對這一流體，介紹其形成概況、工程效益以及對水力學理論的影響沖擊，深入探究水頭損失產生的根源。⒉真空流形成概況“真空流”是根據類似于真空隧道列車可以達到1萬公里/小時等級的高運行速度原理，在輸水管內的某部位形成高速運行所必須的高真空，再利用工程水頭（落差）勢能的拉動牽引，將流體以更高的流速推進。輸水工程的效率將在原來的基礎上大幅度提高，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)，有利于保護整個管網。具體實施過程如下：在水庫或水廠高位水池上游的進水口處安裝一臺“潛水式無動力真空虹吸裝置”，在壩體上鋪設真空輸水管道，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。通過真空液氣交換箱對n字形局部管道充滿水，使高于水面的管內形成真空。開啟串接處及下游閥門，在大氣壓作用下，使水源源不斷通過“潛水式無動力真空虹吸裝置”進入到管內，上升到管道最高點而后下落，在水頭勢能的拉動牽引下流向下游，送往遠程的輸配水管網中，整個輸水運行過程無需耗用電能。這臺“潛水式真空虹吸裝置”是整個真空管道輸水工程中的核心部分，它猶如單向濾板，在進水口處完全阻斷了空氣的進入，只透過水流及其夾帶的雜質、泥沙，在管道內部形成高度真空；自帶的流體整流器，將進入的水流進行梳理，改變水的有旋流動為有勢流動。水體經過濾氣、整流，再經過真空部位，形成了非常理想的、運行無阻力的、完全充滿整個管（網）道截面的管道均勻流?！罢婵崭咚佥斔商自O備”由潛水式無動力真空虹吸裝置、流體整流器、真空液氣交換箱、管道及閥門所組成，歷經近20年的潛心研究，2001年被授予發(fā)明專利權，已成功實施于多項輸水工程，輸水距離不限，其流量、流速、壓力、節(jié)能高于任何先進國家的輸水設備與技術，將引發(fā)自人類發(fā)明水泵以來，在管道輸水領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技術上的革新，更將開辟出水力學理論中關于“真空流”這片亟待開墾的“處女地”。⒊真空流與重力流對比測試及工程實例關于“重力流”與“壓力流”已為人們所熟悉，這里不贅述。但需要特別強調的是，任何一項“重力流”流體工程，只需在進水頭部進行真空改造，在管徑、水頭、輸水距離等其它工程條件均保持不變前提下，無論進行何種參數對比，“真空流”都有著“重力流”不可替代的絕對優(yōu)勢，以下進行對比測試。3.1測試一：長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,原設計流量1萬噸/日，筆者以及其他工程人員在吸水頭部進行真空改造，使其改變?yōu)椤罢婵崭咚倭鳌?。測試結果：流量在原基礎上提高50%。3.2測試二：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。測試結果：筆者僅對其中一高位水池DN600管實施“真空流”改造，關閉另一高位水池出水閥門，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高58米，某城內一座20層高樓，頂層標高52米，距水廠8公里。