什麼是達西-韋斯巴赫水頭損失計算器?
本計算器運用流體力學中最可靠的方法之一──達西-韋斯巴赫公式,求出流體流經一段直管時的摩擦水頭損失。水頭損失代表流動的流體與管壁之間因摩擦而耗散的能量,並以等效的流體柱高度(公尺)來表示。工程師常用它來選定泵浦規格、決定管徑大小,並驗證系統是否能達到所需的流量與壓力。
如何使用
請輸入五個數值:無因次的達西摩擦係數(f)、管長 L(公尺)、管內徑 D(公尺)、平均流速 v(m/s),以及重力加速度 g(預設 9.81 m/s²)。計算器會回傳以流體公尺為單位的水頭損失 hf。若要換算成壓力降,只需乘上流體密度與 g:\(\Delta p = \rho \cdot g \cdot h_f\)。
公式解析
公式為 $$h_f = f \cdot \frac{L}{D} \cdot \frac{v^{2}}{2 \cdot g}$$比值 \(L/D\) 表示損失會隨管子愈長、愈細而增加。\(v^2/2g\) 這一項是速度水頭──也就是把流動的動能以高度表示。摩擦係數 \(f\) 綜合反映了雷諾數(層流或紊流)與相對粗糙度的影響,通常可從莫迪圖(Moody chart)查得,或以柯爾布魯克(Colebrook)或 Swamee-Jain 公式計算(紊流狀態下的水流多落在 0.015~0.04 之間)。
範例計算
當 f = 0.02、L = 100 m、D = 0.1 m、v = 2 m/s、g = 9.81 m/s² 時:\(L/D = 1000\),\(v^2/2g = 4 / 19.62 = 0.2039\)。因此 $$h_f = 0.02 \times 1000 \times 0.2039 = 4.077 \text{ m}$$ 的水頭損失。
常見問題
摩擦係數要從哪裡取得?可使用莫迪圖(Moody diagram),或由雷諾數與相對粗糙度(ε/D)代入 Swamee-Jain 公式求解。
這個計算器使用什麼單位?全程採用國際單位制(SI)──公尺、m/s 與 m/s²──因此水頭損失以流體公尺表示。
有包含管件損失嗎?沒有。本計算僅求主要(摩擦)損失。閥件、彎頭與配件造成的次要損失,需另以局部損失係數分別計算後再加總。