關于水頭損失根源的水力學理論探討

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翁友彬翁怡萌（泉州市豐澤大禹真空輸水科技有限公司）摘要：本文結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。關鍵詞：真空高速流水頭損失水力學氣阻重力流配水工程DiscussiononTheSourceofTheHeadLossofTheHydraulics——PipewaterpowertransportstheinsideenergylosestheanalysisAbstract:Thisarticletogetherwithaseriesofwatertransportwithinthevacuumtubeathighspeedsoastoobserveitsfluidization&todiscusstheprincipalproblemsoccurredduringitscourseofflow,soastopointoutthatairobstructionhasapparentaction&influenceontheuniformofthewaterwithinthetube;ontheheadloss,uniformity&stabilityaswell.Moreover,itclearlymanifeststhatthereissomemistakesinthetheoryofviscosityonwaterflowtogetherwiththeflowwiththevacuumtube,soastodemonstratethatwehavetodemonstrate&toadaptanewviewconcerningtheproblemoffluidenergyloss.Keywords:Fluidfloathighspeedwithinthevacuumtubewater,Headloss;Hydraulics;AirResistance;Gravityflow;Waterworks⒈研究目的

水力學研究經歷了漫長歷程。早期的古典流體力學，在數(shù)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(shù)以解決實際工程問題。前者偏理論重數(shù)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，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。源。⒉“真空流”概述“真空流”是根據(jù)虹吸原理，在輸水管內的形成局部高真空，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。輸水工程效率將在原基礎上大幅度提高，管道流體壓力由于受局部高真空影響，能降低10%左右，形成“高速低壓”狀態(tài)，利于保護整個管網。具體實施過程如下：在水庫上游或水廠高位水池的進水口處安裝一臺“潛水式無動力真空虹吸裝置”（如圖1），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字形局部管道充水，使高于水面的管內形成真空。開啟串接處閥門，在大氣壓作用下，水通過裝置進入到管內，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電。這臺“潛水式真空虹吸裝置”是整個工程的核心部分，它在進水口完全阻斷了空氣的進入，在管內形成高真空；自帶的流體整流器，將進入的水流進行梳理，消減漩渦。水體經過濾氣、整流、真空處理，形成了非常理想的、弱阻力、管（網）充盈度極高的管道均勻流。⒊“真空流”與“重力流”對比測試及工程實例在管徑、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：流量對比3.1.1工程Ⅰ：全程16公里，管徑600mm，總水頭41m,原設計流量1萬噸/日，在吸水頭部進行真空改造后，流量在原基礎上提高50%。3.1.2工程Ⅱ：兩高位水池，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。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％。3.1.3工程Ⅲ：水廠高位水池58米，城內一座20層高樓，頂層標高52米，距水廠8公里。采用“重力流”，10層以上均供不到水；采用“真空流”，水自行上到20層，20層流量仍然充沛。城內另一座標高為50米的老水廠水池，采用“重力流”，只能在夜間水壓5kg/c㎡的非高峰期進水；采用“真空流”，老水廠水池每天可24小時進水，且供水壓力僅4.5kg/c㎡。3.1.4工程Ⅳ：一支駐郊部隊，距水廠約16公里，用DN150管串接主管向其供水，在距水廠中途約9公里處需進行二次加壓。：水廠高位清水池“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。3.1.5工程Ⅴ：一配水工程，改造前先訪問用戶的用水情況，普遍反映用水難，缺水現(xiàn)3.2測試二：管道壓力對比3.2.1工程Ⅵ：一“真空流”配水工程，將管網中位于最低點的排泥閥打開，加大流速水頭，同時觀察流量表和壓力表的示數(shù)變化。配水流量迅速增加66％，主管流速增加85％，流速、流量均劇增，而管內壓力反而下降0.5kg/c㎡。3.3測試三：工程夾帶摻氣性質對比。3.3.1工程Ⅶ：某城市供水管網，排氣閥全部開啟狀態(tài)下，處于“不利點”的用戶在供水高峰期用不上水，供水不穩(wěn)定。進行真空改造后，關閉所有排氣閥。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，整個管網的水充盈度達99％以上，對比效果相當明顯。在“真空流”試驗5天之后，又重新恢復“重力流”運行，僅2小時，全城斷水，此時打開最靠近高位水池的排氣閥出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，水夾帶空氣泡沫噴出3米高，排氣持續(xù)2分鐘，充分證明在排氣閥關閉情況下“重力流”摻氣嚴重、無法運行。3.4測試四：管口出流的性狀對比觀察大于100mm的管子出水?！爸亓α鳌惫艹隽鞒拾咨珟馀莸牟痪鶆蛩?；“真空流”管出流呈無色透明，水流穩(wěn)定且出口斷面滿管流出。⒋理論研究與探討現(xiàn)象的背后蘊涵著深刻的規(guī)律。

