馬雪琴 楊川

（楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西楊凌 712100）

1 引言

水力學(xué)是一門研究液體水的靜止平衡規(guī)律和機(jī)械運(yùn)動規(guī)律的學(xué)科。凡是與液體水有關(guān)的運(yùn)動，都可以用水力學(xué)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(jìn)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(jìn)出口閥門關(guān)閉，使虹吸管充水，然后打開進(jìn)、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(bǔ)充而形成的真空。因此，一般都認(rèn)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(xué)教學(xué)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(qiáng)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(qiáng)為pɑ-γh1，右側(cè)壓強(qiáng)為pɑ-γh2，其中pɑ為大氣壓強(qiáng)，左側(cè)壓力大于右側(cè)，壓力差產(chǎn)生了虹吸的水流運(yùn)動。對于這樣的解釋存在一些疑惑，虹吸現(xiàn)象是運(yùn)動水流的問題，而在壓強(qiáng)分析的過程中，采用了靜水力學(xué)的壓強(qiáng)表示方法，由水動力學(xué)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(qiáng)是不同的，且不符合線性變化規(guī)律，由水力學(xué)能量方程可知，管道頂部末端壓強(qiáng)是最小的，因此利用水靜力學(xué)的方法去分析運(yùn)動水流的問題有些不嚴(yán)謹(jǐn)。

在水靜力學(xué)中，壓強(qiáng)小于大氣壓強(qiáng)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(yùn)動，可以用水力學(xué)的能量方程解釋如下：由于進(jìn)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(qiáng)近似相同，為了保證水流運(yùn)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(qiáng)增大，水中各點(diǎn)壓強(qiáng)相應(yīng)增大，吸管中水的上升高度為壓強(qiáng)水頭，當(dāng)水中壓強(qiáng)增大到一定值時，吸管壓強(qiáng)水頭升到最高，并在重力作用下了流出，杯中空氣壓強(qiáng)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(jìn)出口的高度差，很多人認(rèn)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(xué)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(xué)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(jìn)口管。

圖1

圖2

圖3