Эффект Вентури

Пониженное давление, вызванное ограничением потока в трубке или трубопроводе.

Статическое давление на входе (1) выше, чем в сужении (2), а скорость жидкости в «1» ниже, чем в «2», поскольку площадь поперечного сечения в «1» больше, чем в «2». .

Поток воздуха через трубку Пито измерителя Вентури, показывающий колонны, соединенные в манометр и частично заполненные водой. Счетчик «считывается» как перепад давления в см или дюймах водного столба.

Видео измерителя Вентури, использованного в лабораторном эксперименте

Идеализированный поток в трубке Вентури

Эффект Вентури — это снижение давления жидкости , которое возникает, когда движущаяся жидкость ускоряется при прохождении через суженный участок (или дроссель) трубы. Эффект Вентури назван в честь его первооткрывателя, итальянского физика XVIII века Джованни Баттиста Вентури .

Эффект имеет различные инженерные применения, так как снижение давления внутри сужения можно использовать как для измерения расхода жидкости, так и для перемещения других жидкостей (например, в вакуумном эжекторе ).

Фон

В динамике невязкой жидкости скорость несжимаемой жидкости должна увеличиваться при прохождении через сужение в соответствии с принципом непрерывности массы , а ее статическое давление должно уменьшаться в соответствии с принципом сохранения механической энергии ( принципом Бернулли ). Таким образом, любой выигрыш в кинетической энергии, которого может достичь жидкость за счет увеличения скорости за счет сужения, уравновешивается падением давления из-за потери потенциальной энергии .

Измеряя давление, можно определить скорость потока, как и в различных устройствах измерения расхода, таких как расходомеры Вентури, сопла Вентури и диафрагмы .

Ссылаясь на соседнюю диаграмму, используя уравнение Бернулли в частном случае стационарных, несжимаемых, невязких потоков (таких как поток воды или другой жидкости или низкоскоростной поток газа) вдоль линии тока, теоретический перепад давления на сужении дан кем-то

$${\displaystyle p_{1}-p_{2}={\frac {\rho }{2}}(v_{2}^{2}-v_{1}^{2}),}$$

где — плотность жидкости, — (более низкая) скорость жидкости там, где труба шире, и — (более высокая) скорость жидкости там, где труба уже (как показано на рисунке). ${\displaystyle \rho }$ ${\displaystyle v_{1}}$ ${\displaystyle v_{2}}$

Задушенный поток

Предельным случаем эффекта Вентури является ситуация, когда жидкость достигает состояния дросселированного потока , когда скорость жидкости приближается к локальной скорости звука . Когда жидкостная система находится в состоянии дросселированного потока, дальнейшее снижение давления окружающей среды за ней не приведет к увеличению скорости, если только жидкость не сжимается.

Массовый расход сжимаемой жидкости будет увеличиваться с увеличением давления на входе, что приведет к увеличению плотности жидкости за счет сужения (хотя скорость останется постоянной). В этом и заключается принцип работы сопла Лаваля . Увеличение температуры источника также увеличит локальную скорость звука, что позволит увеличить массовый расход, но только в том случае, если площадь сопла также увеличится, чтобы компенсировать возникающее в результате уменьшение плотности.

Расширение раздела

Уравнение Бернулли обратимо: давление должно расти, когда жидкость замедляется. Тем не менее, если произойдет расширение сечения трубы, появится турбулентность и теорема не будет выполнена. Во всех экспериментальных трубках Вентури давление на входе сравнивается с давлением в средней части; секция вывода никогда не сравнивается с ними.

Экспериментальная установка

Демонстрационный аппарат с трубкой Вентури, изготовленный из трубы ПВХ и работающий с вакуумным насосом.

Трубки Вентури

Самый простой аппарат представляет собой трубчатую конструкцию, известную как трубка Вентури или просто Вентури (множественное число: «Вентури» или иногда «Вентури»). Жидкость течет по длине трубы различного диаметра. Чтобы избежать чрезмерного аэродинамического сопротивления , трубка Вентури обычно имеет входной конус 30 градусов и выходной конус 5 градусов. ^[1]

Трубки Вентури часто используются в процессах, где постоянная потеря давления недопустима и где необходима максимальная точность в случае очень вязких жидкостей. ^{[ нужна цитата ]}

Диафрагма

Трубы Вентури более дороги в изготовлении, чем простые диафрагмы , и обе работают по одному и тому же основному принципу. Однако при любом заданном перепаде давления диафрагмы вызывают значительно более постоянные потери энергии. ^[2]

Приборы и измерения

И трубки Вентури, и диафрагмы используются в промышленности и в научных лабораториях для измерения скорости потока жидкостей.

