什麼是水力半徑?
水力半徑(\(R_h\))是明渠流與管流水力學中的關鍵參數,定義為流動截面積與濕周的比值。所謂「濕周」,是指渠道邊界中實際與流體接觸的那段長度。水力半徑可以有效描述某個渠道斷面形狀「輸送水流的效率」:水力半徑越大,代表單位流動面積所承受的摩擦阻力越小,水流也就越順暢。
如何使用本計算器
請以一致的單位輸入流動截面積(A)與濕周(P),例如以平方公尺與公尺搭配使用。計算器會將 A 除以 P,回傳以長度單位表示的水力半徑。請務必確認兩項輸入採用相同的基本長度單位,計算結果才具有意義。
公式解析
核心方程式相當簡潔:
$$R_h = \frac{\text{Area (A)}}{\text{Wetted Perimeter (P)}}$$其中 A 為垂直於流動方向的流體截面積,P 則為濕周——只計算與流體接觸的那段邊界,不包含自由水面。以一條直徑為 D 的滿管圓管為例,\(R_h = \frac{\pi D^2/4}{\pi D} = \frac{D}{4}\)。此數值可直接帶入曼寧公式(Manning)與謝才公式(Chézy),用以估算流速與流量。
實例演算
假設有一條矩形渠道,水深 2 公尺、寬度 5 公尺。流動面積為 \(A = 2 \times 5 = 10 \text{ m}^2\)。濕周則為渠底加上左右兩側:\(P = 5 + 2 + 2 = 9 \text{ m}\)(頂部為開放水面,不列入計算)。因此 $$R_h = \frac{10}{9} \approx 1.111 \text{ m}$$
常見問題
水面是否要計入濕周?不需要。濕周只計算與流體接觸的固體邊界,自由水面並不包含在內。
該使用什麼單位?任何單位皆可,只要面積與濕周採用相同的基本長度單位即可,計算結果便會帶有該長度單位。
水力半徑有什麼用途?它是曼寧公式與謝才公式的核心輸入值,用於計算渠道與部分充滿之管道中的流速與流量。