什麼是達西-韋斯巴赫壓降計算器?
這個計算器可估算流體在圓形管路中流動時,因與管壁摩擦而產生的壓力損失(即水頭損失)。它採用達西-韋斯巴赫方程式——這是流體力學中最被廣泛採用的關係式,無論層流或紊流皆適用。本工具具通用性,以 SI 國際單位制(公尺、公斤、秒)運算。
使用方法
請輸入達西摩擦係數(f)、管長 L(公尺)、管路內徑 D(公尺)、流體密度 ρ(kg/m³)以及平均流速 v(m/s)。計算器會回傳以帕斯卡(Pa)、千帕(kPa)與巴(bar)表示的壓降,並換算成以公尺為單位的等效水頭損失。
公式解析
達西-韋斯巴赫方程式為 $$\Delta P = \text{f} \cdot \frac{\text{L}}{\text{D}} \cdot \frac{1}{2}\, \rho\, \text{v}^{2}$$。其中摩擦係數 \(f\) 綜合反映了管壁粗糙度與雷諾數的影響(可由穆迪圖判讀,或以柯爾布魯克方程式計算)。\(\frac{1}{2}\rho v^{2}\) 這一項即為流動的動壓。將 \(\Delta P\) 除以 \(\rho g\) 即可求得水頭損失,其中 \(g = 9.80665\ \text{m/s}^2\)。
範例試算
假設 \(f = 0.02\)、\(L = 100\ \text{m}\)、\(D = 0.1\ \text{m}\)、\(\rho = 1000\ \text{kg/m}^3\)、\(v = 2\ \text{m/s}\):$$\Delta P = 0.02 \times \frac{100}{0.1} \times 0.5 \times 1000 \times 2^{2} = 0.02 \times 1000 \times 0.5 \times 1000 \times 4 = 40{,}000\ \text{Pa} = 40\ \text{kPa} = 0.4\ \text{bar}$$。水頭損失則為 $$\frac{40000}{1000 \times 9.80665} \approx 4.08\ \text{m}$$。
常見問題
摩擦係數要去哪裡找?層流時(Re < 2300)\(f = 64/Re\);紊流時則需根據相對粗糙度與雷諾數,查閱穆迪圖或使用柯爾布魯克-懷特方程式求得。
這有包含次要損失嗎?沒有。本方程式只計算直管沿線的主要(摩擦)損失。配件、閥門與彎頭所造成的次要損失需另行加上。
為什麼流速要平方?摩擦造成的壓力損失與流動的動能成正比,而動能正比於 \(v^{2}\),因此流速加倍時,損失大約會變成四倍。