虹吸管是一種彎管，用來將液體從高液位轉移到低液位。液體通常從高液位流到低液位，而虹吸效應可以將液體從高液位流到更高液位，然后再流回更低液位。這種效應是可能的，因為在較高的液位中，液體表面的空氣受到壓力，從而推動液體。

虹吸效應是如何工作的?

虹吸管最高點的C點稱為峰頂。由于點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，但在實際中，這個壓力僅為-7.6m的水或2.7m的絕對水。

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

水流將被阻塞。

誰發明了虹吸效應?

人類使用虹吸管已經有幾個世紀的歷史了。虹吸管最早出現在古埃及藝術中。它描述了他們使用虹吸管從大儲酒罐中提取葡萄酒。他們巧妙地使用虹吸管將葡萄酒從表面雜質和底部渣滓中分離出來。

亞歷山大的希臘數學家希羅是第一個描述虹吸效應的人。他進行了許多實驗，并在他的工程論文《氣動》中寫了相關的文章。

虹吸效應用在什么地方?

今天，虹吸由于其低功耗要求和簡單的結構，享有廣泛的應用。它們通常用于家庭應用，如抽水馬桶、啤酒龍頭和簡單的園藝灑水器。

虹吸管也被大規模地用于農業地區的灌溉。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距離輸送水。

虹吸效應背后的科學原理是什么?

人們提出了許多理論來解釋虹吸管的工作原理。直到今天，對于究竟是什么導致了虹吸效應，仍存在著激烈的爭論。但科學家們得出結論，這是兩個因素的結果。大氣壓力和連鎖理論。

大氣壓力理論是早期描述虹吸效應的理論之一。它的理論是，當液體通過管道被吸入時，吮吸的行為會導致管道內的壓差，在最高點形成一個低壓區。這個壓差使液體從儲層表面的高壓區流向位于最高點的低壓區。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。它基于鏈式模型。這個模型把流體看作是一個由內聚鍵連接在一起的鏈。鏈條首先被另一個力向上通過管道，直到它通過彎曲處，然后重力接管，將整個流體向下拉，就像鏈條上的滑輪，直到儲液器空了。這一理論也被否定了，因為虹吸管是為粘結力低或弱的流體制造的。

如今，工程師們結合使用這兩種理論來解釋不同條件下的虹吸效應。

在模擬虹吸管中的流體時，最常用的數學近似是伯努利理論。

這在數學上表示為:

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

這個方程把整個虹吸作為一個系統來模擬。

假設在RL +5m高度的蓄水池中有一個潛水泵。水被泵出RL +8m的墻，并在RL 0m排出。讓我們求出當管用作虹吸時出口的排氣速度。

為了求出這個，我們將伯努利方程應用于方程組中的三點:

1. 水庫的表面。point3最高。放電點

假設泵用于啟動虹吸，并在流量開始后關閉，那么由于摩擦和其他影響造成的損失可以忽略不計。

在表面(2):

速度Vs=0米/秒(我們將儲層表面建模為無窮大)

壓力Ps = P atm(大氣壓力)距離地面(y) = 0m

在最高點(h(3))處:

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

在最低點(d(4)):

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:。

然后我們有

代入數值求解，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，因為系統中過多的空氣會破壞虹吸運行所依賴的真空。

此外,虹吸的高度受到液體的蒸汽壓和當地大氣壓力為例,來維持一個虹吸系統中泵水從水庫在海平面上,儲層的表面之間的距離和最高點管不應超過10米。

當管道最高點超過10m時，最高點處的壓力等于水的蒸汽壓。當這種情況發生時，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被用于脫氣水。

摩擦如何影響虹吸?

在虹吸管中，當虹吸管被填滿時，管的進口、出口和內壁的摩擦力和水的慣性力往往對流動產生阻力。但這通常被抽吸力克服，因為在大多數實際應用中，在虹吸開始之前，管子通常是被外力充滿的。

當流體開始流動并且只由虹吸提供動力時，由摩擦造成的水頭損失就成為虹吸提供的流速的函數。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，它不會停止流動，它只是降低了流動速度。

為了找出摩擦引起的速度下降，我們引入阻力系數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L =變化量(運行長度)，(m)d =管道內徑(m)

因此修改(5)得到流速(m/s):

虹吸如何影響泵輸送系統?

正如我們在上面的章節中所看到的，虹吸效應在農業、工程和普通日常應用領域有許多用途。但在某些系統中，它也會成為一個問題。

在一些泵系統中，虹吸效應可以與某些管道配置串聯使用，以提高壓頭，但如果設計不當，它也會導致某些問題。

如何在系統中發生?

由于管道的配置，泵送系統中可能發生虹吸現象。虹吸管是由水庫和排放點之間的垂直距離驅動的。它發生在排放點低于水庫或泵站的情況下。

在虹吸中獲得的流速和體積流量是由泵點和排出點之間的垂直距離驅動的。距離越大，流速越大。

虹吸會導致什么類型的問題?

讓我們以上面例子中的潛水泵為例。假設將水泵注滿一個游泳池，在達到一定水位后關閉，由于水庫和排水點的布置，即使關閉水泵，水仍會繼續流動，導致游泳池溢出。

另一個問題出現了，如果我們逆轉配置，水泵是把水從一個較低的水庫到較高的游泳池。水泵關閉后，由于沒有凈壓差，水從低側流向高側，池中的廢水開始回流到儲水池中。這就是所謂的反虹吸，它是一個大的公共衛生問題，因為危險的污染物可能被吸進水系統。

我們如何針對這些問題進行設計?

針對這些問題有多種設計方法，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，在泵停止時立即關閉管道中的水流。

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

但在某些情況下，電磁閥/止回閥可能過于昂貴或不適合設計。

這種情況下使用空氣/真空斷路器組合閥。空氣/真空斷路閥通常安裝在系統的最高點。它有兩個用途，排出系統中多余的空氣，防止壓力積聚，同時允許空氣進入系統打破真空，消除虹吸效應。

對于數百米以上的復雜管道，需要在管道長度的不同位置安裝不同形式和尺寸的閥門，以提供適當的通風。但對于一個簡單的設計，如上面給出的，一個簡單的真空切斷閥可以使用。它必須安裝在最高點，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，大多數工程師使用的是標準的經驗法則，即每0.3m管道直徑，閥門直徑為25mm。

但是對于需要精細控制的更復雜的應用，大多數閥門公司都會發布白皮書和規范，說明如何正確選擇和安裝他們的產品。