虹吸

一种关于流体流动的物理学现象
虹吸(Siphon或Syphon)[1]是一种流体力学现象,描述了液体在两个具有高度差的容器之间,通过充满液体的倒U形管(虹吸管)自动流动的过程。虹吸管里灌满液体,没有气。虽然两边的大气压相等,但是来水端的水位高,压强大,推动来水不断流出出水口。在这个过程中,液体会自动从较高的液面经过高出液面的管段,流向较低的液面。[3]虹吸所用的曲管叫做虹吸管。[3][4]虹吸管利用重力和液体内聚力运行。[5]在U形管内灌满液体,用手指按住管口,把它倒过来,并把一端放入液面较高的容器中,另一端放入液面较低的容器中,松开手指就会看到液体从液面较高的容器通过管子流入液面较低的容器。[6]
自然中的虹吸现象虹吸速度受伯努利方程的约束,速度由两个容器的高度差决定,而管道顶部最大高度则受大气压强影响,通常约为10米。常见的有虹吸泉,是碳酸盐岩石山区的地下管道系统形成了虹吸结构,并和地面联通而出现的。[7]当地下空间中的水超过一定高度(虹吸弯的高度)时,泉盆一口气排空。然后,它停止排水,直到地下空间中的水再次超过虹吸弯的高度。[8]
公元前1500年,埃及人就利用过虹吸管。在古希腊时期,虹吸现象被用于工程设计。在中国古代,虹吸现象也有诸多记载和应用,如用于灌溉的‘渴乌’和利用虹吸原理设计的漏壶。至今,[a]虹吸已经应用与实际工程中,生活中,医疗中等各方面。[2][9][10][11]应用虹吸原理的实际工程有:黄河下游虹吸管引黄灌溉、给水虹吸滤池、排水工程中的虹吸溢洪道等;[2]生活应用有公道杯、虹吸马桶等;[9][10]医疗应用有洗胃管等。[11]

定义

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