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管道的第三种输水形式--- 真空管道高速输水技术 翁友彬 提要：管道输送流体，唯有两种输送形式：压力流与重力流，流体呈有旋运行，管内掺气量大，水充盈度不高，造成流阻大、输水效率不高，致使作用于流体的能量的传递效率随着管线的延长而超常降低。“真空管道高速输水形式”形成的流体不掺气、水充盈度高、呈无旋运行，作用于流体的能量的传递效率提高，流速加快，原有出水量增大，而管网水压反而降低，可减少爆管。该新的输水形式应用在各种大中型给排水工程上，其输水效率要比“压力流、重力流”更能显示出技术优势。 关键词：真空输水 重力流 压力流 气阻 充盈度 管道输送流体，水头大的采用重力流，水头小的或负水头的，采用水泵加压输水，或两者结合应用，据笔者认为，管输，尤其是长距离引水、城镇配水，除采用上述两种输水形式外，客观上存在第三种输水形式：真空输水。 自从水的虹吸现象为人类所发现及利用，年代已相当久远。可人们对虹吸现象的研究，到目前还仅是表面的，实际工程中也只能实施直径在600毫米以下的虹吸管，并笼统地将它归纳在“重力流”范畴内。深入的研究与实施难度极大，其原因是，继续加大虹吸管实施直径及提高其真空度相当困难，导致管内水充盈度难以达到正常的运行状态。人们无法实际观察到超大直径的虹吸管在水充盈度很高的情况的运行流态，也就无法对虹吸做出正确的分析与描述。 流体从高位水池或水塔上重力自流的，称为“重力流”，重力流管输的始端，由于流体在进入管口时必然形成涡流，而大气以肉眼见不到的微小气泡掺入水体并进入管内。大气不断掺进管内，管径越大、流速越快的，涡流掺进气体的量越大。这些被旋涡卷进管内的微小气泡，运行一段距离后，停留在各段管道的高凸处，其压力又不足以自动从排气阀排除，形成气阻。 “重力流”常应用于从水库引水，水轮机发电及自来水的重力配水工程，尽管设计人员设法减少管道的弯曲与起伏，提高水管进水处的淹没深度，安装了减少涡流的装置，以及在管道中设置排气阀，但无法根本改变涡流的产生及消除水管中的掺气量。对从高位水池重力自流，地势起伏大的引水工程来说，涡流产生后不断掺进的气体，使有压流中出现空泡，流体不再是连续流，流速降低。不仅如此，空化区附近的水流固体边壁产生剥蚀破坏，久而之引起管道的断裂和材料的疲劳。 自来水重力配水工程，随旋涡进入管内的气体，停留并占据了管网中各段水管的高凸处，尽管整个引水、配水管网的标高明显低于高位水池，但在用水高峰期，打开管网中的地势较高处的水咀，出水量极少或根本不出水；用水低峰期，由于进入管网的流量减少，流速减慢，原进入管网中的气泡部分倒回到主管的始端，部分气泡随着高处水咀的打开而进入大气中，管网内的水充盈度得以提高，从而使管网中地势较高处的出水状况得以改善，也就呈现人们所称的“夜来水”。 利用水泵对水流进行做功，把机械能转变成压力能，使流体能量增加的输水形式，称为“压力流”。由于水泵是依靠叶轮的高速旋转产生离心力作用于流体的，压力管内流体只受到一个旋转的、单向的“推力”，这个“推力”依靠流体本身的传递，既要克服流体的重力，又要克服沿程的摩擦阻力，由于管内水充盈度不高，能量的传递受阻，其结果是：压力管的始端水压大，远离始端的水压小，水压随着管线距离的延长而逐渐降低。 对于大管径的长距离输水工程，须多台泵同时对一根大管进行加压。由于各泵扬程、功率不同，对流体作用力的角度不同，水泵叶片转动时产生的离心力，使流体微团间发生撞击，相互间也抵消了部分能量。地形起伏较大的长距离引水工程，沿程能量损失相对更大，管道末端的充盈度明显降低，流量随着管线的延长而超常减少。 城市加压的自来水配水工程，干支管铺设成树枝式或环状式管网，高差起伏大、弯头多、水管“窝气”的高凸处多，水头损失大。由于水泵的流量是恒定的，难以与用户总用水量取得一致，供求不平衡，不是浪费能耗，就是供水量满足不了用户需求，加上部分气体不断掺进管网，在流速较慢、水压偏低的水管中成为流体前进的阻碍，导致水泵对流体所作之功通过流体本身的能量传递效率随着管线的延长而超常降低，使城市不同方位的水压差别很大。不少用户安装管道泵，不仅危及水厂加压泵的安全运行，而且经常造成某段水管“空管气堵”现象，水流在一定时间内难以逾越通过，影响正常供水。 日常生活中，常见用根软管向外导流容器内的流体，管内的水流现象即称为虹吸现象。工程上应用的常规虹吸管。须先用真空泵抽吸管内的空气，产生负压后，流体依靠大气压强的压力及势能的引力，被压到虹吸管顶端后下落，从出水口处流出，完成了虹吸的全过程。由于真空泵负荷的限制及管道密封欠佳的缘故，大气的压水高度（即虹吸高度）仅限于7.2米左右。直径大于600毫米以上的常规虹吸管，虹吸