CN111365070A - 隧道排水管结晶防治系统及防治方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及隧道工程领域，具体涉及一种隧道排水管结晶防治系统及防治方法。防治系统包括水箱，水箱设置于隧道轨道面以下，水箱顶部设有弹性隔膜；出水管，出水管一端连接水箱，另一端用于连接隧道内的横向盲管和/或纵向盲管；出水管中设有单向阀一，用于限定液体沿由水箱向出水管的方向流动。防治方法基于上述的防治系统。本发明提供的隧道排水管结晶防治系统及防治方法能够利用隧道中的活塞风能和/或自然风能加快排水管中的液体流速，从而改善排水管堵塞的问题，具有节能、运营成本低的优点。

Description

隧道排水管结晶防治系统及防治方法

技术领域

本发明涉及隧道工程，特别是一种隧道排水管结晶防治系统及防治方法。

背景技术

隧道的排水系统是隧道安全运营过程中的重要部分。通常情况下，在隧道排水系统中，围岩中的水通过环向盲管、纵向盲管、横向盲管排入中心沟。然而，排水系统结晶堵塞现象在我国东北、西北、西南、华南等地区铁路隧道普遍发生，在公路隧道亦普遍出现，致使隧道排水系统整体失效，恶化了隧道结构受力与服役状态，进而导致衬砌开裂、渗漏水、挂冰等次生病害，严重影响到隧道结构服役与运营安全。隧道排水管包括横向盲管、纵向盲管和环向盲管，其中横向盲管和纵向盲管最容易堵塞。经过调查分析研究，隧道横向盲管和纵向盲管堵塞主要有如下几点原因：

(1)地下水渗流结晶作用在隧道排水管内所生成的CaCO₃，MgCO₃，BaCO₃等沉淀结晶物；

(2)地下水渗流运动过程中冲刷围岩所产生的围岩碎片及围岩颗粒，这些围岩碎片及围岩颗粒随地下水渗流运动而进入到隧道排水管内；

(3)在地表水补给地下水过程中，部分泥沙随地下水流动而进入到隧道排水管内；

(4)苔藓植物，微生物等在排水管内壁生长，使排水管管径逐渐减小。

综合上述原因，横向盲管和纵向盲管水流速减慢容易引发上述问题，结晶物堵塞是最严重的危害。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种隧道排水管结晶防治系统及防治方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种隧道排水管结晶防治系统，包括：

水箱，所述水箱设置于所述隧道轨道面以下，所述水箱顶部设有弹性隔膜；

出水管，所述出水管一端连接水箱，另一端用于连接隧道内的横向盲管和/或纵向盲管；

所述出水管中设有单向阀一，用于限定液体沿由所述水箱向所述出水管的方向流动。

本发明提供的上述隧道排水管结晶防治系统，通过设置具有弹性隔膜的水箱和出水管，使用时，将水箱安装在隧道轨道面下。在隧道中产生自然风，或在列车通行时，在隧道空间中产生活塞风，使局部的空气压力增大，从而推动弹性隔膜向水箱内部产生变形，挤压水箱中的液体，液体经过出水管流向隧道内的横向盲管和/或纵向盲管，从而增加横向盲管和/或纵向盲管内的水流速度，延缓排水管堵塞情况的发生。进一步的，若在水箱中添加的是酸性溶液，酸性溶液还可以与排水管中的结晶物反应，进一步避免排水管的堵塞。

作为本发明的优选方案，隧道排水管结晶防治系统还包括吸水管，所述吸水管一端连接水箱，另一端用于连接所述隧道内的中心沟和/或侧沟；所述吸水管中设有单向阀二，用于限定液体沿所述吸水管向所述水箱的方向流动。通过上述的方案，设置吸水管吸收隧道的中心沟和/或侧沟中的水，并将中心沟和/或侧沟中的水吸入到水箱中，用于增加排水管内的水流速度或用于生成酸性溶液，实现了现场取水、现场用水，管道铺设距离短，无需额外供水，有利于降低该隧道排水管结晶防治系统的成本。

