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虹吸管是一種彎管，用來將液體從高液位轉(zhuǎn)移到低液位。液體通常從高液位流到低液位，而虹吸效應(yīng)可以將液體從高液位流到更高液位，然后再流回更低液位。這種效應(yīng)是可能的，因?yàn)樵谳^高的液位中，液體表面的空氣受到壓力，從而推動(dòng)液體。

虹吸效應(yīng)是如何工作的?

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虹吸管最高點(diǎn)的C點(diǎn)稱為峰頂。由于點(diǎn)c高于水箱A中水的自由表面，c處的壓力將小于大氣壓力。

理論上，c的壓力可以降低到-10.3m的水，但在實(shí)際中，這個(gè)壓力僅為-7.6m的水或2.7m的絕對(duì)水。

當(dāng)c處的壓力小于2.7m的絕對(duì)水時(shí)，溶解的空氣和其他氣體會(huì)從水中出來，聚集在峰頂。

水流將被阻塞。

誰發(fā)明了虹吸效應(yīng)?

人類使用虹吸管已經(jīng)有幾個(gè)世紀(jì)的歷史了。虹吸管最早出現(xiàn)在古埃及藝術(shù)中。它描述了他們使用虹吸管從大儲(chǔ)酒罐中提取葡萄酒。他們巧妙地使用虹吸管將葡萄酒從表面雜質(zhì)和底部渣滓中分離出來。

亞歷山大的希臘數(shù)學(xué)家希羅是第一個(gè)描述虹吸效應(yīng)的人。他進(jìn)行了許多實(shí)驗(yàn)，并在他的工程論文《氣動(dòng)》中寫了相關(guān)的文章。

虹吸效應(yīng)用在什么地方?

今天，虹吸由于其低功耗要求和簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，享有廣泛的應(yīng)用。它們通常用于家庭應(yīng)用，如抽水馬桶、啤酒龍頭和簡(jiǎn)單的園藝灑水器。

虹吸管也被大規(guī)模地用于農(nóng)業(yè)地區(qū)的灌溉。由于它們的低能耗和成本，它們非常適合從水源向肥沃的干旱山谷長(zhǎng)距離輸送水。

虹吸效應(yīng)背后的科學(xué)原理是什么?

人們提出了許多理論來解釋虹吸管的工作原理。直到今天，對(duì)于究竟是什么導(dǎo)致了虹吸效應(yīng)，仍存在著激烈的爭(zhēng)論。但科學(xué)家們得出結(jié)論，這是兩個(gè)因素的結(jié)果。大氣壓力和連鎖理論。

大氣壓力理論是早期描述虹吸效應(yīng)的理論之一。它的理論是，當(dāng)液體通過管道被吸入時(shí)，吮吸的行為會(huì)導(dǎo)致管道內(nèi)的壓差，在最高點(diǎn)形成一個(gè)低壓區(qū)。這個(gè)壓差使液體從儲(chǔ)層表面的高壓區(qū)流向位于最高點(diǎn)的低壓區(qū)。這一理論的主要缺陷是，虹吸管已被證明可以在高真空(沒有空氣，沒有大氣壓力)下工作。

最近提出的理論是引力和黏聚力共同作用的理論。它基于鏈?zhǔn)侥Ｐ汀＿@個(gè)模型把流體看作是一個(gè)由內(nèi)聚鍵連接在一起的鏈。鏈條首先被另一個(gè)力向上通過管道，直到它通過彎曲處，然后重力接管，將整個(gè)流體向下拉，就像鏈條上的滑輪，直到儲(chǔ)液器空了。這一理論也被否定了，因?yàn)楹缥苁菫檎辰Y(jié)力低或弱的流體制造的。

如今，工程師們結(jié)合使用這兩種理論來解釋不同條件下的虹吸效應(yīng)。

在模擬虹吸管中的流體時(shí)，最常用的數(shù)學(xué)近似是伯努利理論。

這在數(shù)學(xué)上表示為:

