эффект Вентури

Пониженное давление, вызванное ограничением потока в трубе или трубопроводе

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

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

Видеоролик о применении расходомера Вентури в лабораторном эксперименте

Идеализированный поток в трубке Вентури

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

Эффект имеет различные технические приложения, поскольку снижение давления внутри сужения может быть использовано 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 , в то время как ее статическое давление должно уменьшаться в соответствии с принципом сохранения механической энергии ( принцип Бернулли ) или в соответствии с уравнениями Эйлера . Таким образом, любой прирост кинетической энергии , которого может достичь жидкость за счет увеличения скорости при прохождении через сужение, уравновешивается падением давления из-за потери потенциальной энергии .

Измеряя давление, можно определить расход, как это делают различные расходомеры , такие 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, теоретическое падение давления в сужении определяется выражением

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

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

Заблокированный поток

Предельный случай эффекта Вентури — когда жидкость достигает состояния запертого потока , где скорость жидкости приближается к локальной скорости звука . Когда жидкостная система находится в состоянии запертого потока, дальнейшее уменьшение давления ниже по потоку не приведет к увеличению скорости, если только жидкость не сжата.

Массовый расход сжимаемой жидкости увеличится с увеличением давления на входе, что увеличит плотность жидкости через сужение (хотя скорость останется постоянной). Это принцип работы сопла Лаваля . Увеличение температуры источника также увеличит локальную скорость звука, что позволит увеличить массовый расход, но только если площадь сопла также увеличится, чтобы компенсировать результирующее уменьшение плотности.

Расширение раздела

Уравнение Бернулли обратимо, и давление должно расти при замедлении жидкости. Тем не менее, если происходит расширение сечения трубки, то возникнет турбулентность, и теорема не будет выполняться. Во всех экспериментальных трубках Вентури давление на входе сравнивается с давлением в средней секции; выходная секция никогда не сравнивается с ними.

Экспериментальная аппаратура

Демонстрационный аппарат с трубкой Вентури, изготовленный из ПВХ-трубы и работающий от вакуумного насоса.

Трубки Вентури

Простейший аппарат представляет собой трубчатую установку, известную как трубка Вентури или просто Вентури (множественное число: «Вентури» или иногда «Вентури»). Жидкость течет через длинную трубу 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 требуется максимальная точность в случае высоковязких жидкостей. ^{[ необходима цитата ]}

Диафрагма

Трубки Вентури более дороги в изготовлении, чем простые диафрагмы , и обе работают по одному и тому же базовому принципу. Однако для любого заданного перепада давления диафрагмы вызывают значительно большую постоянную потерю энергии. ^[2]

Приборы и измерения

Как трубки Вентури, так и диафрагмы используются в промышленности и в научных лабораториях для измерения расхода жидкостей.

Скорость потока

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

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

то Вентури также может использоваться для смешивания жидкости с газом. Если насос нагнетает жидкость через трубку, соединенную с системой, состоящей из Вентури для увеличения скорости жидкости (диаметр уменьшается), короткого куска трубки с небольшим отверстием в ней, и, наконец, Вентури, который уменьшает скорость (так что труба снова становится шире), газ будет всасываться через небольшое отверстие из-за изменения давления. В конце системы появится смесь жидкости и газа. См. аспиратор и напорная головка для обсуждения этого типа сифона . $${\displaystyle Q=A_{1}{\sqrt {{\frac {2}{\rho }}\cdot {\frac {p_{1}-p_{2}}{\left({\frac {A_{1}}{A_{2}}}\right)^{2}-1}}}}=A_{2}{\sqrt {{\frac {2}{\rho }}\cdot {\frac {p_{1}-p_{2}}{1-\left({\frac {A_{2}}{A_{1}}}\right)^{2}}}}}}$$

Дифференциальное давление

При протекании жидкости через Вентури, расширение и сжатие жидкостей вызывают изменение давления внутри Вентури. Этот принцип может использоваться в метрологии для датчиков, калиброванных для дифференциального давления. Этот тип измерения давления может быть более удобным, например, для измерения давления топлива или 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-го века. ^[3] Работая в компании Holyoke Water Power Company , Гершель разработал средства для измерения этих потоков, чтобы определить потребление энергии воды различными мельницами в системе каналов Холиок , впервые начав разработку устройства в 1886 году, два года спустя он описал свое изобретение счетчика Вентури Уильяму Анвину в письме от 5 июня 1888 года. ^[4]

Компенсация температуры, давления и массы

По сути, измерители давления измеряют плотность кинетической энергии . Уравнение Бернулли (использованное выше) связывает это с плотностью массы 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 вывести массовый поток или молярный поток (т.е. стандартный объемный поток): ${\displaystyle m=\rho V}$ ${\displaystyle n=CV}$ ${\displaystyle m=Mn}$

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

Однако измерения за пределами расчетной точки должны компенсировать влияние температуры, давления и молярной массы на плотность и концентрацию. Закон идеального газа используется для связи 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 уравнения давления-потока выше 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 изолируются 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 соотношения:

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

Примеры

Эффект Вентури можно наблюдать или использовать в следующих случаях:

