關(guān)于水頭損失根源的水力學(xué)理論探討

1、關(guān)于水頭損失根源的水力學(xué)理論探討 06-03-07 11:50:00 作者：翁友彬 翁怡萌編輯：studa9ngns摘要：本文結(jié)合一系列真空管道輸水工程，對“真空高速流”的流態(tài)進行了觀測，討論了其中遇到的主要水力學(xué)問題。指出空氣阻力在現(xiàn)實工程中對于入管水流的均勻性、平穩(wěn)性和水頭損失等水力問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 前言水力學(xué)研究經(jīng)歷了漫長歷程。早期的古典流體力學(xué)，在數(shù)學(xué)分析上系統(tǒng)、嚴謹，但計算結(jié)果與實驗不盡符合。隨著生產(chǎn)發(fā)展的需要，一些工程師

2、和實際工作者，憑借實地觀測和室內(nèi)實驗，得出經(jīng)驗公式，或在理論公式中引入經(jīng)驗系數(shù)以解決實際工程問題。前者偏理論重數(shù)學(xué)，后者偏經(jīng)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(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際流體求解帶來的困難，科學(xué)家們作出許多努力，將研究的重點轉(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使之適用于實際流體。液體的粘滯性概念應(yīng)運而生，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)深遠的，幾乎所有的流體工程，無論是設(shè)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

3、古典流體力學(xué)的數(shù)學(xué)、力學(xué)家們沒有想到，在21世紀的今天，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”， 簡稱為“真空流”。對于“真空流”這種特殊流體，國內(nèi)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(xué)理論的影響沖擊，深入探究水頭損失產(chǎn)生的根源。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到1萬公里/小時等級的高運行速度原理，在輸水管內(nèi)的某部位形成高速運行所必

4、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(chǔ)上大幅度提高，配套直徑300mm3500mm，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(wǎng)。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(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。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(nèi)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

5、管內(nèi)，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(wǎng)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(zhì)、泥沙，在管道內(nèi)部形成高度真空；自帶的流體整流器，將進入的水流進行梳理，改變水的有旋流動為有勢流動。水體經(jīng)過濾氣、整流，再經(jīng)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(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(jīng)近20年的潛心研究，2001年被授予

6、發(fā)明專利權(quán)，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(shè)備與技術(shù)，將引發(fā)自人類發(fā)明水泵以來，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技術(shù)上的革新，更將開辟出水力學(xué)理論中關(guān)于“真空流”這片亟待開墾的“處女地”。真空流與重力流對比測試及工程實例關(guān)于“重力流”與“壓力流”已為人們所熟悉，這里不贅述。但需要特別強調(diào)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(shù)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：

7、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(shè)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(jié)果：流量在原基礎(chǔ)上提高50%。3.2 測試二：城鄉(xiāng)給水配水工程。測試結(jié)果：筆者僅對其中一高位水池DN600管實施“真空流”改造，關(guān)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。測試結(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。測試結(jié)果：對上述高位水池進行“真空流”改造，老水廠水池每天可24小時進水。此時，供水壓力僅4.5公斤。測試結(jié)果：

8、水廠高位水池“重力流”改成“真空流”后，部隊輸水無需中途加壓，直接到水，甚至流量超過經(jīng)過“二次加壓”的“重力流”，同時還將淤積于管道中的大量淤泥從出水口排出。測試結(jié)果：該工程以同樣方法進行改造，再次訪問用水情況時，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水。3.3 測試三：工程夾帶摻氣性質(zhì)對比。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”能自動將管網(wǎng)內(nèi)任何角落的“窩存”氣體徹底排除，排氣過程需要68小時，并直接于水源進口處把關(guān)，防止氣體再次進入管內(nèi)，可以說是一勞永逸，整個

9、供水系統(tǒng)無需設(shè)置排氣閥。測試結(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)承載負荷能力提高，能夠全天候24小時對整個城市低于高位水池底部3米的任何用戶正常供水，整個管網(wǎng)的水充盈度達99以上，對比效果相當(dāng)明顯。在“真空流”試驗5天之后，又重新恢復(fù)“重力流”運行，僅3小時，全城斷水，可以證明在排氣閥關(guān)閉的情況下“重力流”無法運行。此時打開排氣閥，最靠近高位水池的排氣閥則出現(xiàn)了異常現(xiàn)象，水夾帶空氣泡沫噴出3米高，排氣持續(xù)2分鐘，充分說明了“重力流”摻氣的嚴重性。3.4 測試四：管口出流的性狀對比觀察大于100mm的管子出水。測試結(jié)果：“重力流”管出流呈白色帶氣泡的不均勻水流；“真空流”出流呈無色透明，水流穩(wěn)定且在出口斷面滿管流出。3.5 測試五：流速、流量及管道壓力對比考慮到管道壽命和承受能力，疑問就產(chǎn)生了。“真空流”由于其自身的優(yōu)勢，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”會不會產(chǎn)生爆管危險？它流速過大的優(yōu)勢會不會產(chǎn)生其它的副作用？筆者就這個問題，對一項已實施的真空輸水工程進行最大流量的壓力測試。為了達到配水管網(wǎng)的最大流量，筆者打