曼寧公式

曼寧公式（英語：Manning-Strickler formula，亦稱為 Gauckler–Manning formula ，Gauckler–Manning–Strickler formula）是一個估測液體在開放管道（即明渠流）或非滿管流（液體存在自由表面）中平均速度的經驗公式。開放管道中的液體是因重力而流動。

曼寧公式如下：

V={\frac {\kappa }{n}}{R_{h}}^{2/3}\,S^{1/2}

^[1]^[2]

其中：

V 為 平均速度，單位（L/T，ft/s，m/s）
κ 為轉換係數，單位（ L^1/3/T）
- 國際標準制(SI units)代入1 m^1/3/s
- 英制(BG units)代入1.4859 ft^1/3/s（註：(1 m)^1/3/s = (3.2808399 ft) ^1/3/s = 1.4859 ft^1/3/s）

n 為 Gauckler–曼寧係數、曼寧粗糙係數，單位（T/[L^1/3]，s/[ft^1/3]， s/[m^1/3]）
R_h為水力半徑（英語：Hydraulic radius ），單位（L，ft，m）
S 為水力坡度（英語：Hydraulic gradient slope）或是線性揚程損失的斜率（L/L），若水的深度是一定值，其值等於管道的斜率

歷史

曼寧公式是從蔡希公式（英語：Chezy formula）演變而成

蔡希公式： $V=C{\sqrt {R_{h}S}}$ ^[2]

首先是由法國工程師Philippe Gauckler在1867年提出^[3]，及1881年Hagen分析Ganguillet ,kutter應用之資料，得到 $C$ 值依照 $R$ 之 ${\frac {1}{6}}$ 次方而變。

1889年愛爾蘭工程師羅伯特·曼寧（英語：Robert Manning）提出的經驗公式^[4]，經法國人Flamant在1891年發現羅伯特·曼寧提出的經驗公式與Philippe Gauckler之結論相符。

曼寧式之C值計算為：

$C={\frac {R^{\frac {1}{6}}}{n}}$ ^[2]

其中

C 為 Chezy係數

n 為曼尼(Manning)之粗糙系數
S 為水力坡度
R_h 為水力半徑

將其代入蔡希公式 $V=C{\sqrt {R_{h}S}}$ 得

$V={\frac {1}{n}}{R_{h}}^{2/3}\,S^{1/2}$ ^[2]

又連續方程式 $Q=AV$ 得

$Q={\frac {A}{n}}{R_{h}}^{2/3}\,S^{1/2}$

A 為流水橫面積，單位(m²）

雖為經驗公式但其在理論上與實驗上極為符合，且計算簡單明瞭，是目前普遍運用於重力渠、管渠的水力公式。

名詞解釋

水力半徑（英語：Hydraulice radius）

是渠道水流橫斷面積 A 與潤周(即濕周長)之比值，常以 R_h 表示^[5]

濕周（英語：Wetted perimeter）

或稱作濕周長、潤周，定義：垂直於水流流動方向之渠道、管壁橫斷面上，水與之接觸部分之總長度，常以 P 表示。^[5]

即 $R_{h}={\frac {A}{P}}$

水力直徑（英語：Hydraulic diameter）

是一個處理非圓形管道內流動時的常用物理量，使用這一物理量可以使非圓形管道中的計算轉化成圓形管道中的計算，便於求出雷諾數等數據。常以 D_H 表示。
與水力半徑的關聯
- $4R_{h}=4{\frac {A}{P}}=D_{H}$
- 即水力直徑為水力半徑的4倍

水力坡度（英語：Hydraulic gradient slope）

又稱作坡斜、波降、斜率。工程上常用符號( ‰ )表之，可分為三種

摩擦坡降（英語：friction slope）或稱作能量線坡降（英語：energy line slope），常以 S_f 表示，是流水水道中兩點能量高度連線後取該線之斜率，又可表示單位流水水道長度的水頭損失， $S_{f}={\frac {h_{f}}{l}}$ $S_{f}={\frac {h_{f}}{l}}$
- h_f 為水頭損失、L 為流體流經長度
水面斜率（英語：water slope）,常以 S_w 表示，是流水水面之縱向斜率
底面坡度，常以 S₀ 表示，是流水水道、渠道或管底部之縱向斜率

當滿足水流為定量等速、均勻流時 $S=S_{f}=S_{w}=S_{0}$

曼寧粗糙係數

曼寧粗糙係數是一個與流體接觸濕周的表面材質有關的數值，濕周越粗糙，曼寧粗糙系數值越大，且必須藉由實驗獲得。

計算

數學式： $n={\frac {{R_{h}}^{2/3}\,S^{1/2}}{V}}$

V 為 平均速度
R_h為水力半徑
S 為水力坡度

水深問題

當圓形非滿管流之粗糙係數為變數時，粗糙係數在水深小時 n 值大，在水深大時 n 值相對減少^[6]，但均大於滿管時之粗糙係數（學者 T.R.Camp 於 1946 年提出，稱之為 Camp＇s curve）

n 值與水深之關係經後續學者陸續研究，迄今尚未有一致性的定論。且目前設計管渠時，乃假設 n 值不因水深之不同而有所變化，即設定粗糙係數為數

n值表

明渠之n值^[7]
濕周	n	濕周	n
1.天然渠道		4.人造渠道
乾淨且平直	0.030	玻璃	0.010
緩慢水流的深水塘	0.040	黃銅	0.011
大部分河流	0.035	鋼(光滑)	0.012
2.沖積平原		鋼(塗漆)	0.013
牧草地、農場	0.035	鋼(鉚接)	0.015
稀疏灌木林地	0.050	鑄鐵	0.013
濃密灌木林地	0.075	混凝土(加工)	0.012
樹欉地	0.15	混凝土(未加工)	0.014
3.開鑿土渠		平土板	0.012
乾淨	0.022	黏土磚	0.014
沙礫	0.025	砌磚	0.015
雜草	0.030	柏油	0.016
多石	0.035	波形金屬	0.022
		粗石建材	0.025