作为本发明的优选方案，隧道排水管结晶防治系统还包括第一格栅，所述第一格栅设置于水箱顶部，所述弹性隔膜设置于所述第一格栅内侧。通过设置第一格栅，既不会影响活塞风作用于弹性隔膜，又限定了弹性隔膜在变形过程中能够达到的最高表面，从而可以确保弹性隔膜不会超过水箱的顶部，提高了该隧道排水管结晶防治系统的安全性。

术语“第一格栅内侧”是指第一格栅上相对更加靠近水箱内部的一侧。

作为本发明的优选方案，隧道排水管结晶防治系统还包括第二格栅，所述第二格栅置于所述第一格栅的下方，并与所述水箱内壁相连，所述第一格栅与所述第二格栅之间形成弹性隔膜腔，所述弹性隔膜设置于所述弹性隔膜腔中。通过上述的结构，第二格栅限定了弹性隔膜在变形过程中的最低位置。第一格栅和第二格栅配合，即可限定单次压水过程中能够排出液体的最大体积，系统工作更加稳定可靠。

进一步优选的，第二格栅为球面状。使得第二格栅能够更好地匹配弹性隔膜变形后的形状。

作为本发明的优选方案，所述水箱上设有添加口，所述添加口通过密封端盖可拆卸地密封，所述添加口的开口高度高于所述水箱顶面。通过设置添加口，可用于向水箱中添加酸性的溶液或酸性的溶质，使得水箱中排出的液体可以保持溶解矿物质的能力。

术语“可拆卸地密封”是指：密封端盖既可以连接于添加口上以实现添加口的密封，又可以从添加口上拆卸。具体的，密封端盖与添加口可以通过螺纹相连。

作为本发明的优选方案，沿所述隧道的纵向方向上，设有至少两个所述水箱；所述水箱上连接有至少两根所述出水管。通过上述结构，使得隧道中的各个排水管均可以与水箱相连，使得整个隧道的排水管系均能够保持畅通。

一种隧道排水管结晶防治方法，包括以下步骤：

在隧道中安装上述的隧道排水管结晶防治系统；

在水箱中添加酸性溶质和/或溶液；

隧道运营后，利用列车经过隧道产生的活塞风带动所述隧道排水管结晶防治系统中的弹性隔膜向下运动，从而将所述水箱中的酸性溶液通过所述出水管排向横向盲管和/或纵向盲管。本发明通过上述的隧道排水管结晶防治方法，可以利用隧道运营产生的风能起到排液的作用，从而起到增加液体排放速度的作用，还可以通过产生或添加酸性溶液，起到溶解结晶物的作用，进而避免排水管堵塞。

作为本发明的优选方案，还包括以下步骤：

检测所述纵向盲管流入所述侧沟中的液体，若不含有酸性溶质或酸性溶质浓度低于阈值，则向所述水箱中添加酸性溶质和/或溶液。

上述方案中，可以通过检测液体的pH值判定是否含有酸性溶质或酸性溶质浓度是否低于阈值，以实现快速检测。

隧道排水结晶防治系统的出水管两端高差计算方法，用于计算当所述出水管的出口端高于所述出水管的入口端时，隧道排水结晶防治系统的出水管两端高差的取值范围，包括以下步骤：

