Эффект Вентури

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

Поток воздуха через трубку Пито измерителя Вентури: 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

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 своего 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 невязкой динамике несжимаемой жидкости жидкости скорость должна возрастать 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 ) или по закону Уравнения Эйлера . 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 дается

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

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

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

Пара трубок Вентури на легком самолете, используемых для обеспечения воздушного потока для гироскопических инструментов с воздушным приводом.

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 ссылка ]}

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

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

Скорость потока

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

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

затем $Q=A_{1}{\sqrt {{\frac {2}{\rho }}\cdot {\frac {p_{1}-p_{2}}{\left({\frac {A_{1}}{A_{2}}}\right)^{2}-1}}}}=A_{2}{\sqrt {{\frac {2}{\rho }}\cdot {\frac {p_{1}-p_{2}}{1-\left({\frac {A_{2}}{A_{1}}}\right)^{2}}}}}$ 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. см. в разделе «Аспиратор и напорная головка» Подробнее об этом типе сифона .

Дифференциальное давление

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 расхода воды на различных мельницах в системе каналов Холиок , впервые начав разработку устройства в 1886 году, а 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, счетчики давления измеряют плотность кинетической энергии . Уравнение Бернулли (использованное выше) связывает это с массовой плотностью и объемным расходом:

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

где постоянные члены поглощаются k . Используя определения плотности ( $m=\rho V$ ), молярная концентрация ( $n=CV$ ) и молярная масса ( $m=Mn$ ), можно также получить массовый расход или молярный расход (т.е. стандартный объемный расход):

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

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 :

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

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

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

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:

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

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 вино, 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 тембр тромбона влияющая , на
Промышленные пылесосы используют сжатый воздух.
Скрубберы Вентури используются для очистки дымовых газов . выбросов
Инжекторы (также называемые эжекторами) используются для добавления газообразного хлора в воды . хлорирования системы
Паровые форсунки используют эффект Вентури и скрытую теплоту испарения для подачи питательной воды в паровоза котел .
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 автомобиль на
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 первом этаже 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 обнаружено 4000-летнее водоемное сооружение , на древнем городище Гирсу . 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 канала. Недавние раскопки, проведенные археологами из Британского музея, подтвердили находку.

Природа

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

См. также

Эффект Джоуля – Томсона

Ссылки

^ 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 .
^ «Эффект Вентури» . Демонстрационный проект Wolfram . Проверено 3 ноября 2009 г.
^ Гершель, Клеменс. (1898). Измерение воды. Провиденс, Род-Айленд: Литейный завод строителей.
^ «Изобретение счетчика Вентури» . Природа . 136 (3433): 254. 17 августа 1935 г. Бибкод : 1935Natur.136Q.254. . дои : 10.1038/136254a0 .
^ Бласко, Даниэль Кортес. «Вентури или циркуляция воздуха?», вот в чем вопрос . face2fire (на испанском языке) . Проверено 14 июля 2019 г.
^ Андерсон, Джон (2017). Основы аэродинамики (6-е изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: McGraw-Hill Education. п. 218. ИСБН 978-1-259-12991-9 .
^ Данлэп, Дэвид В. (7 декабря 2006 г.). «В новом торговом центре в поисках оживленных (но безопасных) улиц» . Нью-Йорк Таймс .
^ Данлэп, Дэвид В. (25 марта 2004 г.). «Защита от возвращения Города Ветров на Манхэттене» . Нью-Йорк Таймс .
^ От заката до рассвета (познавательный фильм). Федеральное управление гражданской авиации. 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)

[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 .

[wolfram-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. . дои : 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 (познавательный фильм). Федеральное управление гражданской авиации. 1971. 17 минут. AVA20333VNB1.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]