Скорость потока

Вентури можно использовать для измерения объемного расхода , используя принцип Бернулли . ${\displaystyle \scriptstyle Q}$

С $${\displaystyle {\begin{aligned}Q&=v_{1}A_{1}=v_{2}A_{2}\\[3pt]p_{1}-p_{2}&={\frac {\rho }{2}}\left(v_{2}^{2}-v_{1}^{2}\right)\end{aligned}}}$$

тогда Вентури также можно использовать для смешивания жидкости с газом. Если насос проталкивает жидкость через трубку, подключенную к системе, состоящей из трубки Вентури для увеличения скорости жидкости (диаметр уменьшается), короткого куска трубки с небольшим отверстием в ней и, наконец, трубки Вентури, уменьшающей скорость (поэтому труба снова становится шире), газ будет всасываться через маленькое отверстие из-за изменений давления. В конце системы появится смесь жидкости и газа. Подробнее об этом типе сифона см . в разделе «Аспиратор и напорная головка» . $${\displaystyle Q=A_{1}{\sqrt {{\frac {2}{\rho }}\cdot {\frac {p_{1}-p_{2}}{\left({\frac {A_{1}}{A_{2}}}\right)^{2}-1}}}}=A_{2}{\sqrt {{\frac {2}{\rho }}\cdot {\frac {p_{1}-p_{2}}{1-\left({\frac {A_{2}}{A_{1}}}\right)^{2}}}}}}$$

Перепад давления

Когда жидкость течет через Вентури, расширение и сжатие жидкости вызывают изменение давления внутри Вентури. Этот принцип можно использовать в метрологии для манометров, калиброванных на перепад давления. Этот тип измерения давления может быть более удобным, например, для измерения давления топлива или давления сгорания в реактивных или ракетных двигателях.

Первые крупногабаритные счетчики Вентури для измерения потоков жидкости были разработаны Клеменсом Гершелем , который использовал их для измерения малых и больших потоков воды и сточных вод, начиная с конца 19 века. ^[3] Работая в компании Holyoke Water Power Company , Гершель разработал средства измерения этих потоков для определения потребления энергии воды различными мельницами в системе каналов Холиок , впервые начав разработку устройства в 1886 году, а два года спустя он описать свое изобретение счетчика Вентури Уильяму Анвину в письме от 5 июня 1888 года. ^[4]

Компенсация температуры, давления и массы

По сути, счетчики давления измеряют плотность кинетической энергии . Уравнение Бернулли (использованное выше) связывает это с массовой плотностью и объемным расходом:

${\displaystyle \Delta P={\frac {1}{2}}\rho (v_{2}^{2}-v_{1}^{2})={\frac {1}{2}}\rho \left(\left({\frac {A_{1}}{A_{2}}}\right)^{2}-1\right)v_{1}^{2}={\frac {1}{2}}\rho \left({\frac {1}{A_{2}^{2}}}-{\frac {1}{A_{1}^{2}}}\right)Q^{2}=k\,\rho \,Q^{2}}$

где постоянные члены поглощаются k . Используя определения плотности ( ), молярной концентрации ( ) и молярной массы ( ), можно также получить массовый расход или молярный расход (т.е. стандартный объемный расход): ${\displaystyle m=\rho V}$ ${\displaystyle n=CV}$ ${\displaystyle m=Mn}$

${\displaystyle {\begin{aligned}\Delta P&=k\,\rho \,Q^{2}\\&=k{\frac {1}{\rho }}\,{\dot {m}}^{2}\\&=k{\frac {\rho }{C^{2}}}\,{\dot {n}}^{2}=k{\frac {M}{C}}\,{\dot {n}}^{2}.\end{aligned}}}$

Однако измерения за пределами расчетной точки должны компенсировать влияние температуры, давления и молярной массы на плотность и концентрацию. Закон идеального газа используется для соотнесения фактических значений с расчетными значениями :

