虹吸效应(如何实现自动虹吸)

虹吸管是一种用于将液体从高位输送到低位的弯管。通常情况下，液体从高位流向低位，虹吸效应可以将液体从高位移动到高位，然后回到低位。这种效应是可能的，因为空液体表面的气体处于较高水平的压力下，从而推动液体。

虹吸效应是如何工作的?

虹吸管最高点的C点称为顶点。由于C点高于水箱A中水的自由表面，C点的压力将小于大气压力。

理论上可以把C的压力降到-10.3m水，但实际上这个压力只有-7.6m水或者2.7m绝对水。

当C处压力小于2.7m绝对水时，溶解空气体等气体会从水中出来，聚集在峰顶。

水流会被堵塞。

谁发明了虹吸效应?

人体虹吸管已经使用了几个世纪。虹吸管最早出现在古埃及艺术中。它描述了他们使用虹吸管从大型储酒罐中提取葡萄酒。他们巧妙地利用虹吸管将葡萄酒从表面杂质和底部渣滓中分离出来。

亚历山大的希腊数学家希律是第一个描述虹吸效应的人。他进行了许多实验，并在他的工程论文《空气动力学》中写了相关文章。

虹吸效应用在什么地方?

如今，虹吸管因其功耗低、结构简单而被广泛使用。它们通常用于家庭应用，如抽水马桶、啤酒龙头和简单的花园洒水器。

虹吸管也广泛用于农业地区的灌溉。由于其低能耗和低成本，它们非常适合于将水从水源长距离输送到肥沃干旱的山谷。

虹吸效应背后的科学原理是什么?

已经提出了许多理论来解释虹吸管的工作原理。直到今天，关于虹吸效应是由什么引起的，仍然存在激烈的争论。但是科学家们得出结论，这是两个因素的结果。大气压和链式理论。

大气压理论是最早描述虹吸效应的理论之一。它的理论是，当液体通过管道吸入时，吸入行为会导致管道内的压力差，在最高点形成低压区。这种压力差使得液体从储层表面的高压区流向最高点的低压区。这个理论的主要缺陷是虹吸已经被证明在高真空(无空气体，无大气压)下工作。

最新的理论是引力和内聚力相互作用的理论。它基于链式模型。该模型将流体视为由内聚键连接的链。首先，链条被另一个力向上推着穿过管道，直到它通过弯头，然后重力接管，将整个流体拉下来，就像链条上的滑轮一样，直到到达油藏空。这个理论也被否定了，因为虹吸管是为内聚力低或弱的流体制造的。

如今，工程师们将这两种理论结合起来解释不同条件下的虹吸效应。

在模拟虹吸管中的流体时，伯努利理论是最常用的数学近似。

这在数学上表示为:

其中v=局部速度，g =重力加速度，P=压力，y=到储层表面的垂直距离，ρ =流体密度

该方程将整个虹吸管模拟为一个系统。

假设水库里有一台潜水泵，高度RL +5m。水从RL +8m的墙中抽出，并在RL 0m处排出。我们来求一下管道当虹吸管用时，出口的排气速度。

为了找到这一点，我们将伯努利方程应用于方程中的三个点:

1.水库的水面。点3最高。卸载站

假设泵用于启动虹吸，并在流动开始后关闭，由于摩擦和其他影响造成的损失可以忽略不计。

在表面上(2):

Vs=0米/秒(我们将储层表面建模为无限大)

Ps = P atm(大气压力y) =距离地面0米(y)

在最高点(h(3)):

在h，我们有速度= vh压力= ph >；Patm yh = 8m-5m =距离地面3m。

在最低点(d(4)):

压力=Ph = patm =距离地面0-5= -5m

为了求速度Vd，让(2)等于(4)，得到:。

然后我们有

代入数值解，速度为9.9m/s。

然而，维持虹吸的条件是有限的。维持虹吸的主要限制是空气。虹吸必须密封，因为系统中过多的空气体会破坏虹吸操作所依赖的真空。

此外，虹吸管的高度受液体的蒸汽压和当地大气压力的影响，例如，要维持一个虹吸系统，在该系统中，从海平面的水库抽水，水库表面与最高点管道之间的距离不应超过10米。

当管道最高点超过10m时，最高点的压力等于水的蒸汽压。当这种情况发生时，水开始沸腾，打破了将液体链结合在一起的内聚力，从而中断了虹吸。有趣的是，一个高得多的虹吸管被用来排水。

摩擦如何影响虹吸?