S1.根据活塞风和/或自然风的风速计算弹性隔膜受到的压强；

S2.根据所述弹性隔膜受到的压强计算出水管的压水高度，所述出水管两端高差小于或等于所述压水高度，所述出水管两端高差小于或等于所述压水高度。

作为本发明的优选方案，在所述步骤S1中，所述活塞风风速通过测量或计算得到，通过计算的方式获得所述活塞风的风速时，计算方法为：

活塞风速按恒定流计算时，所述隧道活塞风的风速通过以下方式得到：

上式中，v_T为列车速度；

ξ_m为隧道段除环状空间外的阻力系数；

K_m为活塞风作用系数，单线隧道时，K_m＝1.3+0.007l_T；

v₁-活塞风风速；

活塞风速按非恒定流计算时，所述隧道活塞风的风速通过以下方式得到：

上式中：L_T——隧道长度；

ρ-空气密度；

K_m——活塞风作用系数，单线隧道时，K_m＝1.3+0.007l_T

l_T——列车长度；

v_T——列车速度；

v₁-活塞风风速；

ξ_m——隧道段除环状空间外的阻力系数，单线隧道时，ξ_m＝1.5+0.0025(L_T-l_T)；

弹性隔膜受到的压强为：

其中，P为弹性隔膜受到的压强；

v为活塞风风速或自然风风速；

在所述步骤S2中，所述出水管的压水高度为：

其中h_max为出水管的压水高度，ρ₁是出水管中排出的溶液的密度，g为重力加速度；

当所述出水管的出口端高于所述出水管的入口端时，所述出水管两端高差的取值范围为：

0＜h≤h_max

其中h为出水管两端高差。

本发明提供的上述隧道排水结晶防治系统的出水管两端高差计算方法能够对隧道内的活塞风和/或自然风所能够产生的压强进行计算，并据此确定出水管的压水高度，进一步确定在布置出水管时，其两端的高差需要满足的取值范围，从而指导该隧道排水管结晶防治系统的设计与安装。

需要说明的是，当出水管的出口端高度低于或等于出水管的入口端时，由于不需要在出水管中提升水的重力势能，因此无需特意计算出水管的两端高差。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明提供的隧道排水管结晶防治系统，通过设置具有弹性隔膜的水箱和出水管，在使用时，将水箱安装在隧道轨道面下，在隧道中产生自然风时，或在列车通行时，在隧道空间中产生活塞风，活塞风使局部的空气压力增大，从而推动弹性隔膜向水箱内部产生变形，挤压水箱中的液体，液体经过出水管流向隧道内的横向盲管和纵向盲管，从而增加横向盲管和/或纵向盲管内的排水速度，延缓排水管的堵塞。进一步的，若在水箱中添加的是酸性溶液，酸性溶液还可以与排水管中的结晶物反应，进一步避免排水管的堵塞；

该隧道排水管结晶防治系统利用隧道中的活塞风作为液体的动力来源，具有节能的效果，运营成本低。

2、本发明提供的隧道排水管结晶防治方法，可以利用隧道运营产生的风能起到排液的作用，从而起到增加液体排放速度的作用，还可以通过产生或添加酸性溶液，起到溶解结晶物的作用。

3、本发明提供的上述隧道排水结晶防治系统的出水管两端高差计算方法能够对隧道内的活塞风和/或自然风所能够产生的压强进行计算，并据此确定出水管的压水高度，进一步确定在布置出水管时，若出水管的出口端高于出水管的入口端，出水管两端的高差需要满足的取值范围，从而指导该隧道排水管结晶防治系统的设计与安装。

4、本发明工作效率与列车频率相关，结晶防治效果持续性强、稳定性高。

附图说明

图1是本发明具体实施方式提供的隧道排水管结晶防治系统的结构示意图。

图2是图1中A部的局部放大图。

图3是本发明实施例1提供的隧道排水管结晶防治系统的水箱的结构示意图。

图4是本发明实施例2提供的隧道排水管结晶防治系统的结构示意图。

图5是本发明实施例3提供的隧道排水管结晶防治方法的流程图。

图6是本发明实施例4提供的隧道排水结晶防治系统的液体配制方法的流程图。

图标：1-隧道；2-横向盲管；3-纵向盲管；5-侧沟；6-中心沟；7-水箱；8-吸水管；9-出水管；71-弹性隔膜；72a-第一格栅；72b-第二格栅；73-弹性隔膜腔；74a-单向阀一；74b-单向阀二；75-添加口；751-密封端盖。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

请参阅图1-图3，本发明实施例提供了一种隧道1排水管结晶防治系统，其包括水箱7、出水管9和吸水管8。。

水箱7用于设置于所述隧道1轨道面以下，所述水箱7顶部设有弹性隔膜71。沿隧道1的长度方向上，设置有至少两个水箱7。

水箱7上还设置有添加口75，添加口75通过密封端盖751可拆卸地密封。添加口75的开口高度高于水箱7顶面。

出水管9中设有单向阀一74a，出水管9一端连接水箱7，另一端用于连接隧道1内的横向盲管2和/或纵向盲管3。

进一步的，可以在一个水箱7上设置多个出水管9，使该水箱7上的一部分出水管9连接横向盲管2，另一部分出水管9连接纵向盲管3；也可以在一个水箱7上设置一个出水管9，使其中一部分水箱7上的出水管9连接横向盲管2，另一部分水箱7上的出水管9连接纵向盲管3。