${\displaystyle C={\frac {P}{RT}}={\frac {\left({\frac {P}{P^{\ominus }}}\right)}{\left({\frac {T}{T^{\ominus }}}\right)}}C^{\ominus }}$ ${\displaystyle \rho ={\frac {MP}{RT}}={\frac {\left({\frac {M}{M^{\ominus }}}{\frac {P}{P^{\ominus }}}\right)}{\left({\frac {T}{T^{\ominus }}}\right)}}\rho ^{\ominus }.}$

Подстановка этих двух соотношений в приведенные выше уравнения давления и расхода дает полностью компенсированные потоки:

${\displaystyle {\begin{aligned}\Delta P&=k{\frac {\left({\frac {M}{M^{\ominus }}}{\frac {P}{P^{\ominus }}}\right)}{\left({\frac {T}{T^{\ominus }}}\right)}}\rho ^{\ominus }\,Q^{2}&=\Delta P_{\max }{\frac {\left({\frac {M}{M^{\ominus }}}{\frac {P}{P^{\ominus }}}\right)}{\left({\frac {T}{T^{\ominus }}}\right)}}\left({\frac {Q}{Q_{\max }}}\right)^{2}\\&=k{\frac {\left({\frac {T}{T^{\ominus }}}\right)}{\left({\frac {M}{M^{\ominus }}}{\frac {P}{P^{\ominus }}}\right)\rho ^{\ominus }}}{\dot {m}}^{2}&=\Delta P_{\max }{\frac {\left({\frac {T}{T^{\ominus }}}\right)}{\left({\frac {M}{M^{\ominus }}}{\frac {P}{P^{\ominus }}}\right)}}\left({\frac {\dot {m}}{{\dot {m}}_{\max }}}\right)^{2}\\&=k{\frac {M\left({\frac {T}{T^{\ominus }}}\right)}{\left({\frac {P}{P^{\ominus }}}\right)C^{\ominus }}}{\dot {n}}^{2}&=\Delta P_{\max }{\frac {\left({\frac {M}{M^{\ominus }}}{\frac {T}{T^{\ominus }}}\right)}{\left({\frac {P}{P^{\ominus }}}\right)}}\left({\frac {\dot {n}}{{\dot {n}}_{\max }}}\right)^{2}.\end{aligned}}}$

Q , m или n легко выделить путем деления и извлечения квадратного корня . Обратите внимание, что компенсация давления, температуры и массы требуется для каждого потока, независимо от конечных единиц или размеров. Также мы видим отношения:

${\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {k}{\Delta P_{\max }}}&={\frac {1}{\rho ^{\ominus }Q_{\max }^{2}}}\\&={\frac {\rho ^{\ominus }}{{\dot {m}}_{\max }^{2}}}\\&={\frac {{C^{\ominus }}^{2}}{\rho ^{\ominus }{\dot {n}}_{\max }^{2}}}={\frac {C^{\ominus }}{M^{\ominus }{\dot {n}}_{\max }^{2}}}.\end{aligned}}}$

Примеры

Эффект Вентури можно наблюдать или использовать в следующем:

Машины

• Во время пополнения запасов рулевой каждого корабля должен постоянно отклоняться от другого корабля из-за эффекта Вентури, иначе они столкнутся.
• Грузовые эдукторы на танкерах-нефтепродуктовозах и химовозах
• Инспираторы смешивают воздух и горючий газ в грилях , газовых плитах , горелках Бунзена и аэрографах.
• Водяные аспираторы создают частичный вакуум, используя кинетическую энергию давления воды в кране.
• Паровые сифоны используют кинетическую энергию давления пара для создания частичного вакуума.
• Распылители распыляют духи или аэрозольную краску (например, из краскопульта).
• Карбюраторы используют этот эффект для всасывания бензина в поток всасываемого воздуха двигателя.
• Головки цилиндров в поршневых двигателях имеют несколько зон Вентури, таких как седло клапана и вход в порт, хотя они не являются частью замысла конструкции, а просто побочным продуктом, и любой эффект Вентури не имеет конкретной функции.
• Аэраторы для вина наполняют воздух воздухом в вине, когда оно наливается в бокал.
• Протеиновые скиммеры фильтруют аквариумы с морской водой
• Автоматические очистители бассейнов используют поток воды со стороны напора для сбора осадка и мусора.
• В кларнетах используется обратный конус для ускорения движения воздуха по трубке, что обеспечивает лучший тон, отклик и интонацию ^[5].
• Трубка тромбона , влияющая на тембр
• Промышленные пылесосы используют сжатый воздух.
• Скрубберы Вентури используются для очистки выбросов дымовых газов.
• Инжекторы (также называемые эжекторами) используются для добавления газообразного хлора в системы хлорирования воды .
• Паровые форсунки используют эффект Вентури и скрытую теплоту испарения для подачи питательной воды в котел паровоза .
• Пескоструйные сопла ускоряют и смешивают воздух и среду.
• Трюмную воду можно слить из движущейся лодки через небольшой сливной люк в корпусе. Давление воздуха внутри движущейся лодки больше, чем вода, скользящая под ней.
• Регулятор подводного плавания использует эффект Вентури, чтобы поддерживать поток газа, как только он начинает течь.
• В безоткатных винтовках для уменьшения отдачи при стрельбе.
• Диффузор на автомобиль
• Гоночные автомобили, использующие эффект земли для увеличения прижимной силы и, таким образом, способны преодолевать более высокие скорости на поворотах.
• Дозаторы пены, используемые для подачи огнетушащего пенообразователя в системы противопожарной защиты.
• Воздушные компрессоры Trompe увлекают воздух в падающий столб воды.
• Болты в пейнтбольных маркерах некоторых марок
• Низкоскоростные аэродинамические трубы можно считать очень большими Вентури, поскольку они используют эффект Вентури для увеличения скорости и уменьшения давления для имитации ожидаемых условий полета. ^[6]

