达西-魏斯巴赫计算器 | HydraulicCalc

使用达西-魏斯巴赫方程计算管道摩擦水头损失,包含Swamee-Jain摩擦系数。

Darcy–Weisbach 方程是计算管道流体摩擦压降的通用公式,适用于任意不可压缩流体和任意雷诺数。本计算器根据管长、直径、平均流速、密度和 Darcy 摩擦系数 f 返回 ΔP,摩擦系数由计算器根据雷诺数和管壁粗糙度自动求解——湍流采用 Swamee–Jain 显式关系式,层流采用 64/Re。

计算原理

ΔP = f × (L/D) × (ρv²/2),其中 f 为无量纲 Darcy 摩擦系数,L 为管长(m),D 为水力直径(m),ρ 为流体密度(kg/m³),v 为平均流速(m/s)。Fanning 摩擦系数 f_F = f_D / 4,不应混淆。层流:f = 64 / Re。湍流参考方程为 Colebrook 隐式方程,Swamee–Jain 显式形式误差在 1% 以内且计算更简便:1/√f = −2 × log₁₀(ε / 3.7D + 5.74 / Re^0.9)。粗糙度 ε(mm)参考值:拉制钢管 0.0015,商业钢管 0.046,铸铁管 0.15,镀锌铁管 0.26。Moody 图是该关系的图形化表达形式。

使用案例

冷却水主管

一名设施工程师为 DN150 商业钢管输送 250 m³/h 冷却水的 200 m 主管选型,计算得 Re = 1.2 × 10⁶,f = 0.018,ΔP = 1.6 bar,据此确定泵扬程预算。

压缩空气管路

一名气动系统设计工程师将 5 m³/min 空气通过 50 m、25 mm 钢管输送,计算等效压降,确认其低于 0.5 bar,保证末端压力满足工具所需的 6 bar。

原油管路校核

一名管道工程师核查 80°C 高粘度原油的短程蒸馏进料管路,因计算得 Re = 1,800 而采用层流公式,确认实际压降与现场压力表读数误差在 5% 以内。

常见问题

Darcy 摩擦系数和 Fanning 摩擦系数有什么区别?

Fanning 系数 f_F = f_D / 4,两者均无量纲。美国管流教材有时使用 Fanning 系数,SI 体系教材使用 Darcy 系数。代入公式前务必确认使用的是哪种定义。

Hagen–Poiseuille 方程适用于什么情况?

Hagen–Poiseuille 方程(Darcy–Weisbach 在层流下的特殊形式)适用于 Re < 2,300,给出 ΔP = (128 × μ × L × Q) / (π × D⁴),结果取决于粘度而非密度。

为什么粗糙度只在湍流中有影响?

在层流中,粘性底层完全覆盖管壁微凸体,粗糙度对摩擦系数无影响。在湍流中,涡旋撞击微凸体,摩擦系数取决于相对粗糙度 ε/D。