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泊肃叶定律
2020-03-31 10:03:03

泊肃叶定律(英语:Poiseuille's law)也称为泊谡叶方程、帕醉定律、哈根-泊肃叶定律(Hagen-Poiseuille's law)、哈根-帕醉方程(Hagen-Poiseuille's equation),是描述流体流经细管(如血管和导尿管等)所产生的压力损失,压力损失和体积流率、动黏度和管长的乘积成正比,和管径的四次方成反比例。此定律适用于不可压缩、不具有加速度、层流稳定且长于管径的牛顿流体。泊肃叶定律是让·泊肃叶(英语:Jean Léonard Marie Poiseuille)于1838年和戈特希尔夫·哈根(英语:Gotthilf Hagen)于1838和1839年分别实验独立发现的,并于1840年和1846年发表。

泊肃叶定律的应用前提有六:

以下是用标准流体力学表示法下的泊肃叶定律:

其中

其中的单位如下,单位则是以相容的单位为主(例如国际单位制)

此公式在细管进口段的误差较大:3。

此公式不适用在低黏度、短管、宽管或流体流速高的条件下。低黏度、高流速或宽管的条件会产生紊流,导致该流体的压力差较此定律所预测的值为大。因此需要用到像是达西-韦史巴赫方程之类较复杂的模型。若管子太短,泊肃叶定律会计算出不实际的高体积流率。此公式所计算出的流体流率,被限制在较宽松条件的伯努利定律结果之内:

Φ m a x = π R 2 2 Δ P / ρ {\displaystyle \Phi _{max}=\pi R^{2}{\sqrt {2\Delta P/\rho }}}

泊肃叶定律可以由纳维-斯托克斯方程推导而来,但若已知管子中的层流,其速度分布呈抛物线:

在相同直径处的速度也会相同,因此将相同直径处的流体视为一薄层,流过薄层流体的体积流量等于速度乘以薄层的截面积:

再将上述的量对半径r积分,即可得到总流量。

泊肃叶定律不只是有关压力损失和流速的公式,也和管子中的层流,其速度分布呈抛物线有关。不过只要推定紊流下的有效紊流黏度,也可以将上述压力损失的公式延伸到紊流的情形,即使紊流速度分布已不呈抛物线也没关系。在层流和紊流的情形下,压力损失都和管壁的应力有关,由管壁应力可以定义所谓的摩擦因数。在水力学的领域中,管壁应力可以用达西-韦史巴赫方程求得,其中摩擦因数表示为和雷诺数和其他物理量的函数。若在层流的情形下:

其中

上述式子用平均流体速度来定义雷诺数,因此其实用性提高。因为在紊流其最大流体速度很难计算。此公式可以近似达西摩擦因数。 Λ {\displaystyle \Lambda } 是圆型管子下流速很低的层流下的摩擦因数。韦德曼(Wiedman)曾在1856年独立的进行和此定律型式稍微不同的定律的推导,诺伊曼和哈根巴赫(E. Hagenbach)也曾在1858年推导过型式不完全一様的定律。哈根巴赫是第一个称此定律为泊肃叶定律的人。

泊肃叶定律在生理学中的血液流变学(英语:hemorheology)和血液动力学(英语:hemodynamics)中非常的重要。

1891年时L. R. Wilberforce以哈根巴赫的研究为基础,将泊肃叶定律扩展到紊流的领域中。

若管中的是可压缩流体(英语:Compressible flow),其体积流率及线速度会延著管子变化。流体一般会以出口处的压力来表示,当流体压缩或是膨胀时,流体会作功,温度可能上升或是下降,因此流体流率和流体与外界的热交换有关。若是在等温过程下的理想气体,也就是气体温度和外界平衡时,而且管子两端的压力差很小时,其出口处的体积流率可以表示如下式:

其中

当流体的马赫数小于0.3时,可以用上式近似实际的体积流率。

上式可以视为是增加一修正系数 P i + P o 2 × 1 P o {\displaystyle {\frac {P_{i}+P_{o}}{2}}\times {\frac {1}{P_{o}}}} 的泊肃叶定律,修正系数是考虑平均压力相对于出口压力的比例。

电子一开始也是当作一种流体来了解,水力类比(英语:hydraulic analogy)的概念在了解电子电路上仍十分有用。这种类比方式也用来研究流体机械网络的频率响应,其中流体机械网络会以液压回路(英语:hydraulic circuit)来表示。

泊肃叶定律对应电路中的欧姆定律( V = I R {\displaystyle V=IR} ),其中压力差 Δ P {\displaystyle \Delta P} 对应电压 V {\displaystyle V} ,而体积流率 Φ {\displaystyle \Phi } 对应电流,则以下的物理量对应电阻

一个管子的有效阻力和半径倒数的四次方成正比,因此管子的半俓减半会使管子的阻力变为原来的16倍。

欧姆定律和泊肃叶定律都是对于输运现象的描述。

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