Niiskuse Perimeetri Kalkulaator

Sissejuhatus

Niiskuse perimeeter on oluline parameeter hüdraulikas ja vedelike mehaanikas. See tähistab ristlõikepiiri pikkust, mis on kontaktis vedelikuga avatud kanalites või osaliselt täidetud torudes. See kalkulaator võimaldab teil määrata niiskuse perimeetri erinevate kanalite kujude jaoks, sealhulgas trapetsikujuliste, ristkülikukujuliste/ruudukujuliste ja ringikujuliste torude jaoks, nii täielikult kui ka osaliselt täidetud tingimustes.

Kuidas Seda Kalkulaatorit Kasutada

1. Valige kanali kuju (trapets, ristkülik/ruut või ringikujuline toru).
2. Sisestage vajalikud mõõtmed:
   • Trapetsi jaoks: alumine laius (b), veesügavus (y) ja külgkaldenurk (z)
   • Ristküliku/ruudu jaoks: laius (b) ja veesügavus (y)
   • Ringikujulise toru jaoks: diameeter (D) ja veesügavus (y)
3. Klõpsake nuppu "Kalkuleeri", et saada niiskuse perimeeter.
4. Tulemused kuvatakse meetrites.

Märkus: Ringikujuliste torude puhul, kui veesügavus on võrdne või suurem kui diameeter, loetakse toru täielikult täidetuks.

Sisendi Kontroll

Kalkulaator teeb kasutaja sisendite osas järgmised kontrollid:

• Kõik mõõtmed peavad olema positiivsed numbrid.
• Ringikujuliste torude puhul ei tohi veesügavus ületada toru diameetrit.
• Trapetsikujuliste kanalite külgkaldenurk peab olema mitte-negatiivne number.

Kui tuvastatakse kehtetuid sisendeid, kuvatakse veateade ja arvutamine ei jätku enne, kui vead on parandatud.

Valem

Niiskuse perimeeter (P) arvutatakse erinevalt iga kuju jaoks:

1. Trapetsikujuline Kanal: $P = b + 2y\sqrt{1 + z^2}$ Kus: b = alumine laius, y = veesügavus, z = külgkaldenurk

2. Ristkülikuline/Ruuduline Kanal: $P = b + 2y$ Kus: b = laius, y = veesügavus

3. Ringikujuline Toru: Osaliselt täidetud torude jaoks: $P = D \cdot \arccos(\frac{D - 2y}{D})$ Kus: D = diameeter, y = veesügavus

   Täielikult täidetud torude jaoks: $P = \pi D$

Arvutus

Kalkulaator kasutab neid valemeid niiskuse perimeetri arvutamiseks vastavalt kasutaja sisendile. Siin on samm-sammuline selgitus iga kuju jaoks:

1. Trapetsikujuline Kanal: a. Arvutage iga kalde pikkus: $s = y\sqrt{1 + z^2}$ b. Lisage alumine laius ja kaks korda kalde pikkus: $P = b + 2s$

2. Ristkülikuline/Ruuduline Kanal: a. Lisage alumine laius ja kaks korda veesügavus: $P = b + 2y$

3. Ringikujuline Toru: a. Kontrollige, kas toru on täielikult või osaliselt täidetud, võrreldes y D-ga b. Kui täielikult täidetud (y ≥ D), arvutage $P = \pi D$ c. Kui osaliselt täidetud (y < D), arvutage $P = D \cdot \arccos(\frac{D - 2y}{D})$

Kalkulaator teostab neid arvutusi kahekordse täpsusega ujukomaarvude abil, et tagada täpsus.

Ühikute ja Täpsuse Kohta

• Kõik sisendmõõtmed peaksid olema meetrites (m).
• Arvutused tehakse kahekordse täpsusega ujukomaarvude abil.
• Tulemused kuvatakse ümardatuna kahe kümnendkoha täpsusega loetavuse huvides, kuid sisemised arvutused säilitavad täis täpsuse.

Kasutusalad

Niiskuse perimeetri kalkulaatoril on mitmeid rakendusi hüdraulikas ja vedelike mehaanikas:

1. Kastmissüsteemide Projekteerimine: Aitab kavandada tõhusate kastmiskanalite loomist põllumajanduses, optimeerides veevoolu ja minimeerides veekadu.

2. Sademevee Halduse: Aitab drenaažisüsteemide ja üleujutuste kontrollstruktuuride projekteerimisel, arvutades täpselt voolukiirus ja -võime.

3. Jäätmevee Töötlus: Kasutatakse kanalisatsioonide ja töötlemistehase kanalite projekteerimisel, et tagada nõuetekohased voolukiirus ja vältida sette kogunemist.

4. Jõehooldus: Aitab analüüsida jõevoolu omadusi ja projekteerida üleujutuste kaitsemeetmeid, pakkudes kriitilisi andmeid hüdrauliliste mudelite jaoks.

5. Hüdroenergia Projektid: Aitab optimeerida kanalite projekte hüdroelektri tootmiseks, maksimeerides energiatõhusust ja minimeerides keskkonnamõjusid.

Alternatiivid

Kuigi niiskuse perimeeter on hüdrauliliste arvutuste põhialus, võivad insenerid kaaluda ka teisi seotud mõõtmisi:

1. Hüdrauliline Raadius: Määratletud kui ristlõikeala ja niiskuse perimeetri suhe, kasutatakse sageli Manningi valemis avatud kanalite voolu jaoks.

