本发明涉及流体力学应用领域，尤其是涉及一种管道流体流速增速方法及管道流体输送系统。
背景技术：
管道流体即在管道内流动的流体。管道流体力学也即研究流体在管道内流动情况的科学。虹吸现象是一种常见的管道流体流动现象。虹吸(syphonage)是利用液面高度差的作用力现象，将液体充满一根倒u形的管状结构(虹吸管)内后，将管口较高的一端置于装满液体的容器中，该容器内的液体就会持续通过虹吸管从较低的管口处流出。虹吸的实质是因为重力和分子间粘聚力而产生。虹吸管内最高点液体在重力作用下往低位管口处移动，在u型的虹吸管内部产生负压，导致高位管口的液体被吸进最高点，从而使液体源源不断地流入低位置的容器中。当两个容器液面高低不同时，用管子将两个容器连通，不论管子什么形状，在液体自身重力的作用下，总有保持液面相平的运动趋势，即将流动的液体所受的合力指向下方，因此液体从高处流向低处。
在虹吸等管道流体输送系统中，传统的往往只关注研究管道的构造与管道中流体的空间对流速的影响，当系统设定后，流速和效率基本恒定。如果要增大流速，往往是通过泵、或者在管道的流体入口或供液的一侧施加压力的方式，这些方式操作复杂，不易控制，且需要专用的加压设备，成本较高。
技术实现要素：
基于此，有必要提供一种可有效控制流速且操作简便、成本较低的管道流体流速增速方法及管道流体输送系统。
本发明解决技术问题的技术方案如下。
一种管道流体流速增速方法，在靠近用于输送流体的输送管道的入口增设一两端开口的释压管，控制所述释压管的一端位于流体内且与所述输送管道的入口相对，另一端伸出至流体外，所述释压管内填充有释压介质，该释压介质的密度和压强均小于待输送的流体的密度和压强。
在其中一个实施例中，所述释压管位于所述流体内的一端的径向尺寸小于所述输送管道的入口的径向尺寸。
在其中一个实施例中，控制所述释压管的位于所述流体内的一端的端面与所述输送管道的入口的端面相平行。
在其中一个实施例中，所述输送管道的入口与出口之间具有高度差和/或压力差。
在其中一个实施例中，所述输送管道为圆形管道，所述待输送的流体采用虹吸、重力或压差方式输送。
在其中一个实施例中，所述待输送的流体为液体，所述释压介质为自然空气；或所述待输送的流体是气体，所述释压介质为密度和压强均小于所述待输送的流体的密度和压强的气体。
在其中一个实施例中，通过调整所述释压管的位于所述流体内的一端的管径、该端与所述输送管道的入口的相对位置、所述释压介质的种类、所述释压介质的压力、和/或所述释压介质的流通量来调整流速的增速幅度。
一种管道流体输送系统，包括输送管道及释压管，所述输送管道用于输送流体，所述输送管道具有入口和出口，所述释压管的两端开口，所述释压管的一端与所述输送管道的入口相对设置，所述释压管的另一端用于伸出在流体外，所述释压管中用于填充密度和压强均小于待输送的流体的密度和压强的释压介质。如在一个实施例中，对于管道液体输送系统，所述释压管的一端浸没在液体里，在所述输送管道输送液体流动时，其时所述释压管里没有液体，在所述输送管道持续输送液体时，所述释压管里只有空气流动。
在其中一个实施例中，所述释压管位于所述流体内的一端的径向尺寸小于所述输送管道的入口的径向尺寸；和/或
所述释压管的位于所述流体内的一端的端面与所述输送管道的入口的端面相平行。
在其中一个实施例中，所述输送管道为圆形管道，所述输送管道的入口与出口之间具有高度差和/或压力差。
流体是一种受任何微小的剪切作用时，都会产生连续变形的物质。实际流体都具有粘性，称为粘性流体，如液体的粘性主要是液体分子内聚力引起的。粘连性是流体流速的一种作用力。本发明通过对流体的粘连性质与流速的关系以及压强与流速的关系进行研究发现，由于流体具有粘连性，在管道流体输送时，改变粘连节点或改变流体的压力，都可以调节流速。具体的，上述管道流体流速增速方法和管道流体输送系统通过在靠近输送管道的入口处设置一释压管，该释压管的一端伸入在流体内且与输送管道的入口相对设置，释压管内具有密度和压强都小于待输送的流体的密度和压强的释压介质，当开始流体输送运动时，浸没在释压管一端的流体，与输送管道输送流体一起流动，释压管管壁阻止流体二次进入释压管内，输送运动连续时，释压管里没有待输送的流体，释压管里只有密度和压强比待输送的流体小的释压介质流动。释压管内的释压介质可以起到瞬间剪切(切断)位于输送管道入口处的输送流体的粘连和连续降低输送管道中流体的压力。释压管内的较低压强的释压介质会对流进输送管道内的流体产生压力差，迅速将流体的压力降低，因而，释压管的作用就是将流体所受的压强降到最低，而根据压强与流速的负相关的关系，流体的压强降低，可以达到快速流动的目的，当流体流入输送管道时，释压管内的低压强介质对流体(比释压管内的释压介质的密度高)产生剪切力(瞬间断流)，把粘连力切断，从而释放最大的重力，提高流速(有明显的旋涡)，提高流量，降低能耗。
