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輸入計算

數學公式

Show calculation steps (1)
  1. Exit Velocity

    Exit Velocity: 水箱排水時間計算器

    v = velocity of water leaving the hole (m/s)

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結果

水箱排空時間
102.99
排水時間(分鐘) 1.717 min
初始出口流速 3.884 m/s

這個計算器能做什麼

這個工具可估算水箱僅靠重力,透過底部附近的小孔或孔口完全排空所需的時間。計算依據托里切利定律(Torricelli law),並對液面下降過程中的流出量進行積分求得。無論是工程問題、物理作業,或是水庫、油箱、製程容器的快速估算,都能派上用場。

圓柱形水箱的剖面圖,液體從底部附近的小孔流出
高度為 h 的液體從面積為 A 的水箱經底部附近面積為 a 的小孔流出。

使用方式

輸入水箱截面積 A(平方公尺)、孔口面積 a(平方公尺)、孔口上方的初始液面高度 h(公尺),以及流量係數 Cd(銳邊孔口通常約為 0.62)。重力加速度預設為 9.81 m/s²。計算結果會顯示總排水時間(以秒與分鐘表示),以及初始出口流速。

公式解析

孔口處的流出速度為 \(v = \text{C}_d \sqrt{2\,\text{g}\,\text{h}}\)。由於液面高度 \(h\) 會隨著液體流出而下降,將液面從 \(h\) 積分到 0,即可得到封閉形式的排水時間公式

$$t = \frac{\text{A}}{\text{C}_d \cdot \text{a}} \sqrt{\frac{2\,\text{h}}{\text{g}}}$$

水箱截面積越大、孔口越小,所需時間越長;而初始液面越高,時間則以平方根的方式增加。

顯示液體從深度 h 處小孔流出的托里切利流速示意圖
托里切利定律:流出速度等於 2gh 的平方根,由孔口上方的液體深度決定。

實例演算

以一個 A = 1 m²、孔口面積 a = 0.01 m²、初始高度 h = 2 m、Cd = 0.62、g = 9.81 m/s² 的水箱為例:

$$t = \frac{1}{0.62 \times 0.01} \times \sqrt{\frac{2 \times 2}{9.81}} = 161.29 \times \sqrt{0.40775} = 161.29 \times 0.63855 \approx 103.0 \text{ 秒}$$

約等於 1.72 分鐘。

常見問題

什麼是流量係數?它用來反映實際流束的收縮與摩擦損失。銳邊圓孔常取 0.62;若採用圓滑的噴嘴,數值可接近 0.97。

這對任何液體都適用嗎?是的。對於像水這類低黏度液體,密度會在計算中互相抵消,因此時間只取決於幾何形狀與重力,與液體種類無關。

為什麼時間與 sqrt(h) 成比例?因為流出速度與 \(\sqrt{\text{h}}\) 成比例,所以積分後的排空時間會隨初始液面深度的平方根增加,而非呈線性關係。

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