什麼是帕松定律?
帕松定律(Poiseuille's Law,又稱哈根-帕松方程式,Hagen–Poiseuille equation)描述的是不可壓縮牛頓流體在等截面長圓柱形管路中,穩定的層流流動行為。它能告訴你:在推動流體的壓力、管路幾何形狀,以及流體黏度三者共同作用下,流體會以多快的速度流動。這條定律在流體力學、液壓工程與生理學(例如血液在血管中的流動)中都是相當基礎的理論。
如何使用本計算機
請輸入管路兩端的壓力差 \(\Delta P\)(單位:帕斯卡 Pa)、管路內半徑 \(r\)(單位:公尺 m)、動黏度 \(\mu\)(單位:帕斯卡·秒 Pa·s),以及管路長度 \(L\)(單位:公尺 m)。計算機會回傳以每秒立方公尺(m³/s)為單位的體積流量 \(Q\),同時也會換算成每秒公升(L/s),方便你直接判讀。
公式詳解
方程式為 $$Q = \frac{\pi \cdot \Delta P \cdot r^{4}}{8 \cdot \mu \cdot L}$$ 最值得注意的一點,就是半徑的四次方項:半徑增為兩倍,流量便會放大 16 倍。流量與壓力差成正比增加,而隨著黏度或管路長度上升則會下降。此定律的前提假設為:流動屬於層流(非紊流)、流體為牛頓流體,且管路為剛性的直管。
實際範例
假設 \(\Delta P = 1000 \text{ Pa}\)、\(r = 0.01 \text{ m}\)、\(\mu = 0.001 \text{ Pa}\cdot\text{s}\)、\(L = 1 \text{ m}\)。則 \(r^{4} = 1\times10^{-8}\),分子為 $$\pi \times 1000 \times 1\times10^{-8} \approx 3.1416\times10^{-5}$$ 分母為 $$8 \times 0.001 \times 1 = 0.008$$ 因此 \(Q \approx 0.003927 \text{ m}^3/\text{s}\),約等於每秒 3.927 公升。
常見問題
這條定律適用於紊流嗎?不適用。帕松定律僅適用於層流(低雷諾數)的情況。若要處理紊流,則必須改用其他的經驗關係式。
該使用哪些單位?請一律採用 SI 國際單位制:帕斯卡(Pa)、公尺(m)、帕斯卡·秒(Pa·s)。如此一來,計算結果便會以每秒立方公尺(m³/s)為單位。
為什麼半徑這麼關鍵?因為流量與 \(r^{4}\) 成正比,即使管路半徑只有些微變化,也會造成流量的大幅改變——這在工程與醫學領域都是相當重要的洞見。