关于水头损失根源的水力学理论探讨

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1、关于水头损失根源的水力学理论探讨摘要：本文结合一系列真空管道输水工程，对“真空高速流”的流态进行了观测，讨论了其中遇到的主要水力学问题。指出空气阻力在现实工程中对于入管水流的均匀性、平稳性和水头损失等水力问题都有着明显的作用和影响。阐述了液流粘滞性根源理论存在的误区以及“真空流”出现后如何以全新眼光看待液体能量损失问题。关键词：真空高速流水头损失水力学气阻重力流配水工程⒈前言水力学研究经历了漫长历程。早期的古典流体力学，在数学分析上系统、严谨，但计算结果与实验不尽符合。随着生产发展的需要，一些工程师和实际工作者，凭借实地观测和室内实

2、验，得出经验公式，或在理论公式中引入经验系数以解决实际工程问题。前者偏理论重数学，后者偏经验重实用，但两者之间存在着一个难以磨合的能量损失问题，它的根源在哪里，它的数量有多大，成为基础水力学理论研究中的重要内容。为了解决理想概念给实际流体求解带来的困难，科学家们作出许多努力，将研究的重点转移到液体粘性上，创立了边界层理论、紊流理论等，并在理想流体方程中添加粘性项使之适用于实际流体。液体的粘滞性概念应运而生，成为产生能量损失的最大根源。它的影响力在水力学研究中是相当深远的，几乎所有的流体工程，无论是设计施工还是运行监测，都离不开对水头

3、损失进行衡量与估算。然而研究古典流体力学的数学、力学家们没有想到，在21世纪的今天，他们所论证的偏重于数学理论的理想流态模型可以在真空中存在，并且这种接近理想的流态同样可以广泛应用于各类大型的实际工程当中，它的水头损失大大降低了，“液体的粘滞性”几乎不存在了！这是一个惊人的发现！笔者称这种新的流体输送形式为“真空高速流”，简称为“真空流”。对于“真空流”这种特殊流体，国内外尚欠缺这方面研究⒋理论研究与探讨以上如此众多反常规的现象发生，不禁引发诸多思考，现象的背后蕴涵着怎样的本质规律。现在返回本文主题，深入探究一下，水头损失的根源究竟

4、是什么。排除天然河道、人工渠道等各种明渠水流，其他所有有压管流均只有“重力流”和“压力流”两种输送形式。可想而知，科学家们完全依据上述两种输水形式的运行结果探究其能量损耗，并把对水头损失研究的视角深入到液体粘性、管道糙率、断面特性、水流流态等种种可能产生影响的因素，但请注意，他们完全忽略了空气阻力！根据现代基础水力学对水头损失根源的原始表述，认为液体粘滞性起着传递运动、使运动保持连续和阻滞运动的双重作用。它把一束管流看成是无数的流层，两相邻流层间存在相对运动，流层间产生一对平行切力，称为“内摩擦力”，由于粘滞性的存在，液体在作相对运

5、动的过程中要克服内摩擦力作功，因此液体的粘滞性是产生能量损失的根源。假定这一理论适用于所有流体，那么照此推理，“真空流”也不例外的具有粘滞性，如果排除空气对管流的干扰因素，也就是把空气阻力忽略不计，“真空流”的流速之大，已经完全突破了层流与紊流之间的临界流速，在同等条件下，它的流态应该比“重力流”更加紊乱，通常工程中本应把真空流放在紊流阻力平方区来考虑，由于水头损失的根源——“粘滞性”没有排除，能量损失必然加剧。然而，根据经典理论所作出的论断，完全不符合实际，甚至与实际大相径庭，这绝不是偶然！为了找到“真空流”不丧失能量的奥秘所在，

6、笔者把“真空流”与“重力流”流体所处的环境进行对比分析，很明显，其唯一差别就在于管内的气体环境。能量损失的根源应该源于空气对流体的影响。笔者把空气对流体的阻碍作用简称为“气阻”。在现实的“重力流”长距离输水、配水工程中，实际的输水压力（或输水量）偏差很大，部分出水口经常出现零压力，人们自然就认为这是沿程水头损失大于总水头的缘故，把问题归咎于液体粘滞性。液体粘滞性的模糊概念在流体科学中造成了相当程度的矛盾和混乱，一方面，在实际流体工程尤其是长距离引水、配水工程的管线中配备了相当数量且必不可少的排气阀，若关闭这些排气阀，流体工程运行的后

7、果是难以想象的，这充分说明管流中不断有气体进入到管内，同时又需要不断被排出；另一方面人们认为水源的进水口通常淹没至几米甚至几十米水深，如水库涵管、水电站压力隧洞（引水管）、高位水池底部出水管等，管口与大气之间隔着厚厚的水层，管内绝不可能掺入气体，这样的认识是与现实相当矛盾的。认识的误区导致了对配水管网进行水力计算时依然没有给出一个符合某一限制条件、确切、直观、通用的计算表达式。一些计算方法和经验公式也存在计算工作量大、过程繁琐、精度低、适应范围窄、种类不全等诸多问题，这种局面困扰着不少工程设计人员。那么空气阻力真的小到可以忽略不计吗

8、？答案是否定的！现存的两种输水形式的共同特点是：在大气下运行，受到空气干扰，气体质点参与液流运行，与液体质点之间相互摩擦碰撞，促使液体剪切变形，液流克服气体阻力和管道摩阻做功消耗机械能，形成了巨大的水头损失。水头损失的真正根源是“气阻