附图说明
图1为传统的虹吸系统的结构示意图；
图2为具有释压管的虹吸系统的结构示意图；
图3为释压管的工作原理示意图；
图4为一实施例的具有释压管的虹吸系统的局部结构示意图；
图5位图4中释压管及其固定结构的端视图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本实施方式提供了一种管道流体流速增速方法和管道流体输送系统。以下以常见的可自动输送液体的虹吸系统为例进行说明，可理解，本实施方式的管道流体流速增速方法和管道流体输送系统不仅适用于输送液体的虹吸系统，还可广泛应用于其他输送系统，如配有动力系统的管道(入口与出口具有压差)流体输送系统、直接依靠重力从高处往低处输送的管道(入口与出口具有重力差)流体输送系统等，只要将虹吸系统中的虹吸管替换为其他用于输送流体的输送管道即可，并且输送的流体也不仅仅限于液体，如也可以为气体，输送管道的径向截面优选为圆形。
如图2所示，一实施例的虹吸系统100包括虹吸管110及释压管120。虹吸管110用于输送液体200。虹吸管110具有入口和出口。释压管120为两端开口的中空管状结构。释压管120的一端与虹吸管110的入口相对设置，另一端用于伸出在液体200外。释压管120用于填充密度和压强均小于液体200的密度和压强的释压介质。
释压管120中的释压介质的密度和压强均需要小于待输送的液体200，优选的，在一个具体的实施例中，对于液体输送，释压介质可选用自然空气，以不会与液体互溶而影响液体输送，采用自然空气也无需进行人为填充操作，自然空气就会自动填充在释压管120中。若需要使用其他气体作为释压介质，如待输送的流体是气体时，可直接将释压管120用于伸出在液体200外的一端与气体供应源对接即可，该气体供应源提供密度和压强均小于待输送的气体的密度和压强的气体。
本实施例的虹吸管110为倒u型管，其入口与出口之间具有高度差。在其他实施例中，也可以使用入口与出口具有高度差或压力差的其他输送管道，如其他形状的虹吸管等。
进一步，在一个实施例中，释压管120位于液体200内的一端的径向尺寸小于虹吸管110的入口的径向尺寸，如在其中一个具体的实施例中，释压管120的内径是虹吸管110的内径的20％～50％。另外，优选的，释压管120的位于液体200内的一端的端面与虹吸管110的入口的端面相平行。进一步优选的，压管120的位于液体200内的一端与虹吸管110的入口共轴线设置。在一实施例中，释压管120与虹吸管110均为截面呈圆形的管状结构。
在一个实施例中，释压管120位于液体200内的一端与虹吸管110的入口的相对位置可调，尤其是二者之间的距离可调。通过调节释压管120与虹吸管110之间的距离，可调节待输送的液体200的流速。此外，也可以通过调整释压管120的位于液体200内的一端的径向尺寸(如内径)的方式来调节液体200的流速，如可以将释压管120与虹吸管110之间设置为可拆卸连接的方式，并设置不同规格尺寸的释压管120，以适应不同的使用场合；还可以通过调节释压介质的种类、释压介质的压力、和/或释压介质的流通量来调整流速的增速幅度，如可以在释压管120上设置阀门来控制其中释压介质的流通量。
如图4和图5所示，在一个具体的实施例中，释压管120通过固定结构130套设在虹吸管110的入口。该固定结构130包括固定套132和爪接部134。固定套132为圆环状结构，用于套设在虹吸管110的入口。爪接部134具有多个连接爪。连接爪的一端与固定套132固定连接，另一端与释压管120的外壁固定连接。优选的，释压管120的端部的轴线与固定套132的轴线共轴线设置。多个连接爪围绕圆环状的固定套132均匀且对称分布，如在一个实施例中，该爪接部134具有8个连接爪，相邻的连接爪之间呈45°角分布。连接爪与固定套132或者释压管120之间的连接方式优选但不限于焊接等方式。
进一步，在其中一个实施例中，该固定套132与虹吸管110之间为可滑动连接，因而可通过调节固定套132在虹吸管110上的位置调节释压管120与虹吸管110之间的距离。虹吸管110与释压管120之间的距离可调，可以在具体操作时，根据需要调节虹吸管110与释压管120之间的距离以得到所需的流速。
