達西–威斯巴哈方程式

達西–威斯巴哈方程式()是流體力學中的唯象方程式,得名自物理學家亨利·達西和,此方程式描述固定長度管路內因摩擦力產生的扬程損失(或稱為压强損失)和管路中的平均流速的關係。

達西–威斯巴哈方程式中包括一個無因次的摩擦因子,名為達西–威斯巴哈摩擦因子達西摩擦因子,此摩擦因子是范甯摩擦係數的四倍。

壓力損失方程
在均勻直徑的圓管,流體完全填滿圓管,因為粘滯效應造成的壓力損失和其圓管長度成正比,可以用達西–威斯巴哈方程式來描述:
:\frac{\Delta p}{L} =f_\mathrm{D} \cdot \frac{\rho }{2} \cdot \frac{{\langle v \rangle}^2}{D_H},
其中單位長度的壓力損失(SI制單位:Pa/m)是以下參數的函數:
: \rho,流體密度(kg/m3)
: D_H,管子的水力直径(若是圓管,水力直徑等於,否則,是管子的浸潤橫截面積,)是管子的浸潤周長,m)
: \langle v \rangle,平均流速,可以表示為單位截面浸潤面積下的體積流率 (m/s)
: f_\mathrm{D},是達西摩擦因子(也稱是flow coefficient ),可以在穆迪圖中找到,此因子並非范宁摩擦因子f。
針對直流為圓管下的层流,摩擦因子和雷诺数成反比(),此時的因子可以用容易量測或是已發表的物理量描述。將上式代入達西–威斯巴哈方程式,可將方程式改寫為
:\frac{\Delta p}{L} = \frac{128}{\pi} \cdot \frac{\mu Q}{D_c^4},
其中
: 是流体的黏度(Pa·s = N·s/m2 = kg/(m·s))
: 是體積流率,此處用體積流率代替平均流速,因為(m3/s)。

層流時的公式和泊肃叶定律等效,可以由纳维-斯托克斯方程推導。

揚程損失公式
揚程損失 (或)表示因為摩擦力產生的壓力損失,以工作流體的液柱高度表示,因此壓力損失為

:\Delta p = \rho g \, \Delta h,

其中

: 是特定長度,此長度管壁摩擦產生的揚程損失(SI制單位:m)
: 是重力加速度(m/s2)。

可以將損程表示為單位管長下的量,會是無因次量:

:S = \frac{\Delta h}{L} = \frac{1}{\rho g} \cdot \frac{\Delta p}{L},

其中是管長(m)。

因此達西–威斯巴哈方程式也可以用揚程損失來表示:

:S = f_\text{D} \cdot \frac{1}{2g} \cdot \frac{{\langle v \rangle}^2}{D}.

以體積流率表示
平均流體速度和體積流率的關係是

:Q = A \cdot \langle v \rangle,

其中
: 是體積流率(m3/s)
: 是濕潤截面積(m2)

針對截面完全被流體填滿,直徑為的圓管,

: Q = \frac{\pi}{4} D_c^2 \langle v \rangle.

因此以表示的達西–威斯巴哈方程式為

:S = f_\text{D} \cdot \frac{8}{\pi^{2} g} \cdot \frac{Q^2}{D_c^5}.

達西摩擦因子
流体流经一定管径的直管时,由于流体内摩擦力而产生的阻力,阻力的大小与路程长度成正比。沿程阻力(直管阻力)损失的计算式中 λ——摩擦系数,与雷诺数Re和管壁粗糙度ε有关,可实验测定,也可计算得出。

层流时:

:λ=64/Re

对于紊流流动,工程上通过以下两种途径确定:一种是以紊流的半经验理论为基础,结合实验结果,整理成阻力系数的半经验公式,比如穆迪图;另一种是直接根据实验结果,综合成阻力系数的经验公式。前者具有更为普遍的意义。

相關條目
*泊肅葉定律
*水管
*范甯摩擦係數
參考資料

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