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流体力学

管道沿程损失

达西–魏斯巴赫 hf = f (L/D)(v²/2g),与长度 L 成正比·速度² (湍流)·直径↓猛增,f 由 ε/D·Re 定 (穆迪)

长管子尽头出水变弱,是因为黏性摩擦在流动的一路上把压力一点一点削掉了。沿管子立起的压力计的水高怎样下降,拖动流量来看。削掉的高度就是路上的损失。

沿管子立起细的压力计,水高从进口到出口像台阶一样下降,这个高度就是那一点的压力水头。拖动流量,流得越多斜率越陡,尽头掉得更多。黏性摩擦沿着路把流动的能量一点一点啃掉。台阶越陡,尽头越渴。

管子越长,摩擦作用的距离越长,损失也跟着变大。拖动管长 L,水头损失按正比长大,其他相同的话,两倍长的管子就是两倍的损失。所以送得越远的输水管,压力丢得越多。长度有多少,摩擦就做多少功。

速度变大,损失长得快得多。湍流里水头损失和速度的平方成正比,拖动速度 v,曲线就按抛物线窜高。速度变成两倍,损失就是四倍,把流量硬抬高,压力就急剧不够。快慢把损失按平方养大。

这一切收成达西-魏斯巴赫一个式子。hf = f LDv²2g,也就是摩擦系数 f、长径比 LD、以及速度水头 v²2g 的乘积。拖动速度 v,各项的柱子和最终的 hf 一起动,直径 D 越小 LD 越大,损失急增。细管子把同样的长度变得更贵。

摩擦系数 f 取决于管子里面有多粗。拖动相对粗糙度 εD,光滑的新管 f 小,生锈粗糙的旧管 f 大,同样的流量损失也增加,这就是穆迪图说的。所以旧管道用同样的泵,尽头的水也变弱。粗的壁把同样的水送得更贵。

实际应用收起来说,黏性摩擦沿管子造出水头损失 hf。按达西-魏斯巴赫,hf = f LDv²2g:与长度 L 成正比,与速度水头 v²2g 成正比,湍流里事实上是 v²,直径 D 越小越急增,摩擦系数 f 由雷诺数和相对粗糙度 εD 决定。层流是 f = 64Re,与粗糙度无关。穆迪图把这个 f 一眼给出。测压管水头线 HGL 沿流动方向下降,斜率是单位长度的损失,泵、输水管、消防管道的设计都在这个损失上进行。管子外面,物体表面的边界层接着来。
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