高考申論題
112年
[環境工程] 流體力學
第 五 題
五、一個斷面為正方形的管子用於運送燃油,斷面的長寬均為15 cm,燃油的運動黏滯係數()為6 10-4 m2/s,燃油的比重為0.85。當管子的流量為0.02 m3/s時,每100 m長的管子之能量損失為多少?(20分)
📝 此題為申論題
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看到本題,應立刻想到管流的摩擦損失計算。解題流程如下:1. 先求非圓形管的特徵長度,即「水力直徑 $D_h$」,公式為 $4 \times (截面積) / (濕周長)$。2. 根據已知流量 $Q$ 計算平均流速 $V$。3. 計算雷諾數 $Re = (V \cdot D_h) / \nu$,用以判斷流態(層流或紊流)。4. 若為層流(通常這種高黏度燃油多為層流),則摩擦係數 $f = 64 / Re$(注意:對於非圓管,層流的常數可能不完全是64,正方形管的常數約為56.9,但在國家考試中若未特別給定,常以水力直徑代入達西公式的 $f=64/Re$ 作為近似,或依據考生對教材的掌握說明)。5. 最後利用達西-魏斯巴赫 (Darcy-Weisbach) 方程式 $h_f = f \cdot (L/D_h) \cdot (V^2 / 2g)$ 求出每 100 m 的水頭損失(能量損失)。
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【考點分析】 本題考驗非圓形斷面管路的摩擦能量損失計算。核心重點在於水力直徑 (Hydraulic Diameter) 的計算、雷諾數的流態判別,以及達西-魏斯巴赫 (Darcy-Weisbach) 方程式的應用。 【理論/法規依據】
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