从水力角度浅谈虹吸现象

2018-08-15马雪琴杨川

建材与装饰 2018年36期

马雪琴杨川

（杨凌职业技术学院陕西杨凌 712100）

1 引言

水力学是一门研究液体水的静止平衡规律和机械运动规律的学科。凡是与液体水有关的运动，都可以用水力学的基本原理解释。虹吸现象是工程和生活中常见的一种水力现象，水利工程中的虹吸管就是利用虹吸原理进行输水，如图1所示。虹吸管形成虹吸的方法一般有两种：①充水排气法：将进出口阀门关闭，使虹吸管充水，然后打开进、出口阀门，虹吸形成；②真空泵抽气法：从虹吸管中抽气，形成真空，打开出口阀门，虹吸形成。综合以上两种方法，其实质都是在管内形成真空，第一种方法是由于水从出口流出后，管中无空气补充而形成的真空。因此，一般都认为虹吸管工作的两个必要条件分别是真空的形成和上下游水位差。对于虹吸现象的发生，笔者在水力学教学过程中，有一些自己的思考。

2 虹吸形成的相关问题

虹吸现象是把液体从高出液面的管道自动引流出来的一种水力现象。对于虹吸现象的形成，很多教材都解释为顶端液体所受压强不同形成的，如图2所示，虹吸管顶端的液体左侧受水压强为pɑ-γh1，右侧压强为pɑ-γh2，其中pɑ为大气压强，左侧压力大于右侧，压力差产生了虹吸的水流运动。对于这样的解释存在一些疑惑，虹吸现象是运动水流的问题，而在压强分析的过程中，采用了静水力学的压强表示方法，由水动力学可知，均匀流或者渐变流断面上，动水压和静水压分布规律相同，但是虹吸管水流不同断面的压强是不同的，且不符合线性变化规律，由水力学能量方程可知，管道顶部末端压强是最小的，因此利用水静力学的方法去分析运动水流的问题有些不严谨。

在水静力学中，压强小于大气压强时称为真空，真空可以将水提到一定高度，最大的提水高度是10m，但是如果真空值太大，会发生汽化，因此真空高度一般都限制不超过7～8m水柱。虹吸现象的存在形式很多，在图2中，首先将B端出口关闭，以保证管中真空的形成，在真空的作用下水箱中的水被吸到高处，高处水流在重力作用下流出，这是虹吸发生的起始条件，管中水流的运动，可以用水力学的能量方程解释如下：由于进口A端和出口B端的动能相同，如果A端在水下的深度较小，A、B端的压强近似相同，为了保证水流运动，A端总能量必须大于B端，因此A端的位置势能必须大于B端，也即h1≻h2。图3中人们在喝饮料时，是通过吸管中形成真空喝到饮料的。那么如果把杯口密封，并对上部空气加压打气，杯中空气压强增大，水中各点压强相应增大，吸管中水的上升高度为压强水头，当水中压强增大到一定值时，吸管压强水头升到最高，并在重力作用下了流出，杯中空气压强增大越多越快，吸管输水的速度越快，在这种情形下，吸管不存在真空和进出口的高度差，很多人认为这种现象也属于虹吸现象。表面看，这种现象属于将液体从高出液面的管道引流出来，但由于这种现象需要外力作用，不属于自动引流，所以不属于虹吸现象。