什麼是連續方程式流量計算器?
這個計算器運用不可壓縮、穩態流體的「連續性原理」。它能算出流體通過圓管時的體積流量 \(Q = A \cdot v\),並透過連續方程式 \(A_1 v_1 = A_2 v_2\) 推算管徑改變後的流速。這項工具廣泛應用於流體力學、水電配管、空調(HVAC)設計,以及物理課程的學習與練習。
如何使用
先輸入第一段管路的管徑與流經其中的流體流速,再輸入第二段管路的管徑。計算器會回傳守恆的體積流量 \(Q\)、第二段管路中的新流速 \(v_2\),以及兩段管路各自的截面積。
公式說明
圓管的截面積為 \(A = \pi \left(\frac{d}{2}\right)^2\),流量則是 \(Q = A \cdot v\)。由於質量守恆(對不可壓縮流體而言,體積也守恆),進入的流量必定等於流出的流量,即 $$A_1 v_1 = A_2 v_2$$ 移項後可得 $$v_2 = \frac{A_1 v_1}{A_2}$$ 管徑越窄(\(A_2\) 越小),流速就被迫越快——這正是為什麼用拇指按住水管出口時,水會噴得更急的道理。
範例演算
假設第一段管路管徑為 0.1 m、流速 2 m/s,第二段管路管徑為 0.05 m。則 \(A_1 = \pi (0.05)^2 \approx 0.0078540 \text{ m}^2\),因此 $$Q = 0.0078540 \times 2 \approx 0.0157080 \text{ m}^3/\text{s}$$ 而 \(A_2 = \pi (0.025)^2 \approx 0.0019635 \text{ m}^2\),故 $$v_2 = \frac{Q}{A_2} \approx \frac{0.0157080}{0.0019635} = 8 \text{ m/s}$$ 流速整整快了四倍,因為管徑減半,截面積便縮小為原來的四分之一。
常見問題
這適用於任何流體嗎?此處的連續方程式假設流體為不可壓縮(大多數液體,以及低速氣體)且穩態流動。
可以使用其他管徑單位嗎?可以,只要單位一致即可,結果也會以對應單位呈現(例如管徑用公尺、流速用 m/s,得到的 \(Q\) 就是 m³/s)。
為什麼管路變窄流速會變快?因為流量守恆,當截面積變小時,就必須以更快的流速來維持平衡。