吸水管8中设有单向阀二74b，吸水管8一端连接水箱7，另一端用于连接隧道1内的中心沟6和/或侧沟5，具体的，吸水管8端部用于连通中心沟6和/或侧沟5的底部。

进一步的，当该隧道1排水管结晶防治系统用于双线隧道1时，一个水箱7上的吸水管8可以以择一的方式连通中心沟6底部或侧沟5的底部；也可以在一个水箱7上同时设置两个吸水管8，使一个水箱7可以同时连通中心沟6和侧沟5的底部；

当该隧道1排水结晶防治系统用于单线隧道1时，吸水管8连通侧沟5底部。

通过在设置单向阀一74a和单向阀二74b，使得液体只能由中心沟6和/或侧沟5经过吸水管8流向水箱7，然后由水箱7经过出水管9流向横向盲管2和/或纵向盲管3。在隧道1的运营过程中，不断的沿上述的流向进行吸水和排水，从而增加横向盲管2和/或纵向盲管3中的流量，降低隧道1排水管堵塞的可能性。

进一步的，可以在水箱7中设置酸性溶质，经水箱7中的水溶解后排到横向盲管2和/或纵向盲管3中，从而溶解横向盲管2和/或纵向盲管3中的结晶。也可以直接在水箱7中设置酸性溶液，经水箱7中的水稀释后排到横向盲管2和/或纵向盲管3中。具体的，酸性物质可以包括醋酸或柠檬酸，也可以选择其他的酸性物质，只要能溶解排水管中的结晶物即可。

本发明实施例提供的隧道1排水管结晶防治系统的有益效果在于：

1.本发明提供的隧道1排水管结晶防治系统，通过设置具有弹性隔膜71的水箱7和出水管9，在使用时，将水箱7安装在隧道1轨道面下，在列车通行时，在隧道1空间中产生活塞风，活塞风使局部的空气压力增大，从而推动弹性隔膜71向水箱7内部产生变形，挤压水箱7中的液体，液体经过出水管9流向隧道1内的横向盲管2和纵向盲管3，从而增加横向盲管2和/或纵向盲管3内的排水速度，延缓排水管的堵塞。进一步的，若在水箱7中添加的是酸性溶液，酸性溶液还可以与排水管中的结晶物反应，进一步避免排水管的堵塞；

2.设置吸水管8吸收隧道1的中心沟6和/或侧沟5中的水，并将中心沟6和/或侧沟5中的水吸入到水箱7中，用于增加排水管内的水流速度或用于生成酸性溶液，实现了现场取水、现场用水，管道铺设距离短，无需额外供水，有利于降低该隧道1排水管结晶防治系统的成本；

3.通过设置添加口75，可以在需要时向水箱7中添加酸性的溶质或溶剂。添加口75高于水箱7的顶部，使得在打开密封端盖751、添加酸性溶质或溶剂的过程中，即使水箱7中已经装满水，水也不会从添加口75中溢出；

4.该隧道1排水管结晶防治系统利用了隧道1中的活塞风和/或自然风作为液体的动力来源，具有节能的效果，运营成本低，其工作效率与列车频率相关，结晶防治效果持续性强、稳定性高。

实施例2

请参阅图4，本发明实施例提供了一种隧道1排水管结晶防治系统，其与实施例1中的隧道1排水管结晶防治系统的区别在于：在本实施例中，水箱7上还设有第一格栅72a和第二格栅72b。

具体的，第一格栅72a设置于水箱7的顶部并与水箱7固定相连，第二格栅72b设置于第一格栅72a的下方并与水箱7固定相连，第一格栅72a和第二格栅72b之间形成了用于容置弹性隔膜71的弹性隔膜腔73。弹性隔膜71安装在弹性隔膜腔73中。

进一步的，第二格栅72b为下凹的球面结构，用于更好地与变形后的弹性隔膜71的形状匹配。

在实施例1提供的隧道1排水管结晶防治系统的基础上，本发明实施例还具有以下有益效果：

1.通过设置第一格栅72a，既不会影响活塞风和/或自然风作用于弹性隔膜71，又限定了弹性隔膜71在变形过程中能够达到的最高表面，从而可以确保弹性隔膜71不会超过水箱7的顶部，提高了该隧道1排水管结晶防治系统的安全性；

