管道輸送流體，唯有兩種輸送形式：壓力流與重力流，流體呈有旋運(yùn)行，管內(nèi)摻氣量大，水充盈度不高，造成流阻大、輸水效率不高，致使作用于流體的能量的傳遞效率隨著管線(xiàn)的延長(zhǎng)而超常降低。“真空管道高速輸水形式”形成的流體不摻氣、水充盈度高、呈無(wú)旋運(yùn)行，作用于流體的能量的傳遞效率提高，流速加快，原有出水量增大，而管網(wǎng)水壓反而降低，可減少爆管。該新的輸水形式應(yīng)用在各種大中型給排水工程上，其輸水效率要比“壓力流、重力流”更能顯示出技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
管道輸送流體，水頭大的采用重力流，水頭小的或負(fù)水頭的，采用水泵加壓輸水，或兩者結(jié)合應(yīng)用，據(jù)筆者認(rèn)為，管輸，尤其是長(zhǎng)距離引水、城鎮(zhèn)配水，除采用上述兩種輸水形式外，客觀上存在第三種輸水形式：真空輸水。
自從水的虹吸現(xiàn)象為人類(lèi)所發(fā)現(xiàn)及利用，年代已相當(dāng)久遠(yuǎn)?？扇藗儗?duì)虹吸現(xiàn)象的研究，到目前還僅是表面的，實(shí)際工程中也只能實(shí)施直徑在600毫米以下的虹吸管，并籠統(tǒng)地將它歸納在“重力流”范疇內(nèi)。深入的研究與實(shí)施難度極大，其原因是，繼續(xù)加大虹吸管實(shí)施直徑及提高其真空度相當(dāng)困難，導(dǎo)致管內(nèi)水充盈度難以達(dá)到正常的運(yùn)行狀態(tài)。人們無(wú)法實(shí)際觀察到超大直徑的虹吸管在水充盈度很高的情況的運(yùn)行流態(tài)，也就無(wú)法對(duì)虹吸做出正確的分析與描述。
流體從高位水池或水塔上重力自流的，稱(chēng)為“重力流”，重力流管輸?shù)氖级?，由于流體在進(jìn)入管口時(shí)必然形成渦流，而大氣以肉眼見(jiàn)不到的微小氣泡摻入水體并進(jìn)入管內(nèi)。大氣不斷摻進(jìn)管內(nèi)，管徑越大、流速越快的，渦流摻進(jìn)氣體的量越大。這些被旋渦卷進(jìn)管內(nèi)的微小氣泡，運(yùn)行一段距離后，停留在各段管道的高凸處，其壓力又不足以自動(dòng)從排氣閥排除，形成氣阻。
“重力流”常應(yīng)用于從水庫(kù)引水，水輪機(jī)發(fā)電及自來(lái)水的重力配水工程，盡管設(shè)計(jì)人員設(shè)法減少管道的彎曲與起伏，提高水管進(jìn)水處的淹沒(méi)深度，安裝了減少渦流的裝置，以及在管道中設(shè)置排氣閥，但無(wú)法根本改變渦流的產(chǎn)生及消除水管中的摻氣量。對(duì)從高位水池重力自流，地勢(shì)起伏大的引水工程來(lái)說(shuō)，渦流產(chǎn)生后不斷摻進(jìn)的氣體，使有壓流中出現(xiàn)空泡，流體不再是連續(xù)流，流速降低。不僅如此，空化區(qū)附近的水流固體邊壁產(chǎn)生剝蝕破壞，久而之引起管道的斷裂和材料的疲勞。
自來(lái)水重力配水工程，隨旋渦進(jìn)入管內(nèi)的氣體，停留并占據(jù)了管網(wǎng)中各段水管的高凸處，盡管整個(gè)引水、配水管網(wǎng)的標(biāo)高明顯低于高位水池，但在用水高峰期，打開(kāi)管網(wǎng)中的地勢(shì)較高處的水咀，出水量極少或根本不出水；用水低峰期，由于進(jìn)入管網(wǎng)的流量減少，流速減慢，原進(jìn)入管網(wǎng)中的氣泡部分倒回到主管的始端，部分氣泡隨著高處水咀的打開(kāi)而進(jìn)入大氣中，管網(wǎng)內(nèi)的水充盈度得以提高，從而使管網(wǎng)中地勢(shì)較高處的出水狀況得以改善，也就呈現(xiàn)人們所稱(chēng)的“夜來(lái)水”。
