⒈ 研究目的
　　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(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，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 ①。
　　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(xiàn)，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。

⒉ “真空流”概述
　　“真空流”是根據(jù) 虹吸原理，在輸水管內(nèi)的形成局部高真空，利用工程水頭（落差）勢能的拉動(dòng)牽引，將流體以更高的流速推進(jìn)。輸水工程效率將在原基礎(chǔ)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 15% 左右，形成 “ 高速低壓 ” 狀態(tài)，利于保護(hù)整個(gè)管網(wǎng)。

　　具體實(shí)施過程如下：在水庫上游或水廠高位水池的進(jìn)水口處安裝一臺“潛水式無動(dòng)力真空虹吸裝置”（如圖1），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 字形局部管道充水，使高于水面的管內(nèi)形成真空。開啟串接處閥門，在大氣壓作用下，水通過裝置進(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)行過程無需耗電。這臺“潛水式真空虹吸裝置”是整個(gè)工程的核心部分，它在進(jìn)水口完全阻斷了空氣的進(jìn)入，在管內(nèi)形成高真空；自帶的流體整流器，將進(jìn)入的水流進(jìn)行梳理，消減漩渦。水體經(jīng)過濾氣、整流、真空處理，形成了非常理想的、弱阻力、管（網(wǎng)）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(shí)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(jìn)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(jìn)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(shè)計(jì)流量 1 萬噸 / 日，在吸水頭部進(jìn)行真空改造后，流量在原基礎(chǔ)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(shí)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 ％。
3.1.3工程Ⅲ：水廠高位水池58 米，城內(nèi)一座 20 層高樓，頂層標(biāo)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(nèi)另一座標(biāo)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(jìn)水；采用“真空流”， 老水廠水池每天可 24 小時(shí)進(jìn)水，且供水壓力僅4.5 kg/c㎡。
3.1.4工程Ⅳ：一支駐郊部隊(duì)，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(jìn)行二次加壓。：水廠高位清水池“重力流”改成“真空流”后，部隊(duì)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(shí)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)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。該工程以同樣方法進(jìn)行改造，再次訪問用水情況時(shí)，反映良好，用戶 100 ％到水，氣象站也意外的第一次用上了潔凈的自來水。
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(wǎng)中位于最低點(diǎn)的排泥閥打開，加大流速水頭，同時(shí)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(nèi)壓力反而下降0.5 kg/c㎡。
3.3 測試三：工程夾帶摻氣性質(zhì)對比。
3.3.1工程Ⅶ：某城市供水管網(wǎng)，排氣閥全部開啟狀態(tài)下，處于“不利點(diǎn)”的用戶在供水高峰期用不上水，供水不穩(wěn)定。進(jìn)行真空改造后，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 2小時(shí)，全城斷水，此時(shí)打開最靠近高位水池的排氣閥出現(xiàn)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，充分證明在排氣閥關(guān)閉情況下“重力流”摻氣嚴(yán)重、無法運(yùn)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。 “重力流”管出流呈白色帶氣泡的不均勻水流；“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(yùn)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(chǔ)水力學(xué)對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，由于粘滯性的存在，液體在作相對運(yùn)動(dòng)的過程中要克服內(nèi)摩擦力作功，其結(jié)論為：液體的粘滯性是產(chǎn)生能量損失的根源。如果不改變粘滯力的根源地位且同時(shí)否認(rèn)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(dòng)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(yuǎn)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(jìn)行對比分析，很明顯，其唯一差別就在于管內(nèi)的氣體環(huán)境。能量損失的根源必然來自于空氣阻力，簡稱為“氣阻”。
　　在“重力流”長距離輸配水實(shí)際工程中，管線中配備了相當(dāng)數(shù)量且必不可少的排氣閥，工程經(jīng)驗(yàn)告訴我們，關(guān)閉排氣閥，工程就無法運(yùn)行，就要發(fā)生事故。這充分說明管流中不斷有氣體進(jìn)入，同時(shí)又需要不斷被排出；有些水源進(jìn)水口常淹沒幾米甚至幾十米水深，如水庫涵管、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，如果光憑主觀猜想來考慮這樣的管道是否摻入氣體是不可靠的，只能通過實(shí)驗(yàn)或者實(shí)際工程來得出結(jié)論，然科學(xué)發(fā)展至今尚無一種科學(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。“真空流”的出現(xiàn)有可能以另一種形式揭示氣體與管流的關(guān)系。真空流能在完全不開啟排氣閥情況下達(dá)到超大流量，證明在正壓環(huán)境下，氣體分子不斷地溶入水中，阻撓了水體正常運(yùn)行。即使進(jìn)水管口淹沒再深，空氣也同樣摻入。不僅如此，根據(jù)長期以來的工程經(jīng)驗(yàn)，凡是“重力流”，管徑越大，淹沒越深，空氣摻入量越可觀，氣阻越大，水頭損失越多。
　　引水壓力鋼管進(jìn)水口淹沒深達(dá)五六十米以上的大型水電站，壓力引水管內(nèi)流速極高，微小氣體分子來不及上浮，就以相當(dāng)于子彈射擊的速度奔向葉片而迅速崩潰，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)；而在流速相對較慢的管道水力輸送過程當(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，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(guān)系不大，而管外溫度、流速大小、介質(zhì)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(dāng)氣阻達(dá)到一定的臨界值，流量將降到最低點(diǎn)，極易造成管道爆裂。外力撞擊或者連接問題（不排除管道老化）引起爆管實(shí)際上都是次要因素，不應(yīng)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(yùn)行的流體，由于受到空氣干擾，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，形成巨大的水頭損失。水頭損失的真正根源是“氣阻”。

