长输管道排水过程中的气阻现象与气阻定律

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发布时间：2021-08-24

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会发生异常现象：排水压力远远超过了按(2)式

计算的Pe，排水清管器(球)还是不能正常行走，

管内的试压水也不能正常排出。此时，我们通常认

为产生了气阻现象。

那么，气阻现象为什么会产生?如何评估气阻

现象对试压排水产生的影响?怎样防止气阻现象的

产生?

对于这些问题，很多人进行了有益的探索，提

出了自己的见解，其中包括翁友彬、阮天恩(以下

简称翁一阮)的水力实验和他们的“气阻定律”。

2 气阻定律

翁一阮设计了一组长达17 m的管道实验装置，

委托清华大学进行了相应的水力实验，试图揭示重

力流输配水管道中发生的气阻现象．并合作撰写了

一篇题为《气阻定律》的论文(http：／／www．studa．

ne esigns／0603O7／l 1483816．htm1)。

在这篇论文中．翁一阮通过考察管内微段空气

柱的受力状态．推导出“气阻定律”：

PF一=Pa·e (3)

式中 PE一— — 管道系统内E—E断面的最大压力

(绝对压力)；

一管道系统出口处压力(绝对压力)；

e— — 自然对数的底，e=2．718 28⋯⋯ ；

管道内气体的黏滞系数，与管道特性

有关，通过实验测定；

Z。—— 管道系统内当量空气柱的长度；

D—— 管道内径。

对于这个“气阻定律”，笔者认为不能成立，

理由是：

第一，它的基本假设与流体在管道内的实际运

动状态相去甚远。翁一阮在推导“气阻定律” 时将

微段空气柱作为考察对象，建立了一个轴方向

的力学平衡式：

dP—rn=~rDdx：0 (4)

斗

式中dp— — 微段空气柱的压降；

广一单位面积管壁对微段空气柱的黏滞

阻力；

d — — 微段空气柱的长度。

这个力学平衡式的成立至少需要两个基本条

件：一是考察的对象为均质、连续的圆柱形刚性

体：二是外部的约束为均质、连续、与圆柱形刚性

体紧密接触的弹性体。而空气(或其他流体)本身

一不连续，二不是刚性，且因其具有黏性、流动性

和可压缩性，管道断面上各质点沿轴方向的流

速并不相同(一般沿半径方向从里到外逐渐减小)。

也就是说，管道内的微段空气柱并不是平行向前移

动。因此，式(4)的力学平衡式不能成立，由此

而得出的“气阻定律” 当然也不能成立。

第二，对水力实验的理论解释不正确。翁一阮

对自行设计的管道实验装置在实验中出现的断流现

象进行了分析。他们认为，出现断流现象的原因在

于管道系统的某一断面存在未知力PE，这个未知

力阻止了水管中水的流动。同时。对一个确定的输

水管道系统而言，存在一个临界掺气量，当输水管

道系统内的掺气量达到或超过这一临界掺气量时，

正常的水流被气体阻隔，发生断流。

笔者不清楚他们的实验装置能否清晰地观察到

管内流体的运动状态，但通过类似的塑料管水力实

验可以肯定地认为，这种分析既没有找到断流现象

发生的真正原因，也没有注意到这套实验装置所阐

释的普遍意义。只要我们注意到这套实验装置所具

备的“管道系统存在波状起伏”和“管道系统内同

时存在气、液两相介质” 这两个基本特性，就可以

用传统流体力学的基本原理加以分析和解释(参见

本文第3部分)。管道系统产生气阻现象的基本条件

就是要具备这两个基本特性。出现断流现象是系统

作用的结果，而不是某一断面未知力作用的结果。

第三，气阻定律不具备基本的普遍适应性。根

据翁一阮的“气阻定律”。当管道直径D、特性值

和出水端压力尸日一定时，PE一随着管内当量空

气柱长度成指数上升。也就是说，如果翁一阮

“气阻定律” 的基本假设是正确的，对于如图1

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