Đường kính thủy lực là gì?
Đường kính thủy lực (\(D_h\)) là đường kính tương đương dùng để phân tích dòng chảy trong các ống dẫn không tròn — ống dẫn hình chữ nhật, kênh hở, khe vành khuyên và ống chảy không đầy. Nó cho phép kỹ sư áp dụng các công thức vốn dành cho ống tròn (như số Reynolds và hệ số ma sát Darcy) cho mọi dạng mặt cắt, bằng cách quy hình học phức tạp về một đại lượng chiều dài duy nhất.
Cách sử dụng máy tính
Nhập diện tích mặt cắt dòng chảy A (phần diện tích thực sự bị chất lỏng chiếm) tính bằng mét vuông, và chu vi ướt P (chiều dài đường biên mặt cắt tiếp xúc với chất lỏng) tính bằng mét. Máy tính sẽ trả về đường kính thủy lực tính bằng mét. Với ống tròn chảy đầy, kết quả sẽ đúng bằng đường kính thực của ống.
Giải thích công thức
Đường kính thủy lực được định nghĩa là
$$D_h = \frac{4 \cdot \text{Area } A}{\text{Wetted Perimeter } P}$$Hệ số 4 được chọn sao cho với ống tròn chảy đầy có đường kính D, trong đó \(A = \pi D^2/4\) và \(P = \pi D\), công thức cho ra \(D_h = 4(\pi D^2/4)/(\pi D) = D\). Lưu ý rằng trong kênh hở, chu vi ướt không tính phần mặt thoáng tự do của nước, vì đường biên đó không gây ma sát thành.
Ví dụ minh họa
Xét một kênh hình chữ nhật rộng 2 m chứa nước sâu 1 m. Diện tích dòng chảy là \(A = 2 \times 1 = 2\ \text{m}^2\). Chu vi ướt bằng đáy cộng hai thành bên: \(P = 2 + 1 + 1 = 4\ \text{m}\). Khi đó
$$D_h = \frac{4 \times 2}{4} = 2\ \text{m}$$Câu hỏi thường gặp
Đường kính thủy lực có giống bán kính thủy lực không? Không. Bán kính thủy lực \(R = A/P\), nên \(D_h = 4R\). Hai đại lượng này chênh nhau đúng bốn lần.
Nên dùng đơn vị nào? Bất kỳ hệ đơn vị nhất quán nào cũng được — nếu A tính bằng m² và P tính bằng m, thì \(D_h\) sẽ ra mét. Nếu dùng ft² và ft thì kết quả ra feet.
Mặt thoáng tự do có được tính vào chu vi ướt không? Không. Với dòng chảy trong kênh hở, chỉ tính các đường biên rắn (đáy và thành ngập nước), không tính mặt nước phía trên tiếp xúc với không khí.