利用水泵對(duì)水流進(jìn)行做功，把機(jī)械能轉(zhuǎn)變成壓力能，使流體能量增加的輸水形式，稱(chēng)為“壓力流”。由于水泵是依靠葉輪的高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力作用于流體的，壓力管內(nèi)流體只受到一個(gè)旋轉(zhuǎn)的、單向的“推力”，這個(gè)“推力”依靠流體本身的傳遞，既要克服流體的重力，又要克服沿程的摩擦阻力，由于管內(nèi)水充盈度不高，能量的傳遞受阻，其結(jié)果是：壓力管的始端水壓大，遠(yuǎn)離始端的水壓小，水壓隨著管線(xiàn)距離的延長(zhǎng)而逐漸降低。
對(duì)于大管徑的長(zhǎng)距離輸水工程，須多臺(tái)泵同時(shí)對(duì)一根大管進(jìn)行加壓。由于各泵揚(yáng)程、功率不同，對(duì)流體作用力的角度不同，水泵葉片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的離心力，使流體微團(tuán)間發(fā)生撞擊，相互間也抵消了部分能量。地形起伏較大的長(zhǎng)距離引水工程，沿程能量損失相對(duì)更大，管道末端的充盈度明顯降低，流量隨著管線(xiàn)的延長(zhǎng)而超常減少。
城市加壓的自來(lái)水配水工程，干支管鋪設(shè)成樹(shù)枝式或環(huán)狀式管網(wǎng)，高差起伏大、彎頭多、水管“窩氣”的高凸處多，水頭損失大。由于水泵的流量是恒定的，難以與用戶(hù)總用水量取得一致，供求不平衡，不是浪費(fèi)能耗，就是供水量滿(mǎn)足不了用戶(hù)需求，加上部分氣體不斷摻進(jìn)管網(wǎng)，在流速較慢、水壓偏低的水管中成為流體前進(jìn)的阻礙，導(dǎo)致水泵對(duì)流體所作之功通過(guò)流體本身的能量傳遞效率隨著管線(xiàn)的延長(zhǎng)而超常降低，使城市不同方位的水壓差別很大。不少用戶(hù)安裝管道泵，不僅危及水廠(chǎng)加壓泵的安全運(yùn)行，而且經(jīng)常造成某段水管“空管氣堵”現(xiàn)象，水流在一定時(shí)間內(nèi)難以逾越通過(guò)，影響正常供水。
日常生活中，常見(jiàn)用根軟管向外導(dǎo)流容器內(nèi)的流體，管內(nèi)的水流現(xiàn)象即稱(chēng)為虹吸現(xiàn)象。工程上應(yīng)用的常規(guī)虹吸管。須先用真空泵抽吸管內(nèi)的空氣，產(chǎn)生負(fù)壓后，流體依靠大氣壓強(qiáng)的壓力及勢(shì)能的引力，被壓到虹吸管頂端后下落，從出水口處流出，完成了虹吸的全過(guò)程。由于真空泵負(fù)荷的限制及管道密封欠佳的緣故，大氣的壓水高度（即虹吸高度）于7.2米左右。直徑大于600毫米以上的常規(guī)虹吸管，虹吸高度低于6米，虹吸輸水距離只有幾百米，部分管內(nèi)水充盈度小于70%，虹吸管頂端窩存的空氣，一旦達(dá)到一定的容量，流體即失去連續(xù)性，虹吸即行自動(dòng)斷流。所以，給排水工程應(yīng)用的常規(guī)虹吸管，管徑較小，輸水距離短，運(yùn)行上很不可靠，經(jīng)常斷流，極少采用，不受重視。