疾測試結果徐：采拔用裳“絹重力丟流燈”鄭供水，水烤壓低踢，恢1副0黎層以上均枯供不到水室；采豪用鉛“梁真空應流副”穴供水，水胡自行上懶到奧2刊0萬層討，壤2看0往層出流量尤仍然很充債沛。典3.2.皇3塵工程概況撥：水飄廠稍5付8餡米的高位厲水池，城帥市內一座情標高使為憂5醫(yī)0嫌米的老水勤廠水池，絞采競用寨“擔重力手流爸”友供水，由閥于水壓太公低，只能低夠在夜間兩水壓譽達沈5齊公斤時的懶非供水負匯荷高峰期歉進水。輪測試結果脹：對上述沸高位水池刊進邊行狡“園真空田流氧”捐改造，老胖水廠水池名每天摘可那2附4歷小時進水拐。此時，捕供水壓力診僅顧4.企5箏公斤。柱3.2.甩4敲工程概況蛾：一支駐濃外部隊，攀距水廠態(tài)約壟1嶼6護公里，云用逆DN10舍0偶管串接主納管向其供孟水，在距答水廠中途怠約討9塞公里處需味進行二次耕加壓。鉆測試結果杯：水廠高葵位水漢池針“藥重力濁流送”寺改似成煌“遮真空朋流既”糖后，部隊賞輸水無需訪中途加壓愁，直接到置水，甚至批流量超過綿經磚過飾“還二次加峰壓殃”薯的仙“歸重力批流撓”素，同時還小將淤積于扣管道中的促大量淤泥捕從出水口損排出。辜3.2徹.5扶工程概況勾：偏遠地讀區(qū)一配水揉工程，改灑造前先訪醋問用戶的禮用水情況冠，普遍反謎映用水難文，缺水現型象嚴重。忌一氣象站劍離水廠最雷遠，且在墓小山腰上銳，常年不珍到水。據測試結果子：該工程豐以同樣方淺法進行改拌造，再次攜訪問用水尺情況時，查反映良好俘，用找戶獎10怠0險％到水，瓜氣象站的飯工作人員課也意外的石第一次用癢上了潔凈聰的自來水逗。雅3.脅3貍測試三：貸工程夾帶穿摻氣性質怎對比。迎在城市供刷水管網系善統(tǒng)中，往誼往需要布息置一定數孫量的排氣縱閥，以保相證水流順宴暢不受氣爺體影響，召但是排氣黃閥的排氣喂效果顯然律是不理想書的。相比路之下授，閃“茶真空父流憂”挨能自動將訪管網內任比何角落但的某“難窩意存煙”斤氣體徹底突排除，排洋氣過程需罪要悼6治－逐8許小時，并庸直接于水堂源進口處悄把關，防深止氣體再三次進入管慨內，可以僅說是一勞炒永逸，整碗個供水系驚統(tǒng)無需設逗置排氣閥拒。居3.3.宅1撤工程概況縫：某城市剃供水管網環(huán)，在排氣丹閥全部開晃啟狀態(tài)下壽，處輛于唯“傭不利緩點委”鐵的用戶在忌供水高峰誓期用不上攏水，出水此時夾帶大奮量泡沫。付管內水充黎盈度低，宰供水不穩(wěn)斷定。諸測試結果鵲：筆者給圖原系統(tǒng)加廁配一套真風空高速輸訓水系列成精套設備，疊關閉所有貫排氣閥。島供水系統(tǒng)憂承載負荷桃能力提高赴，能夠全旱天逝候玉2開4延小時對整丸個城市低廚于高位水貨池底社部醋3纏米的任何謎用戶正常熄供水，整路個管網的職水充盈度慰達喉9看9贈％以上，墊對比效果激相當明顯勾。理在禮“甚真空現流棚”恥試崇驗速5笨天之后，坦又重新恢份復蝴“旦重力會流習”貴運行，駛僅毫3增小時，全篇城斷水，符可以證明恒在排氣閥顯關閉的情敞況釣下醬“餃重力俱流無”糠無法運行缺。此時打淡開排氣閥育，最靠近拐高位水池添的排氣閥號則出現了侮異常現象原，水夾帶混空氣泡沫盜噴枕出廣3怎米高，排斧氣持墾續(xù)際2喜分鐘，充歡分說明配了猾“雖重力橋流農”斧摻氣的嚴例重性。月3.娘4譜測試四：彈管口出流追的性狀對糖比綿觀察大泳于河100開mm觀的管子出蟻水。叢測試結果穿：波“毀重力堤流寇”書管出流呈垂白色帶氣貢泡的不均掠勻水流蒙；覺“程真空頭流爪”姑出流呈無偉色透明，擱水流穩(wěn)定雅且在出口杯斷面滿管牢流出。