摘要：按空气动力学原理，静态空气是不存在阻力的，所以，水力学对管道中静态气体所产生的阻力忽略不计。针对实际应用中“重力流”配水工程发生的一些现象，作者设计了一组长达17米的管道实验装置，并委托清华大学进行了相应的水力实验，其目的在于揭示一种鲜为人知的潜在现象。“重力流”管道输水前窝存的气体以及管道进水口处掺入的空气，致使进入管道内的气体在低压处被分离出来，并积聚于管道的高凸处。当气体量值达到或超过某一固定的临界值时，正常的水流被气体阻隔，发生断流。运用常规的水力学原理无法解释该现象，因此作者认为，当积聚管内的空气量（掺气量）达到某一特定体积时，即产生阻碍水流正常运行的力。
关键词：管流 气堵 管内静态空气摩擦阻力 掺气 临界掺气量 水头损失
引言
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[1]，人们常认为这是沿程水头损失大于总水头的缘故。为了更准确揭示管道中的阻力机制，作者设计并委托进行了一组模拟“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。
实验中发现，当出口阀门开启（阀门B,或C），并且掺气量达到某一临界值Vcr时，水流完全被阻隔，出现断流，此时可从图1上看出存在水头差△h1=1.18m, △h2=1.90m.，管道中的水处于静止状态。断流后，这个净水头差△h靠什么来与之平衡呢？作者认为，在管道中某断面E－E处，存在着一未知力PE，（而E－E面至出口阀门B或C，则充满着水与气泡的混合体，E－E面的位置是不固定的，视水与气泡混合体比例而定，但临界净气泡体积Vcr是几乎不变的）。就是这个未知力PE，阻止了水管中水的流动。
[1] 实验简介 — 气堵出现
本实验装置如图（1）所示，其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竟然不出水！
实验操作简介如下：
[1-1] 起动阶段：
先将盛满水，开启出口阀门B（或C），此时管道中从A至B处只有空气，接着打开阀门A，阀门B出现如前述，水不出流，完全被管中的气体阻隔。直到把高水位 (△h> 10米)的水塔出水管直接与实验管道连接，在高水头的作用下，管道中的空气即被冲出，阀门B才出流。
[1-2] 流动中，人工掺气导致断流：
当管道的水在流动时，采用人工定量向管内掺气（方法在下文介绍），掺气量达到某一临界值时，例如，对出口B而言，该临界值为6750 ml，管道断流。正如引言所述，断流面是在某一截面。
以上现象说明：管道中的空气在实验条件下能产生出量值达到△h=1.90米水柱的阻力，来阻止水流流动。按空气动力学原理，静态空气是不存在阻力的，那么这个△h
是从何而来呢？作者认为：在E—E处一定存在一未知力PE ，
由它来平衡净水头△h, 其中是水的比重,
[2] 气阻定律的推导
首先把管道中的水、气混合体用当量的空气体积V代替，其中空气柱长度
，
D是管道的内径，D=50mm。现在考虑该微段空气的受力状况（如图2所示），众所周知，在理想流体情况下，其周围受力有 P, P+dp (其中 
)。在本实验情况下，应考虑空气分子间的分子作用力及其相互作用，作者假设由于分子力的作用产生粘滞力，使空气柱边沿空气层吸附在管壁上，产生粘滞力
，作用在空气与管壁之间的接触面，其方向与空气运动趋势方向相反，的大小在一定的dp作用范围内，与压力增量dp成正比，于是有
或者 
(1)
s 是一个粘滞系数，它与空气的温度以及管壁材料有关，在一定的实验条件下，它是一个常数，由实验测定，在本文的实验条件下，s 大约为0.0006左右（参看第[4]章）。
考虑到X轴方向的力学平衡，
(2)
在方程（2）代入方程（1）得：
(3)
分离变量得
(4)
对方程（4）两边积分
(5)
可得到
(6)
或者 
(7)
其中，e=2.71828 ……，Pa为大气压力，l是管中当量空气柱长度，
当 
时，
即 
(8)
而当 PE左≥PEmax 时，水流被气体堵塞，形成所谓的气堵。从表面上看，好像“水不往最低处流”了。其中PE左系指E—E截面处，靠近这一左侧的水压力。作者把方程（8）称之为管道液流的气阻定律。