在虹吸管中，当虹吸管充满水时，虹吸管入口、出口和内壁的摩擦力以及水的惯性力往往会对水流产生阻力。但这通常会被吸力克服，因为在大多数实际应用中，在虹吸开始之前，管道通常会充满外力。

当流体开始流动并且仅由虹吸管提供动力时，由摩擦引起的压头损失变成由虹吸管提供的流速的函数。摩擦引起的水头损失随着流速的增加而增加，即随着湍流的增加，摩擦引起的损失也增加。因为摩擦损失是流速的函数，它不会阻止流动，但只会降低流速。

为了找出摩擦引起的速度下降，我们在方程中引入阻力系数K来解释摩擦引起的损失。

K = (f *L /D)+1.9(其他来源)..........(6)

式中:f =管道摩擦系数(铁= .019，钢= .013，塑料= .007) L =变化量(运行长度)，(m)d =管道内径(m)

因此，修改(5)以获得流量(m/s):

虹吸如何影响泵输送系统?

正如我们在以上章节中所看到的，虹吸效应在农业、工程和日常应用中有许多用途。但是在某些系统中，这也会成为一个问题。

在一些泵系统中，虹吸效应可以与一些管道配置串联使用，以提高压头，但如果设计不当，也会导致一些问题。

如何在系统中发生?

由于管道配置，虹吸可能发生在泵送系统中。虹吸管由蓄水池和排放点之间的垂直距离驱动。当排放点低于水库或泵站时，就会发生这种情况。

虹吸管中获得的速度和体积流量由泵点和排放点之间的垂直距离决定。距离越大，速度越大。

虹吸会导致什么类型的问题?

我们就以上例中的潜水泵为例。假设一个游泳池里放满了水泵，达到一定水位后就关掉了。因为蓄水池和排水点的安排，即使关掉水泵，水还是会继续流，造成游泳池的溢出。

另一个问题出现了。如果我们把配置反过来，水泵就是把水从一个较低的水库转移到一个较高的“游泳池”。水泵关闭后，由于没有净压差，水从低侧流向高侧，池内废水开始回流到储水池。这被称为反虹吸，这是一个很大的公共卫生问题，因为危险的污染物可能会被吸入水系统。

我们如何针对这些问题进行设计?

解决这些问题的设计方法有很多，最常用的方法是使阀门与流量保持一致。这些阀门的一些例子如下:

电磁阀:这是一个电控阀，它可以帮助防止溢流，并在泵停止时立即切断管道中的水流。

止回阀:当安装在与流速一致的位置时，这种阀门也可以用来防止反虹吸。它的特殊结构有助于确保水流只向一个方向流动。它通常安装在泵的后面，以防止回流。

然而，在某些情况下，电磁阀/止回阀可能太贵或不适合设计。

在这种情况下，使用空气体/真空断路器组合阀。空气/真空断路器一般安装在系统的最高点。它有两个作用:排出系统中多余的空气体，防止压力积聚，让空气体进入系统破真空，消除虹吸效应。

对于数百米以上的复杂管道，需要在管道长度的不同位置安装不同形式和尺寸的阀门，以提供适当的通风。但是对于简单的设计，如上所述，可以使用简单的真空关闭阀。它必须安装在最高点，并且必须使用合适的尺寸。

如何确定空气/真空阀的尺寸:

在确定空气/真空泄压阀的尺寸时，大多数工程师使用标准的经验法则，即每0.3m的管径，阀门直径为25mm。

但是对于需要精细控制的更复杂的应用，大多数阀门公司会发布白皮书和规范来解释如何正确选择和安装他们的产品。