虹吸

一种关于流体流动的物理学现象

虹吸

虹吸（Siphon或Syphon）[0]是一种流体力学现象，指可以不借助泵，利用曲管将液体经过高出液面的地方引向低处的现象。[2]虹吸所用的曲管叫做虹吸管。[2][3]虹吸管利用重力和液体内聚力运行。[4]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。[5]自然中的虹吸现象常见的有虹吸泉，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。[6]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。[7]

虹吸（Siphon或Syphon）[1]是一种流体力学现象，指可以不借助泵，利用曲管将液体经过高出液面的地方引向低处的现象。[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。[9]在中国宋代，杨侃的《雨汉博闻》卷十中，也已有利用虹吸引水的描述，人们已经开始利用虹吸于农业引水。[10]至今，[注1]虹吸已经应用与实际工程中，生活中，医疗中等各方面。[2][11][12][13]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；[11][12]医疗应用有洗胃管等。[13]

定义

虹吸现象是一种流体力学现象，就是利用曲管将液体经过高出液面的地方引向低处的现象。[3]

虹吸
虹吸

发生条件

参考上图

存在液面高度差。[6]曲管内充满液体。[6]虹吸管高度应小于虹吸管最大高度，当虹吸液体具有溶解气体时，当虹吸管液体被脱气，没有气蚀时，，其中是液体的抗拉强度。[5][注2]

简史

埃及浮雕可以证明公元前1500年，埃及人就利用过虹吸管，用于取出储存于大陶罐的液体。[9][注3][14]

公元前6世纪萨摩斯岛（Samos）的毕达哥拉斯正义杯（Pythagorean cup）使用了虹吸原理。[15] [注4]

毕达哥拉斯正义杯
毕达哥拉斯正义杯

在公元前387年，据说帕拉图利用虹吸现象液体的流动带动气体吹响警报，以制造闹钟来唤醒他的学生。[16]

公元一世纪，亚历山大苍鹭（Hero of Alexandria）建造了太阳能虹吸管[17]

虹吸相关资料图
虹吸相关资料图虹吸相关资料图

宋代杨侃的《雨汉博闻》卷十中，已有利用虹吸引水的描述，见上图。[10]王徽的《诸器图说》内有明确的利用虹吸原理引水的器械图。[10]

明代，人们对虹吸现象的认识已深入一步。徐光启述及“过山龙”（即虹吸管）的引水条件是“必上水高于下水，则可为之，至平则止”，在流水中“必须上流高于下流”。[10][18]

徐霞客在游历云南鸡足山时，曾推断寺庙里喷泉的高度，称“此必别有一水，其高与此并”。[18]

方以智也认为，过山龙“其来处何高，则所激之高可与之比。或故使之瀑下，就以筒承瀑，则水激而上。上既出，则流通而不止矣”。[18]

开始流动的原因（流体静力学）

虹吸现象静力学角度分析图
虹吸现象静力学角度分析图

在虹吸管最高点取一竖直的液片（见上图），这个液片在充满液体的封住的虹吸管管口打开瞬时，受到向右的压强（表示重度，），受到向左的压强，由于，所以，又因为液片两面的面积相等，所以向右的压力大于向左的压力，所以液片将向右移动。这就是液体开始从液面高的容器流向液面低的容器的原因。[6]

加速流动阶段

虹吸现象分析图
虹吸现象分析图

设在流体内取一流线，记顺流线方向压强为，逆流线方向压强为，压强差为。

如上图，阻塞管口，管内液体静止。由平衡条件可知，各处压强差，。点〈在容器的液面处）的压强(为装置外部气压，一般为大气压强)。，点（在容器的液面处）的压强。

开启B管口瞬间，突然改变，此时，，。而顺流线方向压强为未变，可求得此时、、处压强差都为。[20]

不计阻力，在作用下，液体顺流线方向做加速流动，液体一经流动，压强发布随流速发生变化，流速越大，压强差越小，直至压强差为零。这就是虹吸的加速流动阶段，此过程时间较短。[6][19]

稳定流动阶段（虹吸维持阶段）

加速流动阶段后，虹吸管内液流保持稳定，虹吸管粗细均匀，则各处管内流速相同，记为。由伯努利方程可知，理想液体的稳定流动中，存在，[21]其中为据基准水平面深度，以高度为基准水平面，讨论可得各处常量的表示如下：处：，处：，处：，若处液面面积与虹吸管截面面积比为，则，则处：，；b处于与液面高度齐平，不考虑阻力等理想情况下，b处可看做敞开于大气压下，则，所以，得，若处液面面积远大于虹吸管截面面积，即，，所以。[19][20]

虹吸管最大高度

虹吸模型存在两种，一种认为虹吸管通过重力和大气压力运行，另一种则认为虹吸管是通过重力和液体内聚力运行。大气模型认为虹吸管的最大高度大约等于环境气压支撑的液体柱的高度，即。已有实验提供了确凿的证据，证明虹吸管通过重力和分子内聚力运作。以下为内聚模型下虹吸管最大高度。[5]

虹吸液体具有溶解气体时

虹吸管顶部的压力（见上左图）低于液体的给定温度下的蒸气压（温度为液体沸点时的气压[22]）时，液体将沸腾，使虹吸管内液柱断裂。断裂后（见上右图），两侧的液柱由环境气压和虹吸管顶端气压之间的压差支撑。此时虹吸管最大高度，其中是环境大气压，是液体的蒸气压，是液体的平均速度。[5]