2.第二格栅72b限定了弹性隔膜71在变形过程中的最低位置。第一格栅72a和第二格栅72b配合，即可限定单次压水过程中，能够排出液体的最大体积，系统工作更加稳定可靠。

实施例3

请参阅图5，本发明实施例提供了一种隧道1排水管结晶防治方法，其基于实施例1或实施例2中提供的隧道1排水管结晶防治系统，包括以下步骤：

在隧道1中安装上述的隧道1排水管结晶防治系统；

在水箱7中添加酸性溶质和/或溶液；

隧道1运营后，利用列车经过隧道1产生的活塞风和/或隧道1中的自然风带动所述隧道1排水管结晶防治系统中的弹性隔膜71向下运动，从而将所述水箱7中的酸性溶液通过所述出水管9排向横向盲管2和/或纵向盲管3；

检测所述纵向盲管3流入所述侧沟5中的液体，若不含有酸性溶质或酸性溶质浓度低于阈值，则向所述水箱7中添加酸性溶质和/或溶液。

上述步骤中的酸性溶质浓度的阈值可以由本领域技术人员根据使用的具体情况予以确定。

本发明通过上述的隧道1排水管结晶防治方法，可以利用自然风和/或隧道1运营产生的活塞风能起到排液的作用，从而增加排水管中的液体流速，还可以通过产生或添加酸性溶液，起到溶解结晶物的作用。

实施例4

请参阅图6，本发明实施例提供了一种隧道1排水结晶防治系统的出水管两端高差计算方法，用于计算当所述出水管9的出口端高于所述出水管9的入口端时，出水管9两端的高差取值范围，其包括以下步骤：

S1.根据活塞风和/或自然风的风速计算所述弹性隔膜71受到的压强；

具体的，在步骤S1中，对于活塞风，活塞风风速可以通过测量得到，也可以通计算得到。若通过计算求得活塞风风速，计算方法如下：

活塞风速按恒定流计算时，所述隧道活塞风的第一风速通过以下方式得到：

上式中，v_T为列车速度，单位为m/s；

ξ_m为隧道1段除环状空间外的阻力系数，单线隧道1时，ξ_m＝1.5+0.0025(L_T-l_T)；

K_m为活塞风作用系数，单线隧道时，K_m＝1.3+0.007l_T。

活塞风速按非恒定流计算时，所述隧道活塞风的风速通过以下方式得到：

上式中：L_T——隧道1长度，单位为m；

ρ-空气密度，单位为kg/m³；

K_m——活塞风作用系数，单线隧道1时，K_m＝1.3+0.007l_T

l_T——列车长度，单位为m；

v_T——列车速度，单位为m/s；

v₁-活塞风风速，单位为m/s；

ξ_m——隧道1段除环状空间外的阻力系数，单线隧道1时，ξ_m＝1.5+0.0025(L_T-l_T)。

对于自然风，风速可以通过测量得到。

S2.根据所述弹性隔膜71受到的压强计算出水管9的压水高度，所述出水管9两端高差小于或等于所述压水高度。

具体的，在步骤S2中，首先求解弹性隔膜71受到的压强：

其中，P为弹性隔膜71受到的压强，单位为Pa；

v为活塞风风速或自然风风速。

当利用的是活塞风时，v等于v₁；当利用的是自然风时，可通过测量得到风速v。

所述出水管9的压水高度为：

其中h_max为出水管9的压水高度，ρ₁是出水管9中排出的溶液的密度，g为重力加速度；

所述出水管9两端高差的取值范围为：

0＜h≤h_max

其中h为出水管9两端高差。

本发明提供的上述隧道1排水结晶防治系统的出水管9两端高差计算方法的有益效果在于：

对隧道1内的活塞风和/或自然风所能够产生的压强进行计算，并据此确定出水管9的压水高度，进一步确定在布置出水管9时，若出水管9的出口管高于出水管9的入口端，出水管9两端的高差需要满足的取值范围，从而指导该隧道1排水管结晶防治系统的设计与安装。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.隧道排水管结晶防治系统，其特征在于，包括：