1990年初，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的努力，虹吸的研究及實(shí)際應(yīng)用有了重大突破并達(dá)到了的深度。根據(jù)虹吸原理，研制成功一種新型虹吸裝置：潛水式真空虹吸裝置，其匹配管徑從300毫米到4000毫米不等，特殊需要時(shí)還可加大，虹吸高度8米，總水頭大于沿程水頭損失的工程，虹吸輸水距離不限；虹吸前不需抽吸管內(nèi)真空，而是采用一種簡(jiǎn)便易行、效果可靠的新方法，即能達(dá)到管內(nèi)水充盈度99%以上，不管輸水距離多長(zhǎng)，隨意開(kāi)關(guān)出水口閥門(mén)，可任意遙控真空虹吸裝置的吸水量。
潛水式真空虹吸裝置的構(gòu)造有別于現(xiàn)有的任何水泵，其吸水處由排列規(guī)范的液壓缸組成流體整流器，液壓缸的的數(shù)量與結(jié)構(gòu)是由總吸水量及輸水水質(zhì)所決定。潛水式真空虹吸泵運(yùn)行時(shí)，無(wú)需外來(lái)的動(dòng)力，吸水運(yùn)行時(shí)，接在管進(jìn)水口處，潛水運(yùn)行。吸水時(shí)，液面異常平靜、無(wú)渦流出現(xiàn)，進(jìn)入管內(nèi)的水流不摻氣，管內(nèi)水充盈度高達(dá)99%以上，流體均勻受到大氣壓強(qiáng)及位差勢(shì)能“一壓一拉”的同時(shí)作用，并以95%以上的率將大氣壓強(qiáng)、勢(shì)能轉(zhuǎn)換成水的動(dòng)能，真空虹吸裝置因設(shè)計(jì)超越常規(guī)，自身磨擦阻力極小，充分利用大氣壓自身具備的壓力與過(guò)水截面積同倍增長(zhǎng)的有利條件作為動(dòng)力，裝置的內(nèi)摩擦阻力極小，輸水過(guò)程中，不進(jìn)氣、流速快、管中不窩氣、沿程水頭損失zui小。
在同等條件下，真空虹吸裝置所形成的水流，其流速要比“壓力流”與“重力流”及常規(guī)虹吸管增加20%以上，出水流量可增加15%~40%以上。若不考慮其它因素，其水壓與“壓力流”恰巧相反：始端壓力小，遠(yuǎn)離始端、位差大的壓力大，流體連續(xù)性好。經(jīng)實(shí)踐與試驗(yàn)表明，其流況介于層流與紊流之間。這種有別于“壓力流”與“重力流”的流態(tài)，就是管輸中的第三種輸水形式：真空管道高速輸水。
潛水式真空虹吸裝置，在實(shí)際工程應(yīng)用表明，由于不受匹配管徑及輸水距離的限制，使虹吸的推廣應(yīng)用邁上了大中型給排水工程的舞臺(tái)，尤其適合長(zhǎng)距離給排水工程及城鎮(zhèn)自來(lái)水配水工程。原先研究真空虹吸裝置的本意，只是為了解決諸如跨溢洪道的水庫(kù)應(yīng)急溢洪及引水灌溉、水庫(kù)枯水期虹吸死庫(kù)容死水、虹吸水庫(kù)淤積泥沙、替代各式水利工程閘門(mén)的應(yīng)急運(yùn)行并抽吸泥沙、地下水真空回灌等工程的節(jié)能問(wèn)題。為了使虹吸高度在管徑增大的情況下保持不變，我們改善了“真空輸水”的管內(nèi)水充盈度。充盈度的提高無(wú)形中加大了作用于流體的力轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的效率，流速也隨之增加，且大氣壓強(qiáng)與勢(shì)能相當(dāng)均勻地作用于整個(gè)流場(chǎng)中的流體。其時(shí)，流體的體積膨脹系數(shù)zui小，流態(tài)處于較為理想狀態(tài)。