壟3.扮5告測試五：灶流速、流夜量及管道貍壓力對比擠考慮到管杯道壽命和榆承受能力鞠，疑問就鑼產生了擇。拳“儉真空劣流魔”刑由于其自倆身的優(yōu)勢由，流速、開流量都役比鎮(zhèn)“抽重力甲流液”牢略勝一籌渡，按照傳踢統(tǒng)理論的傲思維模式疼，水頭損狼失必將明哈顯加大，褲水流與管么壁摩擦阻羊力也加大燦，管壁承峰受的拉應稈力有可能區(qū)超過材料氣的容許抗選拉應力而闖產競生暴“葡爆或管坊”復事故。一覆般的引水經配水工程鉗，設計流拜量必須局聲限在一定睜的范圍之銷內，避免排流速超越寺臨界值引裁發(fā)爆管。千那友么申“漂真空庭流逃”慢會不會產寬生爆管危調險？它流碰速過大的顫優(yōu)勢會不匠會產生其駐它的副作腳用？筆者霞就這個問勁題，對一領項已實施丙的真空輸站水工程進挎行最大流填量的壓力謀測試。為者了達到配榴水管網的廉最大流量林，筆者打嚇開管網中埋位于最低尖點的排污狡閥，加大置流速水頭亦。同時觀該察流量表毛和壓力表句的示數變之化。洪測試結果影：配水流覽量迅速增榨加到原來堆的漿6票0烈％，主管膊的流速增害加到原來內的倒8潛0蒜％，流速剪、流量均蒸已突破臨掌界值，而侮管內壓力灣反而下降全了病0.虧5仇公斤。是通過測試要結果，讀炭者可以欣摘喜的看到訓，快“賞真空狹流品”斯不但具有益大幅度提晌高供水效蝕率的絕對釣優(yōu)勢，而推且更好的貞保護了供錢水管網系吹統(tǒng)。疼⒋事理論研究件與探討妹以上如此筋眾多反常營規(guī)的現象驕發(fā)生，不股禁引發(fā)諸豎多思考，另現象的背鏡后蘊涵著衫怎樣的本產質規(guī)律。非現在返回羊本文主題康，深入探笛究一下，寒水頭損失禮的根源究彼竟是什么豈。奸排除天然凈河道、人員工渠道等占各種明渠嘴水流，其惡他所有有盯壓管流均蹤只姓有她“筑重力介流羞”雅和腎“您壓力懲流距”洗兩種輸送雙形式。可轎想而知，診科學家們襯完全依據敬上述兩種遞輸水形式裙的運行結日果探究其花能量損耗鳥，并把對觸水頭損失秘研究的視納角深入到指液體粘性殼、管道糙回率、斷面棉特性、水賤流流態(tài)等疲種種可能礙產生影響叛的因素，成但請注意設，他們完撫全忽略了畢空氣阻力轟！協根據現代叉基礎水力細學對水頭時損失根源兩的原始表碎述，認為丘液體粘滯準性起著傳犯遞運動、叉使運動保炮持連續(xù)和捐阻滯運動霧的雙重作荒用。它把鞠一束管流師看成是無砍數的流層怕，兩相鄰便流層間存育在相對運壺動，流層咐間產生一駛對平行切堪力，稱儲為伍“覆內摩擦卡力黨”摔，由于粘銜滯性的存匪在，液體惹在作相對薪運動的過害程中要克茄服內摩擦沒力作功，壺因此液體削的粘滯性袍是產生能醒量損失的蝶根源。地假定這一走理論適用沖于所有流音體，那么蓮照此推理師，嗽“德真空尺流散”滅也不例外辜的具有粘料滯性，如俗果排除空糧氣對管流槳的干擾因延素，也就廢是把空氣資阻力忽略脹不計吩，任“斤真空扔流莖”阻的流速之獸大，已經月完全突破揮了層流與添紊流之間姓的臨界流嘗速，在同懸等條件下怠，它的流煙態(tài)應該覆比傻“勿重力奔流煉”羅更加紊亂自，通常工考程中本應磁把真空流城放在紊流昨阻力平方乘區(qū)來考慮院，由于水歲頭損失的域根痰源面——劉“府粘滯爽性斯”弄沒有排除末，能量損起失必然加蜘劇。然而剝，根據經弟典理論所樸作出的論齊斷，完全梳不符合實將際，甚至秀與實際大兵相徑庭，六這絕不是今偶然！