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其中v=局部速度，g =重力加速度，P=壓力，y=到儲(chǔ)層表面的垂直距離，ρ =流體的密度

這個(gè)方程把整個(gè)虹吸作為一個(gè)系統(tǒng)來模擬。

假設(shè)在RL +5m高度的蓄水池中有一個(gè)潛水泵。水被泵出RL +8m的墻，并在RL 0m排出。讓我們求出當(dāng)管用作虹吸時(shí)出口的排氣速度。

為了求出這個(gè)，我們將伯努利方程應(yīng)用于方程組中的三點(diǎn):

1. 水庫(kù)的表面。point3最高。放電點(diǎn)

假設(shè)泵用于啟動(dòng)虹吸，并在流量開始后關(guān)閉，那么由于摩擦和其他影響造成的損失可以忽略不計(jì)。

在表面(2):

速度Vs=0米/秒(我們將儲(chǔ)層表面建模為無窮大)

壓力Ps = P atm(大氣壓力)距離地面(y) = 0m

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在最高點(diǎn)(h(3))處:

在h，我們有速度= vh壓力= Ph > patm距離表面yh = 8m - 5m = 3m。

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在最低點(diǎn)(d(4)):

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壓力=Ph = patm距離地面= 0-5= -5m

為了求速度Vd，我們讓(2)與(4)相等，得到:。

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然后我們有

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代入數(shù)值求解，得到速度為9.9m/s

然而，維持虹吸的條件是有限的。維持虹吸管的主要限制是空氣。虹吸必須是密封的，因?yàn)橄到y(tǒng)中過多的空氣會(huì)破壞虹吸運(yùn)行所依賴的真空。

此外,虹吸的高度受到液體的蒸汽壓和當(dāng)?shù)卮髿鈮毫槔?來維持一個(gè)虹吸系統(tǒng)中泵水從水庫(kù)在海平面上,儲(chǔ)層的表面之間的距離和最高點(diǎn)管不應(yīng)超過10米。

當(dāng)管道最高點(diǎn)超過10m時(shí)，最高點(diǎn)處的壓力等于水的蒸汽壓。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，水開始沸騰，打破了使液體鏈凝聚在一起的凝聚力，從而中斷了虹吸。有趣的是，高得多的虹吸管已經(jīng)被用于脫氣水。

摩擦如何影響虹吸?

在虹吸管中，當(dāng)虹吸管被填滿時(shí)，管的進(jìn)口、出口和內(nèi)壁的摩擦力和水的慣性力往往對(duì)流動(dòng)產(chǎn)生阻力。但這通常被抽吸力克服，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)實(shí)際應(yīng)用中，在虹吸開始之前，管子通常是被外力充滿的。

當(dāng)流體開始流動(dòng)并且只由虹吸提供動(dòng)力時(shí)，由摩擦造成的水頭損失就成為虹吸提供的流速的函數(shù)。摩擦造成的水頭損失隨著流速的增加而增加，即隨著湍流的增加，摩擦造成的損失也隨之增加。由于摩擦力的損失是流速的函數(shù)，它不會(huì)停止流動(dòng)，它只是降低了流動(dòng)速度。

為了找出摩擦引起的速度下降，我們引入阻力系數(shù)K到方程中，以解釋摩擦造成的損失。

K = (f *L /D) + 1.9(其他來源)..........(6)

式中:f =管道(鐵= .019，鋼= .013，塑料= .007)的摩擦系數(shù)L =變化量(運(yùn)行長(zhǎng)度)，(m)d =管道內(nèi)徑(m)

因此修改(5)得到流速(m/s):

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虹吸如何影響泵輸送系統(tǒng)?

