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普考申論題 111年 [環境工程] 流體力學概要

第 二 題

📖 題組:
三、一水力系統之能量坡降線(EGL)及水力坡降線(HGL)如下圖所示,請回答下列問題(須說明理由): (一)從 A 到 C 管路中流速是固定不變、逐漸變大、或逐漸變小?(5 分) (二)本系統中是否有抽水機?若有,請指出位置。(5 分) (三)E 點右方之管線是固定管徑或是變化管徑?(5 分) (四)本系統中是否有蓄水池?若有,請指出位置。(5 分)
題組圖片
📝 此題為申論題,共 4 小題

小題 (二)

本系統中是否有抽水機?若有,請指出位置。(5 分)

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看到能量坡降線(EGL)的題目,首先回想 EGL 代表流體的總水頭(總能量)。抽水機會對流體輸入能量,導致 EGL 曲線出現垂直上升的突增;反之水輪機或局部損失則會造成垂直下降。直接觀察圖中 EGL 沿流向是否有垂直突升的特徵即可判斷。

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【解題思路】根據能量方程式(修正伯努利方程式),抽水機會增加系統總能量,反映在 EGL 圖上為垂直突升。 【詳解】

  1. 理論基礎:能量坡降線(EGL, Energy Grade Line)代表單位重量流體所具有的總水頭(總能量),即位置水頭、壓力水頭與速度水頭之和($EGL = z + \frac{P}{\gamma} + \frac{V^2}{2g}$)。

小題 (一)

從 A 到 C 管路中流速是固定不變、逐漸變大、或逐漸變小?(5 分)

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看到 EGL 和 HGL 的圖形,首要想到兩者之間的垂直差值物理意義代表「速度水頭」。藉由觀察 A 到 C 區段這兩條線的間距變化,即可直接判斷流速的增減趨勢。

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【解題關鍵】能量坡降線(EGL)與水力坡降線(HGL)之垂直高度差即為「速度水頭」$\left(\frac{v^2}{2g}\right)$。 【詳解】

  1. 理論基礎:

小題 (三)

E 點右方之管線是固定管徑或是變化管徑?(5 分)

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觀察圖中 E 點右方的 EGL 與 HGL 兩條線的幾何關係。回想 EGL 與 HGL 的垂直落差代表什麼物理量(速度水頭),若兩線平行則代表流速固定,再配合連續方程式即可推斷管徑變化。

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【解題思路】利用能量坡降線(EGL)與水力坡降線(HGL)之垂直距離代表速度水頭的原理進行判斷。 【詳解】 已知:

小題 (四)

本系統中是否有蓄水池?若有,請指出位置。(5 分)

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判斷是否有蓄水池,應回想蓄水池的流體力學特徵:由於水池截面積極大,內部流速趨近於零,導致速度水頭為零。在圖表上會表現為能量坡降線(EGL)與水力坡降線(HGL)重合,且無流動摩擦損失而呈現水平線。觀察圖中符合此特徵的區段即可作答。

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【解題思路】利用蓄水池內流體流速趨近於零,導致速度水頭為零、EGL與HGL重疊的特性來判斷。 【詳解】 已知:能量坡降線(EGL)與水力坡降線(HGL)的數學關係為 $EGL = HGL + \frac{V^2}{2g}$,其中 $\frac{V^2}{2g}$ 代表速度水頭。