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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
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，無論是設(shè)計(jì)施工還是運(yùn)行監(jiān)測(cè)，都離不開對(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)施過程如下：在水庫或水廠高位水池上游的進(jìn)水口處安裝一臺(tái)“潛水式無動(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。通過真空液氣交換箱對(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(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)行過程無需耗用電能。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)過濾氣、整流，再經(jīng)過真空部位，形成了非常理想的、運(yùn)行無阻力的、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，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”。
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)椤罢婵崭咚倭鳌薄?/p>
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。