為責了找方到想“奧真空椅流鞋”旗不喪失能嗚量的奧秘厭所在，筆塞者芳把怖“莖真空熱流嗽”地與蹈“箱重力箏流常”毛流體所處買的環(huán)境進蘭行對比分弄析，很明斬顯，其唯團一差別就召在于管內尺的氣體環(huán)傘境。能量捆損失的根徑源應該源割于空氣對熟流體的影咳響。筆者兵把空氣對箏流體的阻翅礙作用簡似稱典為餃“虹氣曠阻谷”陵。專在現實杯的調“態(tài)重力口流巷”搶長距離輸說水、配水痰工程中，慈實際的輸始水壓力（僅或輸水量分）偏差很饒大，部分湯出水口經襯常出現零煤壓力，人哄們自然就贊認為這是稀沿程水頭避損失大于響總水頭的婦緣故，把析問題歸咎賄于液體粘茂滯性。液到體粘滯性籮的模糊概樓念在流體板科學中造怨成了相當嗎程度的矛缸盾和混亂樓，一方面最，在實際規(guī)流體工程照尤其是長逢距離引水債、配水工螞程的管線害中配備了急相當數量傅且必不可可少的排氣慘閥，若關月閉這些排層氣閥，流袖體工程運曠行的后果肌是難以想搏象的，這抗充分說明納管流中不隱斷有氣體虹進入到管儲內，同時酒又需要不冠斷被排出衡；另一方躬面人們認鮮為水源的蛾進水口通予常淹沒至唯幾米甚至潛幾十米水產深，如水仔庫涵管、壟水電站壓衣力隧洞（終引水管）配、高位水慘池底部出械水管等，汪管口與大起氣之間隔威著厚厚的改水層，管肆內絕不可罩能摻入氣橋體，這樣瞞的認識是應與現實相鋪當矛盾的鍛。認識的分誤區(qū)導致罵了對配水其管網進行惡水力計算撫時依然沒贈有給出一慚個符合某面一限制條乳件、確切縱、直觀、堪通用的計蘇算表達式蹄。一些計絲算方法和蠟經驗公式狼也存在計留算工作量針大、過程趣繁瑣、精丹度低、適句應范圍窄滔、種類不雀全等諸多疼問題，這畫種局面困基擾著不少暑工程設計鄭人員。那億么空氣阻岸力真的小瘦到可以忽梳略不計嗎訊？答案是內否定的！闊現存的兩腹種輸水形筐式的共同悉特點是：鴨在大氣下耳運行，受咬到空氣干掠擾，氣體酒質點參與府液流運行鍛，與液體撇質點之間歲相互摩擦樂碰撞，促財使液體剪愈切變形，趟液流克服傻氣體阻力鏡和管道摩聚阻做功消黎耗機械能跨，形成了例巨大的水師頭損失。努水頭損失程的真正根市源杏是回“內氣啄阻萌”此。餅科學發(fā)展尺至今天，圈人類已經原可以探索備靜態(tài)或者默速度有限菊的微觀世角界，然尚撓無一種科奸學儀器能捕夠觀察到城動態(tài)的湍弦急水流進阻入管道瞬阻間是否摻士雜了氣體蒼，摻入量今有多少。瞇大氣壓時驢時刻刻將根氣體以人哥類肉眼所優(yōu)不能見的頃微小單元牢形式溶入洪水中，即問使管口淹耍沒再深，刪空氣照樣菊摻入管內安。不僅如追此，根據康現實工程雕的經驗，引管徑越大悄，淹沒越趟深，氣阻榆越大，空兵氣摻入量罰越加可觀但。更值得未一提的是攤，授“鄉(xiāng)筆徹者該”經所研究蔥的估“刑真空高速勁流陵”憑真空部位償并沒有發(fā)捉生所謂笛的悄“枯空煙化威”橡現象而產槍生大量氣君體，相反矮卻形成了配相當穩(wěn)定野的不摻氣謙流體，這率些問題尚只待于研究伸。大型水轟電站的引賢水壓力鋼欣管進水口據淹沒深度妖有的達到任五六十米暗以上，水上輪機葉片滲的金屬表決面所受到旅的汽蝕破誠壞極有可犧能和流體翼本身摻入布的空氣有仔很大關系撓。水電站臘壓力引水喇管內的流清速極高，巡微小氣體壇分子來不造及上浮，槐就以相當撐于子彈射季擊的速度女射向葉片結而迅速崩支潰，葉片門產生氣蝕暈孔洞破壞歸現象很有陽可能就是零氣阻在高司速水流中舍的一種極款端表現；箏而在流速憲相對較慢稈的管道水柱力輸送過賴程當中，祥這些微小伶氣體分子抱會逐漸上漠浮，并窩躍存在管道表的高凸處挺，使過流笑截面積變偷小，隨著掙管線的延堡伸，過流辛截面逐漸機變小，流查速、流量廊、壓力也劣隨之減小俊，最后形嫂成空管。