水的沸点随压强变化参考值
水的沸点随压强变化参考值

虹吸管液体被脱气，没有气蚀的情况

产生内聚力的原因是表面需要耗费能量。对于水来说，表面能通常被称为表面张力。由于气泡表面的能量，在水中产生气泡需要耗费能量。气泡要保持稳定，必须得到气体内部压力或水中等效张力（负压）的支持。完全脱气的水的内聚强度有可能支撑大于数百米（大气压可支撑的水柱高度约米）的连续垂直柱。此时虹吸管最大高度，其中是液体的抗拉强度。[5]

自然中的虹吸现象

在碳酸盐岩石山区，降雨、地面河湖水流渗入地下，沿岩石中破碎带的裂缝隙溶解岩石，以溶液形式带走可溶成分，如此长期(按地质年代计)作用，岩石不断溶蚀，缝不停地扩大，最终促成地下管道系统产生，水气就能在三度空间的管网中流动，管网的不同组合，有时会成为虹吸结构，和地面联通后出现虹吸泉和会呼吸的洞。[7]

虹吸泉原理示意图
虹吸泉原理示意图

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，所以流是间歇性的。[8]

特殊的虹吸现象——自发虹吸

某些液体，如聚乙烯水溶液，只要倒出一些液体来启动虹吸现象，它就能自发地出现虹吸现象而流出容器。[23]

液氮-4超流会从无孔可钻的玻璃或金属容器中腾壁外逃，产生自发虹吸作用，自动寻找最低停留位置。[24][25]

自发虹吸
自发虹吸自发虹吸

实际工程

虹吸管引水、输水已广泛地用于实践工程中，如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]

引黄灌溉示意图
引黄灌溉示意图

生活应用

公道杯：中国古代汉族饮酒用的瓷制品，杯中央立一老翁或龙头。杯中央有一个空心瓷管，管上口相当于老翁胸前的黑痣高度(或龙领)，管下通杯底的小孔。向杯内注水时，若水位低于瓷管上口，水不会漏出;当水位超过瓷管上口，水即通过杯底的漏水孔漏光。[11]

公道杯图示
公道杯图示

虹吸式马桶：虹吸式马桶的虹吸作用即当马桶便池内水位增高充满排污管道，与便器排污口形成水位差时，虹吸形成，污物随之排出。[12]

虹吸马桶示意图
虹吸马桶示意图

医疗使用

洗胃管：胃管经过食道进入胃腔，将放低的漏斗充满液体，慢慢上举，液体进入胃中，此时下降漏斗，液体沿方向流至漏斗。[13]

洗胃工具示意图
洗胃工具示意图

虹吸现象与毛细现象

毛细现象是指在附加压力作用下，流体在毛细管内发生宏观流动的现象。[27]

毛细现象示意图
毛细现象示意图

如果液体能润湿毛细管管壁，表面管壁分子与液体分子之间的作用力大于液体分子本体的作用力，液体分子将沿管壁向上攀附从而形成一凹液面，并产生向上的附加压力，导致毛细上升。[27]

如果液体不能润湿毛细管管壁，表面管壁分子与液体分子之间的作用力小于液体分子本体的作用力，液体分子将被管壁排斥从而形成一凸液面，并产生向下的附加压力，导致毛细下降。[27]

差异点：形成原因不同，毛细现象中液面上升或下降与表面张力有关。[28]而虹吸现象液体先向上流动再向下流动是利用了重力和液体内聚力。[5]

虹吸管与倒虹吸管

倒虹吸管(又称反虹管、地龙或地涵）是渠道穿越山谷、河流、洼地，通过道路或其它渠道的压力输水管道，是一种渠道交叉建筑物，是灌区配套工程中的重要建筑物之一。[29][30]

倒虹吸管形状似倒置的虹吸管，所以被称作“倒虹吸管”。[31]

一种倒虹吸管示意图
一种倒虹吸管示意图

异同：倒虹吸管管道一般低于上下游水面，依靠上下游水位差的作用进行输水，[32]而虹吸管管道最高点高于液面，液体流动依靠了重力和液体内聚力，液体也由高液面流向低液面。[5][6]

参考资料 32

  1. 术语在线—权威的术语知识服务平台 — 术语在线
  2. 参考 2
  3. 参考 3
  4. 参考 4
  5. https://doi.org/10.1038/srep16790
  7. 参考 7
  8. The Amazing Self-Emptying Cup (Pythagoras' Cup) — Davidson Institude
  9. 参考 9
  11. 参考 11
  12. 参考 12
  14. 参考 14
  15. 参考 15
  16. 参考 16
  17. 参考 17
  22. 参考 22
  25. 参考 25
  26. The Bowl Siphon — howstuffworks
  27. 参考 27
  28. 参考 28
  29. 参考 29
  30. 参考 30
  31. 参考 31
  32. 参考 32

注释

  1. 本词条写于2023年。
  2. 虹吸管最大高度的具体计算见下文中的“原理分析——虹吸管最大高度”。
  3. 参考资料原文书籍为2015年出版的《Professor Povey's Perplexing Problems》，作者为Thomas Povey。
  4. 中国古代汉族饮酒用瓷制品“公道杯”也使用了一样的原理，具体原理见下文中“应用——虹吸原理的具体应用”。
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