涵管(暗渠)之n值^[6]
管渠材質	管渠內面
管渠材質	最佳	良好	普通	劣等
鋼筋混凝土管(RCP)	0.012	0.013	0.015	0.017
聚酯樹脂混凝土管(PRCP)	0.011	0.012	0.014	0.016
鋼管(SP)	0.010	0.012	0.013	-
延性鑄鐵管(水泥砂漿裡襯)(DIPCL)	0.012	0.013	0.015	0.017
高密度聚乙烯塑膠管(HDPEP)	0.010	0.011	0.012	0.015
聚氯乙烯塑膠硬直管(PVCP)	0.010	0.011	0.012	0.015
丙烯晴-丁-二烯-苯乙烯塑膠管(ABSP)	0.010	0.011	0.012	0.015

參考資料

^ 駱, 尚廉; 楊, 萬發. 環境工程（一）自來水工程. 國立台灣大學環境工程學研究所教授第三版 (茂昌圖書有限公司). 2013: 6–10. ISBN 978-957-8981-86-7.
^ ^2.0 ^2.1 ^2.2 ^2.3 易, 任. 渠道水力學. 臺北市: 東華書局. 1974. ISBN 9576360374.
^ Gauckler, P. (1867), Études Théoriques et Pratiques sur l'Écoulement et le Mouvement des Eaux, Comptes Rendues de l'Académie des Sciences, Paris, France, Tome 64, pp. 818–822
^ Manning R. (1891). On the flow of water in open channels and pipes. Transactions of the Institution of Civil Engineers of Ireland, 20, 161-207
^ ^5.0 ^5.1 謝, 平城. 渠道水力學 Open channel flow. 臺北市: 五南圖書出版股份有限公司出版. 2010: 3. ISBN 978-957-11-6092-4.
^ ^6.0 ^6.1 歐陽, 嶠暉. 台灣水環境再生協會 , 編. 下水道學. 台北市: 長松文化興業股份有限公司. 2016: 134. ISBN 978-957-9064-29-3.
^ 周, 德明; 龔, 傑. 流體力學 (精編本)（SI版） Young & Munson & Okiishi & Huebsch : Introduction to Fluid Mechanics 5/E. 高立圖書. 2019: 429. ISBN 978-986-378-211-7.

外部連結

[1] 駱, 尚廉; 楊, 萬發. 環境工程（一）自來水工程. 國立台灣大學環境工程學研究所教授第三版 (茂昌圖書有限公司). 2013: 6–10. ISBN 978-957-8981-86-7.

[:1-2] 2.0 ^2.1 ^2.2 ^2.3 易, 任. 渠道水力學. 臺北市: 東華書局. 1974. ISBN 9576360374.

[:0-3] Gauckler, P. (1867), Études Théoriques et Pratiques sur l'Écoulement et le Mouvement des Eaux, Comptes Rendues de l'Académie des Sciences, Paris, France, Tome 64, pp. 818–822

[4] Manning R. (1891). On the flow of water in open channels and pipes. Transactions of the Institution of Civil Engineers of Ireland, 20, 161-207

[#1-5] 5.0 ^5.1 謝, 平城. 渠道水力學 Open channel flow. 臺北市: 五南圖書出版股份有限公司出版. 2010: 3. ISBN 978-957-11-6092-4.

[:2-6] 6.0 ^6.1 歐陽, 嶠暉. 台灣水環境再生協會 , 編. 下水道學. 台北市: 長松文化興業股份有限公司. 2016: 134. ISBN 978-957-9064-29-3.

[7] 周, 德明; 龔, 傑. 流體力學 (精編本)（SI版） Young & Munson & Okiishi & Huebsch : Introduction to Fluid Mechanics 5/E. 高立圖書. 2019: 429. ISBN 978-986-378-211-7.

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閱論編水力學
概念	水力學液壓液流體動力水利工程
理論模型	白努利定律達西–威斯巴哈方程式地下水流方程式（英語：Groundwater flow equation）赫茲-威廉方程式水文優化（英語：Hydrological optimization）明渠流（蔡希公式、曼寧公式）管網分析（英語：Pipe network analysis）
技術應用	液壓機械液壓蓄壓器（英語：Hydraulic accumulator）液壓煞車（英語：Hydraulic brake）液壓系統液壓缸液壓傳動液壓歧管（英語：Hydraulic manifold）油壓馬達水力電網（英語：Hydraulic power network）液壓沖床液壓泵（英語：Hydraulic pump）液壓撞鎚（英語：Hydraulic ram）液壓救援器具（英語：Hydraulic rescue tools）
公共網絡	利物浦液壓動力公司倫敦液壓動力公司曼徹斯特液壓動力系統（英語：Manchester Hydraulic Power）

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