從水力角度淺談虹吸現(xiàn)象

馬雪琴 楊川

（楊凌職業(yè)技術(shù)學院 陜西楊凌 712100）

1 引言

水力學是一門研究液體水的靜止平衡規(guī)律和機械運動規(guī)律的學科。凡是與液體水有關(guān)的運動，都可以用水力學的基本原理解釋。虹吸現(xiàn)象是工程和生活中常見的一種水力現(xiàn)象，水利工程中的虹吸管就是利用虹吸原理進行輸水，如圖1所示。虹吸管形成虹吸的方法一般有兩種：①充水排氣法：將進出口閥門關(guān)閉，使虹吸管充水，然后打開進、出口閥門，虹吸形成；②真空泵抽氣法：從虹吸管中抽氣，形成真空，打開出口閥門，虹吸形成。綜合以上兩種方法，其實質(zhì)都是在管內(nèi)形成真空，第一種方法是由于水從出口流出后，管中無空氣補充而形成的真空。因此，一般都認為虹吸管工作的兩個必要條件分別是真空的形成和上下游水位差。對于虹吸現(xiàn)象的發(fā)生，筆者在水力學教學過程中，有一些自己的思考。

2 虹吸形成的相關(guān)問題

虹吸現(xiàn)象是把液體從高出液面的管道自動引流出來的一種水力現(xiàn)象。對于虹吸現(xiàn)象的形成，很多教材都解釋為頂端液體所受壓強不同形成的，如圖2所示，虹吸管頂端的液體左側(cè)受水壓強為pɑ-γh1，右側(cè)壓強為pɑ-γh2，其中pɑ為大氣壓強，左側(cè)壓力大于右側(cè)，壓力差產(chǎn)生了虹吸的水流運動。對于這樣的解釋存在一些疑惑，虹吸現(xiàn)象是運動水流的問題，而在壓強分析的過程中，采用了靜水力學的壓強表示方法，由水動力學可知，均勻流或者漸變流斷面上，動水壓和靜水壓分布規(guī)律相同，但是虹吸管水流不同斷面的壓強是不同的，且不符合線性變化規(guī)律，由水力學能量方程可知，管道頂部末端壓強是最小的，因此利用水靜力學的方法去分析運動水流的問題有些不嚴謹。

在水靜力學中，壓強小于大氣壓強時稱為真空，真空可以將水提到一定高度，最大的提水高度是10m，但是如果真空值太大，會發(fā)生汽化，因此真空高度一般都限制不超過7～8m水柱。虹吸現(xiàn)象的存在形式很多，在圖2中，首先將B端出口關(guān)閉，以保證管中真空的形成，在真空的作用下水箱中的水被吸到高處，高處水流在重力作用下流出，這是虹吸發(fā)生的起始條件，管中水流的運動，可以用水力學的能量方程解釋如下：由于進口A端和出口B端的動能相同，如果A端在水下的深度較小，A、B端的壓強近似相同，為了保證水流運動，A端總能量必須大于B端，因此A端的位置勢能必須大于B端，也即h1?h2。圖3中人們在喝飲料時，是通過吸管中形成真空喝到飲料的。那么如果把杯口密封，并對上部空氣加壓打氣，杯中空氣壓強增大，水中各點壓強相應增大，吸管中水的上升高度為壓強水頭，當水中壓強增大到一定值時，吸管壓強水頭升到最高，并在重力作用下了流出，杯中空氣壓強增大越多越快，吸管輸水的速度越快，在這種情形下，吸管不存在真空和進出口的高度差，很多人認為這種現(xiàn)象也屬于虹吸現(xiàn)象。表面看，這種現(xiàn)象屬于將液體從高出液面的管道引流出來，但由于這種現(xiàn)象需要外力作用，不屬于自動引流，所以不屬于虹吸現(xiàn)象。

3 結(jié)論

綜上，虹吸現(xiàn)象的發(fā)生源于水靜力學的真空原理，因此虹吸管的安裝高度有限制，虹吸現(xiàn)象的持續(xù)源于水動力學的能量方程，也即水流從能量較大的地方流向能量較小的地方，因此出口管的高程要低于進口管。

圖1

圖2

圖3