水力学的应用需要什么条件

水力学的应用需要什么条件
水力学的应用需要什么条件

水力学的应用需要什么条件
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,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?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”.
科学发展至今天,人类已经可以探索静态或者速度有限的微观世界,然尚无一种科学仪器能够观察到动态的湍急水流进入管道瞬间是否掺杂了气体,掺入量有多少.大气压时时刻刻将气体以人类肉眼所不能见的微小单元形式溶入水中,即使管口淹没再深,空气照样掺入管内.不仅如此,根据现实工程的经验,管径越大,淹没越深,气阻越大,空气掺入量越加可观.更值得一提的是,“笔者”所研究的“真空高速流”真空部位并没有发生所谓的“空化”现象而产生大量气体,相反却形成了相当稳定的不掺气流体,这些问题尚待于研究.大型水电站的引水压力钢管进水口淹没深度有的达到五六十米以上,水轮机叶片的金属表面所受到的汽蚀破坏极有可能和流体本身掺入的空气有很大关系.水电站压力引水管内的流速极高,微小气体分子来不及上浮,就以相当于子弹射击的速度射向叶片而迅速崩溃,叶片产生气蚀孔洞破坏现象很有可能就是气阻在高速水流中的一种极端表现；而在流速相对较慢的管道水力输送过程当中,这些微小气体分子会逐渐上浮,并窝存在管道的高凸处,使过流截面积变小,随着管线的延伸,过流截面逐渐变小,流速、流量、压力也随之减小,最后形成空管.这种现象在配水引水工程中比比皆是,而人们却误认为是水体粘滞力造成的水头损失,这是水力学界非常致命的一个理论误区.
⒌理论探索及模拟试验
为了更准确揭示管道中的阻力机制,证明气阻不但不可忽略不计,甚至可阻断流体运行,1997年4月,笔者设计并委托清华大学水利水电工程系进行了一组模拟“重力流”输配水工程中惯见现象的水力实验（见图1）,这套实验装置虽然结构简单,管径较小,距离仅17米,但浓缩了一般长距离输配水工程的主要特征,其原理与实际工程是吻合的,具有典型意义.
本实验装置如图1所示,管径50毫米,重力流形式,管道在中间有三个M字型起伏,其最高点均低于高位水池水面,管道的进口与出口均安装控制阀门.试验的目的原是为了测试本管道系统在采用不同进水方式时的沿程水头损失,但实验一开始就出现了意想不到的结果,在净水头△h高达1.90米时,输水距离总长17米,出口阀门B竟然滴水不出!
当时在场的许多专家教授大惑不解,即使是读者现在看到此图,也有绝大多数会认为应当出水.按照人们的习惯性思维,“水往低处流”是恒古不变的真理,然而实验结果的不合逻辑又当如何解释?只能说明人们的认识还存在局限性.“水不往低处流”这种看似奇异的现象,并不是离我们很遥远,可以说每座城市的自来水供水系统,每一个长距离引水工程都存在着类似现象,就比如边远地区某三层楼用户用不到水,人们就认为是沿程水头损失起了作用,实际却是气体在阻碍流体运行,一旦排除气阻,该用户就能24小时到水.写到这里,有些读者百思不解,城市给水管网高处均安装了排气阀,气阻不是已经被排除了?文章前面已经提到,气体是无时不刻掺入管内的,依靠排气阀只能减弱气阻,不能完全排除气阻,只有从水源处从根本上断绝气体掺入才是唯一可行、治标治本的办法.笔者在清华大学进行的实验中不但演示了实际工程中的气阻断流模型,而且还测量出气阻断流的临界掺气量,推导出一条全新的“气阻定律”,为节省篇幅,具体请参见相关资料.
上面提到,“真空流”适用于“重力流”工程改造,那么“压力流”工程能否进行改造,又当如何实施?道理是同样的,但难度稍大一些,首先要把同等动力的“压力流”改造成“重力流”,再着手实施“真空流”改造.
300多年来,地球上几乎所有管道输水都是在大气压的状态下运行的,只有虹吸管高于水面部分产生负压,笔者将现有水力学的研究成果归纳成“正压流”；“真空流”是继“重力流”和“压力流”后诞生的第三种输水形式,由于其出现了一段常规虹吸管无法比拟的高真空,且其流态、流速、流量、管内水充盈度等技术参数均无法用常规理论解释与推算,笔者将这项新领域的研究归纳成“负压流”,它将成为基础水力学理论研究的新方向,成为水力学不可缺少的组成部分,“正压流”与“负压流”理论将相映成辉.

问题说的不够明白。