伯努利原理是在流体力学的连续介质理论方程建立之前，水力学所采用的基本原理，其实质是流体的机械能守恒，即：动能+重力势能+压力势能＝常数，伯努利原理往往被表述为p+1/2ρv2+ρgh＝c，这个式子即伯努利方程。式中p为流体中某点的压强，v为流体该点的流速，ρ为流体密度，g为重力加速度，h为该点所在高度，c是一个常量。如图1和图3所示，伯努利方程也可以被表述为p1+1/2ρv12+ρgh1＝p2+1/2ρv22+ρgh2。由此可见，等高流动时，流速大，压力就小。但传统的在对流体力学研究时，流体中的粘连对流体的研究仅局限于流动关系，对流速影响研究极少，并且也不清楚如何通过减压来影响流速。如在虹吸系统中，人们只着重研究管道的构造与管道中流体的空间对流速的影响，没有研究如何减压对流速起作用，当虹吸系统设定后，流速和效率基本恒定。
而流体是一种受任何微小的剪切作用时，都会产生连续变形的物质。实际流体都具有粘性，称为粘性流体，液体的粘性主要是液体分子内聚力引起的。粘连性就成为流速的一种作用力。
根据液体1)等压面的原则：在重力场中，静止、同种、连续的流体中，水平面是等压面、以及2)伯努利原理，可知压强少流速大原则。其中，伯努利原理：p+1/2ρv2+ρgh＝c，也即p1+1/2ρv12+ρgh1＝p2+1/2ρv22+ρgh2。从而，流体中某一点的速度：v2(点)＝2c-2p-2gh，而虹吸流速：v＝√[(2gh)/(1+ζ+λl/d)]，式中：v—虹吸管断面平均流速；g—重力加速度；h—虹吸管的作用水头(虹吸管进口端水面与出口端水面的高差)；ζ—虹吸管的局部阻力系数；λ—虹吸管的沿程阻力系数；d—虹吸管的内径。从公式可知，虹吸管110的流速受p值的影响，即是p(压强)越小，v(面)流速越大。
由于释压管120内具有密度和压强都小于待输送的流体的密度和压强的释压介质，当开始流体输送时，释压管120可以切断位于虹吸管110入口处的流体的粘连，改变流入输送管道中流体的压力和控制粘连点，流体围绕释压管流进输送管道内，释压管内的较低压强的释压介质会对流进输送管道内的流体产生压力差，迅速将流体的压力降低，因而，释压管的作用就是将流体所受的压强降到最低，而根据上述压强与流速的负相关的关系，流体的压强降低，可以达到快速流动的目的，当流体流入输送管道时，释压管内的低压强介质对流体(比释压管内的释压介质的密度高)产生剪切力(瞬间断流)，把粘连力切断，从而释放最大的重力，提高流速，提高流量，降低能耗。
本实施方式还提供了一种管道流体流速增速方法，其原理如上面的虹吸系统100的原理相同，通过在靠近用于输送流体的输送管道的入口增设一两端开口的释压管，控制释压管的一端位于流体内且与输送管道的入口相对，另一端伸出至流体外，释压管内填充有释压介质，该释压介质的密度和压强均小于待输送的流体的密度和压强，当流速开始沿输送管道流动时，由于释压管的存在，可以降低流体的压强，提高流速。
在一个实施例中，释压管位于流体内的一端的径向尺寸小于输送管道的入口的径向尺寸。优选的，可控制释压管的位于流体内的一端的端面与输送管道的入口的端面相平行，进一步优选的，可控制释压管的位于流体内的一端与输送管道的入口共轴线，以便于流速调节。
更进一步，在一个实施例中，输送管道的入口与出口之间具有高度差和/或压力差，如输送管道可以为但不限于倒u型的虹吸管，待输送的流体采用虹吸方式输送。
在本实施方式中，当待输送的流体为液体时，释压介质优选为自然空气，也可以为密度和压强小于待输送的流体的液体且该液体与待输送的流体不相溶；当待输送的流体是气体，释压介质为密度和压强均小于待输送的流体的密度和压强的气体。
具体的，该管道流体流速增速方法可通过调整释压管的位于流体内的一端的管径和/或该端与输送管道的入口的相对位置来调整流速的增速幅度。具体的调节方式可以根据具体所需要的流速的增速情况进行灵活调节。
本发明经过研究发现，采用图1和图2所示的虹吸方式进行对比试验，图2中由于增加了释压管120，其流量明显增加，单位时间流量增加可到30％以上。
本发明的管道流体流速增速方法和管道流体输送系统可以广泛应用在给排水系统、水力发电、管道输送、船舶、喷射动力等领域，无需使用复杂的设备即可提高管道流体的输送速度，具有节省能源、降低成本、经济适用等诸多有益效果。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。