如此眾多反常規(guī)現(xiàn)象的發(fā)生，不禁引發(fā)諸多思考，水頭損失的根源究竟是什么？根據(jù)現(xiàn)代基礎水力學對水頭損失根源的原始表述，認為液體粘滯性起著傳遞運動、使運動保持連續(xù)和阻滯運動的雙重作用，由于粘滯性的存在，液體在作相對運動的過程中要克服內摩擦力作功，其結論為：液體的粘滯性是產生能量損失的根源。如果不改變粘滯力的根源地位且同時否認空氣對管流的干擾因素，那么粘滯性給“真空流”所帶來的影響，足以使超越層流與紊流之間臨界流速的“真空高速流”流動異常紊亂，并加劇其能量損失。在同等條件下，“真空流”更加難以完成它的遠距離輸送，更不用談提高流量與減少管壓的作用了。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)境進行對比分析，很明顯，其唯一差別就在于管內的氣體環(huán)境。能量損失的根源必然來自于空氣阻力，簡稱為“氣阻”。引水壓力鋼管進水口淹沒深達五六十米以上的大型水電站，壓力引水管內流速極高，微小氣體分子來不及上浮，就以相當于子彈射擊的速度奔向葉片而迅速崩潰，葉片產生氣蝕孔洞破壞現(xiàn)象很有可能就是氣阻在高速水流中的一種極端表現(xiàn)；而在流速相對較慢的管道水力輸送過程當中，這些微小氣體分子會逐漸上浮，并窩存在管道的高凸處，占據(jù)著過流面，隨著管線的延伸，過流截面逐漸變小，流速、流量、壓力也隨之減小，最后形成空管。這種現(xiàn)象在引水配水工程中比比皆是，而人們卻完全忽視了氣體的影響，信奉粘滯力是造成水頭損失的第一根源，完全走入理論誤區(qū)。

即使在工程管道安裝位置、形式固定不變的情況下，沿程水頭損失也不可能一成不變，但其變化與管道管壁粗糙度關系不大，而管外溫度、流速大小、介質成分的影響卻舉足輕重，這些影響最終集中反映在氣阻上，當氣阻達到一定的臨界值，流量將降到最低點，極易造成管道爆裂。外力撞擊或連接問題（不排除管道老化）引起爆管都是次要因素，不應歸納為爆管的主因。針對重力流存在的問題，我們提出一種見解：在大氣下運行的流體，由于受到空氣干擾，氣體質點參與液流運行，與液體質點之間相互摩擦碰撞，促使液體剪切變形，液流克服氣體阻力和管道摩阻做功，消耗機械能，形成巨大的水頭損失。水頭損失的真正根源應是氣阻。⒌理論探索及模擬試驗

為了更準確揭示管道中的阻力機制，證明氣阻不但不可忽略不計，甚至可阻斷流體運行，1997年4月，筆者設計并委托清華大學水利水電工程系進行了一組模擬“重力流”輸配水工程中慣見現(xiàn)象的水力實驗（見圖1），這套實驗裝置雖然結構簡單，距離僅17米，但濃縮了一般長距離輸配水工程的主要特征，其原理與實際工程是吻合的，具有典型意義。本實驗裝置如圖2所示，管徑50毫米，“重力流”形式，管道在中間有四個n字型起伏，其最高點均低于高位水池水面，管道的進口與出口均安裝控制閥門。試驗的目的原是為了測試本管道系統(tǒng)在采用不同進水方式時的沿程水頭損失，但實驗一開始就出現(xiàn)了意想不到的結果，在凈水頭△h高達1.90米時，出口閥門B與C竟然均滴水不出！當時在場的專家教授均大惑不解，水如何被堵住了？按照習慣性思維，水往低處流。實驗結果看似不合邏輯但也體現(xiàn)了認識上存在的局限性。事實上，“水不往低處流”的奇異現(xiàn)象并不遙遠，可以說每座城市的自來水系統(tǒng)，每項長距離引水工程都存在著類似現(xiàn)象，比如邊遠地區(qū)某三層樓用戶白天用不到水，就是典型的“氣阻”現(xiàn)象。那么可能有人會問，城市給水管網高處均安裝了排氣閥，氣阻不是已經被排除了？文章前面提到，氣體隨時不停地摻入管內，依靠排氣閥只能短時間內減弱氣阻，不能完全排除氣阻，只有從水源處斷絕氣體摻入才是唯一可行、治標治本的辦法。筆者在清華大學進行的實驗中不僅演示了實際工程中的氣阻斷流模型，而且還測量出氣阻斷流的臨界摻氣量，并由此推導出相關公式，且命名為“氣阻定律”②，為避免重復敘述，具體可參見相關資料。從古至今，地球上幾乎所有管流工程都是在大氣壓的狀態(tài)下運行的，只有虹吸管高出水面部分能夠產生負壓，“真空流”是繼“重力流”和“壓力流”后誕生的第三種輸水形式，由于其出現(xiàn)了一段常規(guī)虹吸管無法比擬的高真空，且其流態(tài)、流速、流量、管流充盈度等技術參數(shù)均無法用常規(guī)理論解釋與推