可以看出，管道進(jìn)水處是否產(chǎn)生渦流，管內(nèi)水充盈度的高低、以及流體受力狀況，是決定流體流態(tài)的三個(gè)決定性因素，“真空輸水”在上述因素中，與“壓力流”“重力流”有著明顯的區(qū)別。所以，將“真空輸水”應(yīng)用在大中型給排水工程，尤其是長(zhǎng)距離給排水或城市配水工程上，既提高了總出水流量，又延長(zhǎng)了水管的使用壽命，優(yōu)勢(shì)是顯而易見(jiàn)的。
工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家從節(jié)能的觀點(diǎn)出發(fā)，并隨著供水網(wǎng)絡(luò)的不斷擴(kuò)展與跨流域引水工程輸水距離的不斷延長(zhǎng)，已趨向于采用流體自上而下的自然重力流，水源廠(chǎng)選址有向高處發(fā)展的趨向，也就是用重力流替代壓力流輸水形式。
對(duì)于長(zhǎng)距離給、排、配水工程，由于重力流輸水形式優(yōu)于壓力流，而真空管道高速輸水形式效率又明顯高于重力流，這就給真空管道高速輸水技術(shù)的應(yīng)用有*的發(fā)展機(jī)會(huì)。
低水頭的長(zhǎng)距離給排水工程，可以先提水到高位水池后，然后“真空輸水”引水，將“壓力流”輸水距離盡量縮短，也就是把水泵作用于流體的機(jī)械能先轉(zhuǎn)變成位差勢(shì)能，使水泵的工作效率、揚(yáng)程及流量在一定輸水距離內(nèi)，始終處于*運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)揮zui大的效益。余下輸水管路則由“真空輸水”的單泵單管取而代之。特別是超大管徑的輸水工程，不但可以增加整條管路的水充盈度，變有旋流為無(wú)旋流，降低沿程水頭損失，使勢(shì)能轉(zhuǎn)變成動(dòng)能的效率提高，流速加快，出水流量加大，促使整個(gè)工程的總效益提高。工程實(shí)施中又能減少排氣閥設(shè)置數(shù)量及縮小設(shè)計(jì)管徑，減少途中加壓泵站數(shù)量及其它輔助設(shè)施，降低工程總投資。高水頭引水工程，取水頭部水源液面若比堤壩低8米以?xún)?nèi)，采用“真空輸水”引水，整個(gè)工程運(yùn)行可不耗任何動(dòng)力，管路可根據(jù)地形起伏鋪設(shè)，減少工程土方量。
城鎮(zhèn)自來(lái)水工程采用“真空輸水”配水，用戶(hù)用水量大，真空虹吸泵的吸水量就大，供求量始終自動(dòng)保持平衡。配水管中出現(xiàn)“空管斷流”現(xiàn)象比“壓力流”與“重力流”降低85%以上，流體連續(xù)性好。用戶(hù)私裝使用管道泵，對(duì)于“壓力流”配水工程，會(huì)使管道出現(xiàn)“氣阻空管”現(xiàn)象，水流不暢，容易爆管；而對(duì)于“真空輸水”配水，不但不影響管網(wǎng)正常輸水及其它用水，由于勢(shì)能增加，反而會(huì)提高真空虹吸泵的總吸水量及水廠(chǎng)總配水量。
總之，“真空輸水”的應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，對(duì)于各種給排水工程的設(shè)計(jì)，又增加了幾項(xiàng)可對(duì)照比較的流動(dòng)參量，對(duì)原工程設(shè)計(jì)出現(xiàn)的諸如氣阻、氣蝕、爆管、壓降、流量偏低等問(wèn)題，有了解決的思路。筆者認(rèn)為，對(duì)虹吸以及“真空輸水”作更深入的研究，使這項(xiàng)客觀存在的、優(yōu)勢(shì)明顯高于“壓力流”與“重力流”的第三種新輸水形式得以廣泛應(yīng)用與發(fā)揮，為解決人們的吃水難、用水難、為諸多給排水工程發(fā)揮更大的效益，竭盡其力。