正如我們?cè)谏厦娴恼鹿?jié)中所看到的，虹吸效應(yīng)在農(nóng)業(yè)、工程和普通日常應(yīng)用領(lǐng)域有許多用途。但在某些系統(tǒng)中，它也會(huì)成為一個(gè)問題。

在一些泵系統(tǒng)中，虹吸效應(yīng)可以與某些管道配置串聯(lián)使用，以提高壓頭，但如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，它也會(huì)導(dǎo)致某些問題。

如何在系統(tǒng)中發(fā)生?

由于管道的配置，泵送系統(tǒng)中可能發(fā)生虹吸現(xiàn)象。虹吸管是由水庫(kù)和排放點(diǎn)之間的垂直距離驅(qū)動(dòng)的。它發(fā)生在排放點(diǎn)低于水庫(kù)或泵站的情況下。

在虹吸中獲得的流速和體積流量是由泵點(diǎn)和排出點(diǎn)之間的垂直距離驅(qū)動(dòng)的。距離越大，流速越大。

虹吸會(huì)導(dǎo)致什么類型的問題?

讓我們以上面例子中的潛水泵為例。假設(shè)將水泵注滿一個(gè)游泳池，在達(dá)到一定水位后關(guān)閉，由于水庫(kù)和排水點(diǎn)的布置，即使關(guān)閉水泵，水仍會(huì)繼續(xù)流動(dòng)，導(dǎo)致游泳池溢出。

另一個(gè)問題出現(xiàn)了，如果我們逆轉(zhuǎn)配置，水泵是把水從一個(gè)較低的水庫(kù)到較高的“游泳池”。水泵關(guān)閉后，由于沒有凈壓差，水從低側(cè)流向高側(cè)，池中的廢水開始回流到儲(chǔ)水池中。這就是所謂的反虹吸，它是一個(gè)大的公共衛(wèi)生問題，因?yàn)槲ｋU(xiǎn)的污染物可能被吸進(jìn)水系統(tǒng)。

我們?nèi)绾吾槍?duì)這些問題進(jìn)行設(shè)計(jì)?

針對(duì)這些問題有多種設(shè)計(jì)方法，最常見的方法通常是將閥門與流量保持一致。這些閥門的一些例子如下:

電磁閥:這是一種電控閥門，可以幫助防止溢流，在泵停止時(shí)立即關(guān)閉管道中的水流。

止回閥:這種閥也可以用來防止反虹吸，當(dāng)它被放置在與流量一致時(shí)。它的特殊配置有助于確保流動(dòng)只朝著一個(gè)方向。它通常放置在泵的后面，以保護(hù)泵不發(fā)生回流。

但在某些情況下，電磁閥/止回閥可能過于昂貴或不適合設(shè)計(jì)。

這種情況下使用空氣/真空斷路器組合閥?？諝?真空斷路閥通常安裝在系統(tǒng)的最高點(diǎn)。它有兩個(gè)用途，排出系統(tǒng)中多余的空氣，防止壓力積聚，同時(shí)允許空氣進(jìn)入系統(tǒng)打破真空，消除虹吸效應(yīng)。

對(duì)于數(shù)百米以上的復(fù)雜管道，需要在管道長(zhǎng)度的不同位置安裝不同形式和尺寸的閥門，以提供適當(dāng)?shù)耐L(fēng)。但對(duì)于一個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，如上面給出的，一個(gè)簡(jiǎn)單的真空切斷閥可以使用。它必須安裝在最高點(diǎn)，而且必須使用合適的尺寸。

如何確定空氣/真空閥的尺寸:

在確定空氣/真空釋放閥的尺寸時(shí)，大多數(shù)工程師使用的是標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)驗(yàn)法則，即每0.3m管道直徑，閥門直徑為25mm。

但是對(duì)于需要精細(xì)控制的更復(fù)雜的應(yīng)用，大多數(shù)閥門公司都會(huì)發(fā)布白皮書和規(guī)范，說明如何正確選擇和安裝他們的產(chǎn)品。