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”輸配水工程中慣見現(xiàn)象的水力實(shí)驗(yàn)（見圖 1），這套實(shí)驗(yàn)裝置雖然結(jié)構(gòu)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(shí)際工程是吻合的，具有典型意義 。
　　本實(shí)驗(yàn)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(gè) n 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。試驗(yàn)的目的原是為了測試本管道系統(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)，出口閥門B與C竟然均滴水不出！

　　當(dāng)時(shí)在場的專家教授均大惑不解，水如何被堵住了？按照習(xí)慣性思維，水往低處流。實(shí)驗(yàn)結(jié)果看似不合邏輯但也體現(xiàn)了認(rèn)識上存在的局限性。事實(shí)上，“水不往低處流”的奇異現(xiàn)象并不遙遠(yuǎn)，可以說每座城市的自來水系統(tǒng)，每個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的長距離引水工程都存在著類似的現(xiàn)象，比如邊遠(yuǎn)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(huì)問，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？文章前面提到，氣體隨時(shí)不停地?fù)饺牍軆?nèi)，依靠排氣閥只能短時(shí)間內(nèi)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(biāo)治本的辦法。
　　筆者在清華大學(xué)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中不僅演示了實(shí)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(dǎo)出相關(guān)公式，且命名為“氣阻定律”，為避免重復(fù)敘述，具體可參見相關(guān)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(yùn)行的，只有虹吸管高出水面部分能夠產(chǎn)生負(fù)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(shù)參數(shù)均無法用常規(guī)理論解釋與推算，筆者將現(xiàn)有水力學(xué)的研究成果歸納成“正壓流”理論，并將這項(xiàng)新領(lǐng)域的研究歸納為“負(fù)壓流”理論，它將成為基礎(chǔ)水力學(xué)理論研究的新方向，二者相輔相成，缺一不可。

⒍ 結(jié)論
　　由此可見，“氣阻”的作用不可小視，它是水頭損失最大的根源，遏制了氣阻，大幅度提高輸水效率，降低能量損失，節(jié)約工程投資將立竿見影！
　　如今的“真空流”，其應(yīng)用領(lǐng)域已從長距離引水、城鄉(xiāng)給水配水?dāng)U展到了防汛抗旱、水庫清淤、地下水回灌、水力發(fā)電、工業(yè)循環(huán)水、海洋深處自動(dòng)采吸礦石等等二十多個(gè)領(lǐng)域。研究者不但要實(shí)施更多的工程造福于四方，而且要從工程中提取更多、更精確、更有力的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入的研究探索，從實(shí)踐到理論，再從理論回到實(shí)踐中去，形成一套完整的“負(fù)壓流”理論，融入水力學(xué)理論系統(tǒng)，任重而道遠(yuǎn)。 當(dāng) “真空高速流”走上歷史舞臺，我們不得不以科學(xué)的態(tài)度重新審視水力學(xué)理論，并對一些由于當(dāng)時(shí)受到科學(xué)技術(shù)發(fā)展限制而局限的認(rèn)識進(jìn)行修正和完善。要對一個(gè)已延續(xù)數(shù)百年、并在人們腦海中根深蒂固的經(jīng)典理論進(jìn)行修正，絕非一朝一夕之事，我們用事實(shí)說話，構(gòu)筑理論基石，在理論與實(shí)踐中搭橋。實(shí)踐永遠(yuǎn)是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)典理論同樣面臨科學(xué)發(fā)展的重新評價(jià)與檢驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)
①《水力學(xué)》李家星 陳立德 主編 河海大學(xué)出版社 1996年出版
②《氣阻定律》翁友彬 阮天恩