我把水泵井深問題簡化版再簡化一下
假設有個水井容量很大,抽出一些水,注進一些水,不會改變水平面的高度。把一個半徑為R的管子豎直插在井水中,下端開口,與水平面非常接近。把這個管子取名豎管。豎管的上端封閉真空。再引入一個歧管。歧管上端粗,下端細,下端半徑為R/3,也是豎直插在井水裡,但其下端轉彎插進豎管,開口向上,非常接近井水平面。歧管的上端接到一個暴露在空氣中的水源。這個水源容量很大,歧管泄出一些水,不會改變水源水平面的高度。歧管上端最粗,以下逐漸變細,保證水流連續。水源水平面與水井水平面的高度差是h > 50米。求在穩態條件下,豎管水平面與水井水平面的高度差。
設水源水平面為(0)點,歧管下端開口為(1)點,豎管上端水平面為(2)點,豎管下端開口,沒被歧管擋住的地方為(3)點。
(0)點能量: p0 + cgh
式中p0為(0)點大氣壓,c是水密度,h是水源高度。
(1)點能量: cgx + cv1^2/2
式中v1為(1)點流速,x是豎管水平面高度。
p0 + cgh = cgx + cv1^2/2
v1^2 = 2g(h-x) + 2p0/c (a)
(2)點能量: cgx
(3)點能量: p0 + cv3^2/2
cgx = p0 + cv3^2/2
v3^2 = 2gx - 2p0/c (b)
(2)點能量: cgx
(1)點截面積 A1 = (R/3)^2pi, (3)點截面積 A3 = (R^2 - (R/3)^2)pi
在穩態,(1)點的流量應該與(3)點的流量相等。
v1^2*A1^2 = v3^2*A3^2
最後得到
x = p0/(cg) + h/65
式中p0/(cg) = 10米。如果h = 250米,
x = 10 + 3.85 = 13.85米。