⒈ 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，在數學分析上系統、嚴謹，但計算結果與實驗不盡符合。隨著生產發展的需要，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以解決實際工程問題。前者偏理論重數學，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 ①。
　　然而研究古典流體力學的數學、力學家們沒有想到，在 21 世紀的今天，他們所論證的偏重于數學理論的理想流態模型可以在真空中存在，并且這種接近理想的流態同樣可以廣泛應用于各類大型的實際工程當中，它的水頭損失大大降低了，“液體的粘滯性”幾乎不存在了！這是一個驚人的發現！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，國內外尚欠缺這方面研究文獻，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理論的影響沖擊，深入探究水頭損失產生的根源。

⒉ “真空流”概述
　　“真空流”是根據 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 15% 左右，形成 “ 高速低壓 ” 狀態，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，無論進行何種參數對比，“真空流”都有著“重力流”不可替代的絕對優勢，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4.5 kg/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，缺水現象嚴重。一氣象站離水廠最遠，且在小山腰上，常年不到水。該工程以同樣方法進行改造，再次訪問用水情況時，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0.5 kg/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下，處于“不利點”的用戶在供水高峰期用不上水，供水不穩定。進行真空改造后，關閉所有排氣閥。供水系統承載負荷能力提高，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異?，F象，水夾帶空氣泡沫噴出 3 米高，排氣持續 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。 “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，水流穩定且出口斷面滿管流出。

⒋ 理論研究與探討
　　現象的背后蘊涵著深刻的規律。如此眾多反常規現象的發生，不禁引發諸多思考，水頭損失的根源究竟是什么？
　　根據現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”流體所處的環境進行對比分析，很明顯，其唯一差別就在于管內的氣體環境。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”長距離輸配水實際工程中，管線中配備了相當數量且必不可少的排氣閥，工程經驗告訴我們，關閉排氣閥，工程就無法運行，就要發生事故。這充分說明管流中不斷有氣體進入，同時又需要不斷被排出；有些水源進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，只能通過實驗或者實際工程來得出結論，然科學發展至今尚無一種科學儀器能夠觀察到動態的湍急水流進入管道瞬間是否摻雜了氣體，摻入量有多少。“真空流”的出現有可能以另一種形式揭示氣體與管流的關系。真空流能在完全不開啟排氣閥情況下達到超大流量，證明在正壓環境下，氣體分子不斷地溶入水中，阻撓了水體正常運行。即使進水管口淹沒再深，空氣也同樣摻入。不僅如此，根據長期以來的工程經驗，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象很有可能就是氣阻在高速水流中的一種極端表現；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。
　　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。外力撞擊或者連接問題（不排除管道老化）引起爆管實際上都是次要因素，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了認識上存在的局限性。事實上，“水不往低處流”的奇異現象并不遙遠，可以說每座城市的自來水系統，每個鄉鎮的長距離引水工程都存在著類似的現象，比如邊遠地區某三層樓用戶白天用不到水，就是典型的“氣阻”現象。
　　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”，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，由于其出現了一段常規虹吸管無法比擬的高真空，且其流態、流速、流量、管流充盈度等技術參數均無法用常規理論解釋與推算，筆者將現有水力學的研究成果歸納成“正壓流”理論，并將這項新領域的研究歸納為“負壓流”理論，它將成為基礎水力學理論研究的新方向，二者相輔相成，缺一不可。

⒍ 結論
　　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，節約工程投資將立竿見影！
　　如今的“真空流”，其應用領域已從長距離引水、城鄉給水配水擴展到了防汛抗旱、水庫清淤、地下水回灌、水力發電、工業循環水、海洋深處自動采吸礦石等等二十多個領域。研究者不但要實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、更有力的數據進行深入的研究探索，從實踐到理論，再從理論回到實踐中去，形成一套完整的“負壓流”理論，融入水力學理論系統，任重而道遠。 當 “真空高速流”走上歷史舞臺，我們不得不以科學的態度重新審視水力學理論，并對一些由于當時受到科學技術發展限制而局限的認識進行修正和完善。要對一個已延續數百年、并在人們腦海中根深蒂固的經典理論進行修正，絕非一朝一夕之事，我們用事實說話，構筑理論基石，在理論與實踐中搭橋。實踐永遠是檢驗真理的唯一標準，經典理論同樣面臨科學發展的重新評價與檢驗。

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