虹吸演示實驗儀說明書

一、實驗目的
1.觀察虹吸發生、發展及破壞的過程。
2. 理解虹吸工作的原理及估算虹吸管能使虹吸正常工作的高度。
二、實驗設備


三、實驗原理
在生產和生活中，常見用一根管子從大容器液面下繞過容器上口向外導流液體。這種管子稱為虹吸管，管內的水流現象稱為虹吸現象。虹吸管的工作原理是先將管中空氣抽出，使虹吸管路形成真空，在大氣壓強的作用下，高水位水箱的水從管口上升到管的頂部，然后流向低水位水箱。
下面應用穩定總流量能量方程來分析和求解虹吸管水流的流速、流量、虹吸高度等問題。
下圖中，首先選取通過虹吸管水流出口點的水平面0—0 ′為基準面。然后根據已知條件，正確選擇計算斷面，為了求解管內流速及流量，我們應選取通過水池表面A點的斷面1—1和通過虹吸管出口處C點的斷面2—2，列出穩定總流量能量方程：

由上式可以看出，虹吸管引流液體的能量來自虹吸管出口至容器內水面間的位能（位置水頭）H，它的一部分用于克服虹吸管內的阻力，即損失能量hw，另一部分用于轉變為流速水頭，以保證有一定的流量流出。由此可得虹吸管內的斷面平均流速為：

因而通過虹吸管的流量為：

虹吸高度h（即虹吸管的頂點到容器水面的距離）是有一定限制的。下面我們通過對虹吸管最高處的水力特性分析來說明，仍以上面所選的0—0 ′為計算基準面，并對斷面1—1和斷面3—3寫出穩定總流能量方程：

由于及，則：
 
式中右邊括弧中各項皆為正值，為負值，即C點產生真空，其真空度為：


因此，對于水來講，虹吸高度h的理論值應為：

通過彎管流量計的流量為：


四、實驗步驟
1.將測壓小水箱中加水至1/2。為增加演示效果，可在水中加入少量紅墨水。
2.開啟水泵，向高水位水箱，低水位水箱注水，使高水位水箱有溢流，低水位水箱水位達到后，關閉供水閥。
3.打開低位水箱的放水閥，在虹吸管形成真空后，水流將由高位水箱向低位水箱流動，同時能看到測壓小水箱中的各測壓管中的水位的變化，顯示管路中各處的真空壓力值，其它兩根用以測量虹吸管路中彎管流量計的壓差。
4.打開螺塞，吸入空氣，可觀察虹吸之破壞過程。
五、思考題
1、為什么虹吸式出水流道出口下方會出現渦旋？
2、如何消除虹吸式出水流道出口下方出現的渦旋？