水箱，所述水箱设置于隧道轨道面以下，所述水箱顶部设有弹性隔膜；

出水管，所述出水管一端连接水箱，另一端用于连接隧道内的横向盲管和/或纵向盲管；

所述出水管中设有单向阀一，用于限定液体沿由所述水箱向所述出水管的方向流动。

2.根据权利要求1所述的隧道排水管结晶防治系统，其特征在于，还包括吸水管，所述吸水管一端连接水箱，另一端用于连接所述隧道内的中心沟和/或侧沟；

所述吸水管中设有单向阀二，用于限定液体沿所述吸水管向所述水箱的方向流动。

3.根据权利要求1所述的隧道排水管结晶防治系统，其特征在于，还包括第一格栅，所述第一格栅设置于水箱顶部，所述弹性隔膜设置于所述第一格栅内侧。

4.根据权利要求3所述的隧道排水管结晶防治系统，其特征在于，还包括第二格栅，所述第二格栅置于所述第一格栅的下方，并与所述水箱内壁相连，所述第一格栅与所述第二格栅之间形成弹性隔膜腔，所述弹性隔膜设置于所述弹性隔膜腔中；

所述第二格栅为球面状。

5.根据权利要求1所述的隧道排水管结晶防治系统，其特征在于，所述水箱上设有添加口，所述添加口通过密封端盖可拆卸地密封，所述添加口的开口高度高于所述水箱顶面。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的隧道排水管结晶防治系统，其特征在于，沿所述隧道的纵向方向上，设有至少两个所述水箱；

所述水箱上连接有至少两根所述出水管。

7.隧道排水管结晶防治方法，其特征在于，包括以下步骤：

在隧道中安装权利要求1-6中任意一项所述的隧道排水管结晶防治系统；

在水箱中添加酸性溶质和/或溶液；

隧道运营后，利用隧道中的自然风和/或列车经过隧道产生的活塞风带动所述隧道排水管结晶防治系统中的弹性隔膜向下运动，从而将所述水箱中的酸性溶液通过所述出水管排向横向盲管和/或纵向盲管。

8.根据权利要求7所述的隧道排水管结晶防治方法，其特征在于，还包括以下步骤：

检测所述纵向盲管流入侧沟中的液体，若不含有酸性溶质或酸性溶质浓度低于阈值，则向所述水箱中添加酸性溶质和/或溶液。

9.隧道排水结晶防治系统的出水管两端高差计算方法，其特征在于，用于计算，当所述出水管的出口端高于所述出水管的入口端时，权利要求1-6中任意一项所述的隧道排水结晶防止系统的出水管的两端高差取值范围，包括以下步骤：

S1.根据活塞风和/或自然风的风速计算弹性隔膜受到的压强；

S2.根据所述弹性隔膜受到的压强计算出水管的压水高度，所述出水管两端高差小于或等于所述压水高度。

10.根据权利要求9所述的隧道排水结晶防治系统的出水管两端高差计算方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述活塞风风速通过测量或计算得到，通过计算的方式获得所述活塞风的风速时，计算方法为：

活塞风速按恒定流计算时，隧道活塞风的第一风速通过以下方式得到：

上式中，v_T为列车速度；

ξ_m为隧道段除环状空间外的阻力系数；

K_m为活塞风作用系数，单线隧道时，K_m＝1.3+0.007l_T；

v₁—活塞风风速；

活塞风速按非恒定流计算时，所述隧道活塞风的风速通过以下方式得到：

上式中：L_T——隧道长度；

ρ—空气密度；

K_m——活塞风作用系数，单线隧道时，K_m＝1.3+0.007l_T

l_T——列车长度；

v_T——列车速度；

v₁—活塞风风速；

ξ_m——隧道段除环状空间外的阻力系数，单线隧道时，ξ_m＝1.5+0.0025(L_T-l_T)；

弹性隔膜受到的压强为：

其中，P为弹性隔膜受到的压强；

v为活塞风风速或自然风风速；

在所述步骤S2中，所述出水管的压水高度为：

其中h_max为出水管的压水高度，ρ₁是出水管中排出的溶液的密度，g为重力加速度；

当所述出水管的出口端高于所述出水管的入口端时，所述出水管两端高差的取值范围为：

0<h≤h_max

其中h为出水管两端高差。

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