什麼是速度頭?
速度頭(velocity head,又稱流速水頭)是指流體因運動而具有的那部分總能量,並以等效的流體柱高度來表示。它是白努利方程式中的三項之一,另外兩項分別是壓力頭與位置頭。速度頭能告訴工程師流體能量中有多少屬於動能,這在管徑設計、泵浦系統分析,以及估算次要與主要水頭損失時都相當關鍵。
如何使用這個計算器
請輸入流體的流速(單位:公尺/秒),以及重力加速度(在地球上預設為 9.81 m/s²)。計算器會立即回傳以「公尺流體柱」為單位的速度頭。由於速度頭只取決於流速與重力,因此計算結果與流體的密度無關。
公式詳解
速度頭的計算公式為:
$$h_v = \frac{\text{Velocity}^{2}}{2 \cdot \text{Gravity}}$$其中 \(v\) 為平均流速,\(g\) 為重力加速度。由於流速取平方,因此流速加快時水頭會迅速上升:流速增為兩倍,速度頭就會變成四倍。分母 \(2g\) 的作用,是把每單位重量的動能換算成長度單位。
實際範例
假設水以 3 m/s 的流速流過管線,且位於地球上(\(g = 9.81\) m/s²)。則 $$h_v = \frac{3^2}{2 \times 9.81} = \frac{9}{19.62} = 0.4587 \text{ 公尺}$$ 換句話說,這股流動的水所帶有的動能,相當於一根 0.46 公尺高的流體柱。
常見問答
流體種類會影響速度頭嗎? 不會。速度頭只取決於流速與重力,因此水、油、空氣只要流速相同,以各自流體柱高度計算的速度頭就會相同。
計算結果使用什麼單位? 當流速以 m/s、\(g\) 以 m/s² 代入時,結果為「公尺流體柱」。若採用美制單位,請改用 ft/s 與 32.174 ft/s²,結果則以英尺表示。
速度頭為什麼重要? 它會用於白努利方程式,以及計算次要損失(管件、閥門等)——這類損失通常以某個係數乘上速度頭來表示。