Архитектура

• Хава-Махал в Джайпуре также использует эффект Вентури, пропуская прохладный воздух, что делает всю территорию более приятной во время высоких летних температур.
• Большие города, где ветер проталкивается между зданиями - разрыв между башнями-близнецами первоначального Всемирного торгового центра был крайним примером явления, из-за которого площадь на уровне земли была общеизвестно продуваемой ветрами. ^[7] Фактически, некоторые порывы ветра были настолько сильными, что пешеходам приходилось пользоваться веревками. ^[8]
• На юге Ирака, недалеко от современного города Насирия , на древнем городище Гирсу обнаружено 4000-летнее водоемное сооружение . Это сооружение древних шумеров заставило содержимое девятнадцатикилометрового канала пройти через сужение, чтобы обеспечить боковой отвод воды на сельскохозяйственные угодья из более высокого источника, чем это было бы в случае без лотка. Недавние раскопки, проведенные археологами из Британского музея, подтвердили находку.

Природа

• На ветреных горных перевалах, что приводит к ошибочным показаниям барометрического высотомера ^[9]
• Мистральный ветер на юге Франции усиливается в долине Роны .

Смотрите также

• Эффект Джоуля – Томсона

Рекомендации

1. Наср, Г.Г.; Коннор, штат Невада (2014). «5.3 Измерение расхода газа». Проблемы инженерии природного газа и безопасности: технологический процесс переработки, анализ, использование и безопасность . Спрингер. п. 183. ИСБН 9783319089485.
2. «Эффект Вентури». Демонстрационный проект Wolfram . Проверено 3 ноября 2009 г.
3. Гершель, Клеменс. (1898). Измерение воды. Провиденс, Род-Айленд: Литейный завод строителей.
4. «Изобретение счетчика Вентури». Природа . 136 (3433): 254. 17 августа 1935 г. Бибкод : 1935Natur.136Q.254.. doi : 10.1038/136254a0 .
5. Бласко, Даниэль Кортес. «Вентури или циркуляция воздуха? Вот в чем вопрос». face2fire (на испанском языке) . Проверено 14 июля 2019 г.
6. Андерсон, Джон (2017). Основы аэродинамики (6-е изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: McGraw-Hill Education. п. 218. ИСБН 978-1-259-12991-9.
7. Данлэп, Дэвид В. (7 декабря 2006 г.). «В новом торговом центре в поисках оживленных (но безопасных) улиц». Нью-Йорк Таймс .
8. Данлэп, Дэвид В. (25 марта 2004 г.). «Защита от возвращения Города Ветров на Манхэттене». Нью-Йорк Таймс .
9. От заката до рассвета (учебный фильм). Федеральная авиационная администрация. 1971. 17 минут. AVA20333VNB1.

Внешние ссылки

• 3D-анимация принципа измерения расхода при перепаде давления (измеритель Вентури)
• ЮТ ​​Остин. «Моделирование трубки Вентури» . Проверено 3 ноября 2009 г.
• Использование эффекта Вентури для бензонасосов, чтобы знать, когда выключить (видео)