Машины

• Во время пополнения запасов на ходу рулевой каждого судна должен постоянно отворачиваться от другого судна из-за эффекта Вентури, иначе они столкнутся.
• Грузовые эжекторы на танкерах для перевозки нефтепродуктов и химикатов
• Инспираторы смешивают воздух и горючий газ в грилях , газовых плитах и ​​горелках Бунзена.
• Водяные аспираторы создают частичный вакуум, используя кинетическую энергию давления водопроводной воды.
• Паровые сифоны используют кинетическую энергию давления пара для создания частичного вакуума.
• Распылители распыляют духи или краску-спрей (например, с помощью краскопульта или аэрографа ).
• Карбюраторы используют этот эффект для всасывания бензина в поток всасываемого воздуха двигателя.
• Головки цилиндров поршневых двигателей имеют несколько областей Вентури, таких как седло клапана и входное отверстие порта, хотя они не являются частью конструкторского замысла, а представляют собой лишь побочный продукт, и любой эффект Вентури не имеет конкретной функции.
• Аэраторы для вина насыщают вино воздухом, когда оно наливается в бокал.
• Протеиновые скиммеры фильтруют морские аквариумы
• 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, реакцию и интонацию ^[5]
• Трубка тромбона , влияющая на тембр .
• Промышленные пылесосы используют сжатый воздух.
• Скрубберы Вентури используются для очистки дымовых газов .
• Инжекторы (также называемые эжекторами) используются для добавления газообразного хлора в системы хлорирования воды .
• Паровые инжекторы 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 с движущейся лодки через небольшой сливной затвор в корпусе. Давление воздуха внутри движущейся лодки больше, чем давление воды, скользящей под ней.
• Регулятор для подводного плавания использует эффект Вентури для поддержания потока газа после его начала.
• В безоткатных орудиях для уменьшения отдачи при стрельбе
• Диффузор на автомобиле
• Гоночные автомобили используют эффект земли для увеличения прижимной силы и, таким образом, становятся способными на более высоких скоростях прохождения поворотов
• Дозаторы пены, используемые для подачи пенного концентрата для пожаротушения в системы противопожарной защиты.
• Воздушные компрессоры Trompe забирают воздух в падающий столб воды.
• Болты в некоторых марках пейнтбольных маркеров
• Низкоскоростные аэродинамические трубы можно считать очень большими трубами Вентури, поскольку они используют эффект Вентури для увеличения скорости и уменьшения давления для имитации ожидаемых условий полета. ^[6]

Архитектура

• В Хава-Махале в Джайпуре также используется эффект Вентури, позволяющий проходить прохладному воздуху, что делает всю территорию более комфортной в период высоких летних температур.
• В крупных городах, где ветер проникает между зданиями — зазор между башнями-близнецами оригинального Всемирного торгового центра был ярким примером этого явления, из-за которого площадь на уровне земли стала, как известно, продуваемой ветром. ^[7] Фактически, некоторые порывы ветра были настолько сильными, что пешеходам приходилось передвигаться с помощью веревок. ^[8]
• На юге Ирака, недалеко от современного города Насирия , на древнем месте Гирсу было обнаружено 4000-летнее сооружение с лотком . Это сооружение древних шумеров заставило содержимое девятнадцатикилометрового канала пройти через сужение, чтобы обеспечить боковой отвод воды на сельскохозяйственные угодья с более высокого источника, чем это было бы в случае без лотка. Недавние раскопки археологов из Британского музея подтвердили находку.

Природа

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

Смотрите также

• Эффект Джоуля-Томсона
• лоток Вентури
• лоток Паршалла

Ссылки

1. Наср, ГГ; Коннор, Н.Е. (2014). "5.3 Измерение расхода газа". Проблемы техники и безопасности природного газа: процесс переработки, анализ, использование и безопасность . Springer. стр. 183. ISBN 9783319089485.
2. "Эффект Вентури". Проект демонстраций Вольфрама . Получено 2009-11-03 .
3. Гершель, Клеменс. (1898). Измерение воды. Провиденс, Род-Айленд: литейный завод Builders Iron Foundry.
4. "Изобретение расходомера Вентури". Nature . 136 (3433): 254. 17 августа 1935 г. Bibcode :1935Natur.136Q.254.. doi : 10.1038/136254a0 .
5. Бласко, Даниэль Кортес. «Вентури или циркуляция воздуха? Вот в чем вопрос». face2fire (на испанском) . Получено 14 июля 2019 г.
6. Андерсон, Джон (2017). Основы аэродинамики (6-е изд.). Нью-Йорк, Нью-Йорк: McGraw-Hill Education. стр. 218. ISBN 978-1-259-12991-9.
7. Данлэп, Дэвид В. (7 декабря 2006 г.). «В Новом торговом центре, в поисках оживленных (но безопасных) улиц». The New York Times .
8. Данлэп, Дэвид В. (25 марта 2004 г.). «Опоясывание против возвращения города ветров на Манхэттене». The New York Times .
9. От заката до рассвета (учебный фильм). Федеральное управление гражданской авиации. 1971. 17 минут. AVA20333VNB1.

Внешние ссылки

• 3D-анимация принципа измерения расхода по перепаду давления (расходомер Вентури)
• UT Austin. "Моделирование трубки Вентури" . Получено 2009-11-03 .
• Использование эффекта Вентури для газовых насосов, чтобы знать, когда выключать (видео)