チューブを通る水の流れを決定する方法

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チューブを通る流れは重力または圧力によって起こります。それは層流（滑らか）または乱流（粗）にすることができます。流れまたは流速を決定するために使用される方法は、液体の特性および導管チャネルの特性に依存する。計算のための最も単純な流速は、一定の傾斜で、半分の大きさのパイプを通って一様に流れる水であり、大気圧を超える追加圧力の下では一定の直径を有する。均一な流れは一定の深さを有する。このように流管は開水路と見なされ、Chezy-Manning式を使用して流速を計算することができます。すべての測定値はメートルに変換されるべきです。

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プラスチックチューブの流れ （Fotolia.comからのchrisharveyによる池のパイプ画像）

チューブ内の流れの深さ（d）を測定します。これは、最も低い点での水面から円管の底までの距離です。定規またはテープをチューブの傾斜に対して垂直に保ちます。測定テープの端を最低点に保ち、円形の断面の反対側に延びるようにして、チューブの内径（D）を測定します。次の式を使った例として、流れの深さ（d）に2メートル、内径（D）に1.5メートルを使うことができます。半径は直径の半分なので、チューブの半径は0.7 mです。
ある距離にわたって標高の低下を測定することによって管の傾斜を決定します。仰角降下とは、流れが平面に対して垂直な垂直軸上を移動する距離です。傾斜測定ツールを使用することもできます。それ以外の場合は、構造レベルは1.8メートルで、測定テープは適切に機能します。水準器の端をチューブの一番上に置き、チューブの一番上のレベルに合わせます。インジケーターがレベルを読み取るまで、レベルの変動先端を増減します。測定されたテープを平面に垂直に保ちながら、水準器の浮遊端の下端からチューブの上端までの距離を測定します。この尺度は「上昇」と呼ばれます。 1.8メートルのレベルが使用されたので、「走行」は1.8メートルです。勾配は、「実行」を「上昇」で割ることによって計算されます。例えば、増加が０．１５メートルである場合、勾配は計算され得る：Ｓ＝「上昇」／「走行」＝０．１５ｍ／１．８ｍ＝０．０１５＝１．５％。勾配は0.015です。百分率では、管の傾斜は1.5％です。
水の流れを含むチューブの断面をスケッチし、その寸法にラベルを付けます。チューブの濡れ周長Pを計算します。これは、水中にあるパイプラインの内周に沿った距離です。この距離は円弧を形成し、チューブの半径にそれがかかる角度を掛けることで解決できます。挙動角度の別の考え方はアークギャップの角度です。この距離の式は次のようになります。 r、どこ？ =ラジアン単位の円弧のベベル角、r =チューブの半径。
スケッチの中でチューブの中心をマークし、水の表面がその壁に合うようにチューブの中心から2本の線を引きます。これらの2本の光線の間にマークされた角度（ラジアン）を使用して、濡れた周長を計算することができます。これが中心角で、次の式で計算できます。チューブが半分以上満たされている場合、この式は異なります。そう？ = 2アーク（（r - d）/ r）、d =流れの深さ、r =チューブの半径。例では、？ = 2アーク（0.7 m - 0.6 m）/ 0.7 m）= 0.14ラジアン。余弦アークは逆余弦、またはcos ^ -1と同じであることを忘れないでください。
中心光線と管の角度を使用して、湿潤周長（P）の方程式を解きます。例として以下で解かれるこの方程式を参照のこと：Ｐ＝ ΔＲ＝０．１４ラジアン×０．７メートル＝０．１メートル。
スケッチ内の流れの領域（A）をマークします。これは水で占められている全域です。領域の幾何学的形状は扇形と呼ばれ、この領域を見つけるための公式はA =（r ^ 2（ - ？Sin）？）/ 2です。ここで、r =チューブの半径、 =中心角以下の例で解くこの方程式を参照してください。A =（r ^ 2（？ - sin？））/ 2 =（0.7 ^ 0.6m *（0.14 - sin（0.14））/ 2 = 2.2平方メートル。
R = A / Pという式を使用して、水力半径（R）または流動面積と湿潤境界の間の比率を計算します。ここで、A =流動面積とP =湿潤境界です。以下の例で解くこの方程式を参照してください：R = A / P = 2.2平方メートル/ 2m = 0.3メートル。
パイプ材料のマニング粗さ係数を決定します。材料が硬いほど、水中での摩擦が大きくなるため、流れが少なくなります。この係数は流れの計算のためにこれを考慮に入れます。マニング粗さ係数は、ほとんどの土木工学のリファレンスマニュアルに記載されています。一般的な値は、コンクリートが0.013、PVCが0.009、段ボールが0.024です。たとえば、0.013という値はコンクリートパイプを示します。
流れを解くためにChezy-Manning式を使用してください。この方程式は、Chezy方程式とManning方程式を組み合わせたものです。それは管を通る流量を計算するために土木工学で定期的に使用されます。流量（Q）の値は、1立方メートル/秒です。Ｑ＝（１．４９／ｎ）（Ａ）（Ｒ＾（２／３））（ΔＳ）ここで、Ｑ＝流速、ｎ＝マニング粗さ係数、ａ＝流動面積、Ｒ＝水力半径、 S =チューブの傾斜以下の例で解くこの方程式を参照してください。Q =（1.49 / n）（A）（R ^（2/3））（？S）=（1.49 / 0.013）*（2.2平方メートル）* 0.3 ^（2/3）メートル（0.05）=毎秒60立方メートル。
電卓を使って数学をチェックしてください。流速（Q）は1立方メートル/秒です。この例では、これは毎秒60立方メートルの水がパイプから出ることを意味します。