2. Hüdrauliline Diameeter: Kasutatakse mitte-ringikujuliste torude ja kanalite puhul, määratletud kui neli korda hüdrauliline raadius.

3. Voolu Ala: Vedelike voolu ristlõikeala, mis on hädavajalik voolukiiruste arvutamiseks.

4. Ülemine Laius: Veepinna laius avatud kanalites, oluline pinna pingete ja aurustumise määramiseks.

Ajalugu

Niiskuse perimeetri mõisted on olnud hüdraulika inseneriteaduse oluline osa sajandeid. See sai populaarseks 18. ja 19. sajandil, kui töötati välja empiirilised valemid avatud voolu jaoks, nagu Chézy valem (1769) ja Manningi valem (1889). Need valemid hõlmasid niiskuse perimeetrit kui peamist parameetrit vooluomaduste arvutamisel.

Täpne niiskuse perimeetri määramine muutus tööstusrevolutsiooni ajal hädavajalikuks tõhusate veekandete süsteemide projekteerimisel. Kuna linnapiirkonnad laienesid ja keerukate veehalduse süsteemide vajadus suurenes, tuginesid insenerid üha enam niiskuse perimeetri arvutustele kanalite, torude ja muude hüdrauliliste struktuuride projekteerimisel ja optimeerimisel.

20. sajandil viisid vedelike mehaanika teooria ja eksperimentaalsete tehnikate edusammud sügavamale arusaamisele niiskuse perimeetri ja voolu käitumise vahelisest seosest. See teadmine on integreeritud kaasaegsetesse arvutuslikesse vedelike dünaamika (CFD) mudelitesse, võimaldades täpsemaid ennustusi keerukate voolutingimuste kohta.

Tänapäeval jääb niiskuse perimeeter hüdraulika inseneriteaduse põhikontseptsiooniks, mängides olulist rolli veeressursside projektide, linnade drenaažisüsteemide ja keskkonnavoogude uuringute projekteerimisel ja analüüsimisel.

Näited

Siin on mõned koodinäited niiskuse perimeetri arvutamiseks erinevate kujude jaoks:

' Excel VBA funktsioon trapetsikujulise kanali niiskuse perimeetri jaoks
Function TrapezoidWettedPerimeter(b As Double, y As Double, z As Double) As Double
    TrapezoidWettedPerimeter = b + 2 * y * Sqr(1 + z ^ 2)
End Function
' Kasutus:
' =TrapezoidWettedPerimeter(5, 2, 1.5)

import math

def circular_pipe_wetted_perimeter(D, y):
    if y >= D:
        return math.pi * D
    else:
        return D * math.acos((D - 2*y) / D)

## Näidis kasutamine:
diameter = 1.0  # meetrit
water_depth = 0.6  # meetrit
wetted_perimeter = circular_pipe_wetted_perimeter(diameter, water_depth)
print(f"Niiskuse Perimeeter: {wetted_perimeter:.2f} meetrit")

function rectangleWettedPerimeter(width, depth) {
  return width + 2 * depth;
}

// Näidis kasutamine:
const channelWidth = 3; // meetrit
const waterDepth = 1.5; // meetrit
const wettedPerimeter = rectangleWettedPerimeter(channelWidth, waterDepth);
console.log(`Niiskuse Perimeeter: ${wettedPerimeter.toFixed(2)} meetrit`);

public class WettedPerimeterCalculator {
    public static double trapezoidWettedPerimeter(double b, double y, double z) {
        return b + 2 * y * Math.sqrt(1 + Math.pow(z, 2));
    }

    public static void main(String[] args) {
        double bottomWidth = 5.0; // meetrit
        double waterDepth = 2.0; // meetrit
        double sideSlope = 1.5; // horisontaalne:vertikaalne

        double wettedPerimeter = trapezoidWettedPerimeter(bottomWidth, waterDepth, sideSlope);
        System.out.printf("Niiskuse Perimeeter: %.2f meetrit%n", wettedPerimeter);
    }
}

Need näited demonstreerivad, kuidas arvutada niiskuse perimeetrit erinevate kanalite kujude jaoks erinevates programmeerimiskeeltes. Saate neid funktsioone kohandada oma konkreetsete vajaduste jaoks või integreerida need suurematesse hüdrauliliste analüüsi süsteemidesse.

Numbrilised Näited

1. Trapetsikujuline Kanal:

   • Alumine laius (b) = 5 m
   • Veesügavus (y) = 2 m
   • Külgkaldenurk (z) = 1.5
   • Niiskuse Perimeeter = 11.32 m

2. Ristkülikuline Kanal:

   • Laius (b) = 3 m
   • Veesügavus (y) = 1.5 m
   • Niiskuse Perimeeter = 6 m

3. Ringikujuline Toru (osaliselt täidetud):

   • Diameeter (D) = 1 m
   • Veesügavus (y) = 0.6 m
   • Niiskuse Perimeeter = 1.85 m

4. Ringikujuline Toru (täielikult täidetud):

   • Diameeter (D) = 1 m
   • Niiskuse Perimeeter = 3.14 m

Viidatud Allikad

1. "Niiskuse Perimeeter." Wikipedia, Wikimedia Foundation, https://en.wikipedia.org/wiki/Wetted_perimeter. Juurdepääs 2. aug. 2024.
2. "Manningi Valem." Wikipedia, Wikimedia Foundation, https://en.wikipedia.org/wiki/Manning_formula. Juurdepääs 2. aug. 2024.