爛這種現象茅在配水引齡水工程中寶比比皆是赴，而人們潛卻誤認為規(guī)是水體粘擔滯力造成勁的水頭損哀失，這是躍水力學界任非常致命鄰的一個理秩論誤區(qū)。糾⒌傘理論探索效及模擬試粘驗麗為了更準態(tài)確揭示管州道中的阻騎力機制，匙證明氣阻越不但不可踏忽略不計產，甚至可導阻斷流體淘運行最，朵199陷7數年殃4染月，筆者文設計并委燥托清華大子學水利水喘電工程系貌進行了一派組模弱擬疏“厲重力市流衰”聾輸配水工邪程中慣見壽現象的水擱力實驗（三見吼圖臂1腐），這套啟實驗裝置姨雖然結構窯簡單，管旺徑較小，慧距離高僅技1朝7趟米，但濃界縮了一般岔長距離輸姜配水工程弱的主要特餐征，其原躲理與實際吼工程是吻玩合的，具鞠有典型意降義。喪本實驗裝愉置如執(zhí)圖煤1蕉所示，管是徑偽5蹄0吩毫米，重藍力流形式諷，管道在棕中間有三千個革M屯字型起伏爹，其最高幅點均低于詞高位水池坡水面，管宵道的進口紛與出口均廢安裝控制碌閥門。試添驗的目的蝴原是為了及測試本管太道系統(tǒng)在約采用不同目進水方式抹時的沿程午水頭損失就，但實驗叉一開始就雪出現了意嶺想不到的魄結果，在溫凈水閑頭呀△條h腦高達陣1.90刷米時，輸午水距離總卵長悼17介米，出口宣閥門擦B多竟然滴水耳不出！巡當時在場生的許多專截家教授大貌惑不解，腿即使是讀融者現在看濾到此圖，洞也有絕大墻多數會認菠為應當出燒水。按照挖人們的習訴慣性思維旱，饅“剛水往低處服流悠”荒是恒古不私變的真理晝，然而實驚驗結果的伴不合邏輯士又當如何邀解釋？只貿能說明人突們的認識吧還存在局占限性穩(wěn)。絡“錘水不往低留處生流睜”部這種看似以奇異的現友象，并不隔是離我們子很遙遠，裕可以說每鑰座城市的融自來水供來水系統(tǒng)，償每一個長膨距離引水羞工程都存娛在著類似骨現象，就騙比如邊遠列地區(qū)某三星層樓用戶席用不到水毅，人們就劃認為是沿撇程水頭損貓失起了作薄用，實際蝴卻是氣體率在阻礙流糟體運行，獸一旦排除井氣阻，該鋸用戶就膏能牧2孟4譜小時到水蔑。寫到這誠里，有些虧讀者百思叛不解，城尋市給水管丘網高處均聲安裝了排勒氣閥，氣賓阻不是已攀經被排除嘴了？文章精前面已經吼提到，氣澆體是無時警不刻摻入外管內的，智依靠排氣重閥只能減吩弱氣阻，丑不能完全友排除氣阻候，只有從允水源處從勸根本上斷嬌絕氣體摻片入才是唯穴一可行、撲治標治本亦的辦法。槳筆者在清李華大學進萍行的實驗蔽中不但演塑示了實際弄工程中的雖氣阻斷流撤模型，而趟且還測量慰出氣阻斷簡流的臨界五摻氣量，企推導出一潔條全新輩的止“急氣阻定落律用”智，為節(jié)省如篇幅，具度體請參見行相關資料允。較上面提到基，敏“豪真空掙流自”訊適用梳于欣“莊重力鋪流戚”蠟工程改造保，那語么壯“代壓力月流俯”振工程能否些進行改造客，又當如弓何實施？雷道理是同杏樣的，但汗難度稍大暫一些，首厘先要把同圈等動力纏的資“朽壓力耗流格”漂改造坊成默“第重力干流厭”厭，再著手更實摟施壇“摔真空密流茅”勾改造。呀30醒0鍋多年來，買地球上幾斧乎所有管咱道輸水都絕是在大氣據壓的狀態(tài)傻下運行的歡，只有虹暗吸管高于蠢水面部分舉產生負壓許，筆者將浮現