Эффект Вентури - это снижение давления жидкости, которое возникает, когда жидкость протекает через суженный участок (или штуцер) трубы. Эффект Вентури назван в честь его первооткрывателя Джованни Баттиста Вентури .
Фон [ править ]
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 ). Таким образом, любое увеличение кинетической энергии, которое жидкость может получить за счет увеличения скорости через сужение, уравновешивается падением давления.
Путем измерения давления можно определить расход, как в различных устройствах измерения расхода, таких как расходомеры Вентури, сопла Вентури и диафрагмы .
Ссылаясь на соседнюю диаграмму, используя уравнение Бернулли в частном случае устойчивых несжимаемых невязких потоков (таких как поток воды или другой жидкости или низкоскоростной поток газа) вдоль линии тока, теоретический перепад давления в сужении равен предоставлено:
где - плотность жидкости, - (более низкая) скорость жидкости, если труба шире, - это (более высокая) скорость жидкости, где труба уже (как показано на рисунке).
Забитый поток [ править ]
Предельный случай эффекта Вентури - это когда жидкость достигает состояния закупорки потока , когда скорость жидкости приближается к местной скорости звука . Когда система текучей среды находится в состоянии закупорки потока, дальнейшее снижение давления окружающей среды ниже по потоку не приведет к увеличению скорости, если текучая среда не сжимается.
Массовый расход сжимаемой жидкости будет увеличиваться с увеличением давления на входе, что приведет к увеличению плотности жидкости через сужение (хотя скорость останется постоянной). Это принцип работы сопла де Лаваля . Повышение температуры источника также увеличит локальную скорость звука, что позволит увеличить массовый расход, но только в том случае, если площадь сопла также будет увеличена, чтобы компенсировать результирующее снижение плотности.
Расширение раздела [ править ]
Уравнение Бернулли обратимо, и давление должно расти, когда жидкость замедляется. Тем не менее, если произойдет расширение сечения трубы, возникнет турбулентность, и теорема не будет выполняться. Во всех экспериментальных трубках Вентури давление на входе сравнивается с давлением в средней секции; выходной раздел никогда не сравнивается с ними.
Экспериментальный аппарат [ править ]
Трубки Вентури [ править ]
Самым простым устройством является трубчатая установка, известная как трубка Вентури или просто трубка Вентури (множественное число: «Вентури» или иногда «Вентури»). Жидкость протекает по трубе разного диаметра. Чтобы избежать чрезмерного аэродинамического сопротивления , труба 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 [ править ]
Трубки Вентури более дорогие 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 [ править ]
Как трубки Вентури, так и диафрагмы используются в промышленных приложениях и в научных лабораториях для измерения расхода жидкостей.
Скорость потока [ править ]
Трубка Вентури может быть использован для измерения объемной скорости потока , , используя принцип Бернулли .
С
тогда
Вентури также можно использовать для смешивания жидкости с газом. Если насос проталкивает жидкость через трубку, соединенную с системой, состоящей из трубки Вентури для увеличения скорости жидкости (диаметр уменьшается), короткого отрезка трубки с небольшим отверстием в ней и, наконец, трубки Вентури, которая снижает скорость (так что труба снова становится шире), газ будет всасываться через маленькое отверстие из-за изменений давления. В конце системы появится смесь жидкости и газа. См. Аспиратор и напорную головку для обсуждения этого типа сифона .
Дифференциальное давление [ править ]
Когда жидкость протекает через Вентури, расширение и сжатие жидкости вызывают изменение давления внутри Вентури. Этот принцип может быть использован в метрологии для манометров, откалиброванных для дифференциального давления. Этот тип измерения давления может быть более удобным, например, для измерения давления топлива или давления сгорания в реактивных или ракетных двигателях.
Первые крупномасштабные расходомеры 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 разрабатывал средства для измерения этих потоков, чтобы определить потребление воды различными мельницами в системе каналов Холиок , впервые начав разработку устройства в 1886 году, два года спустя он будет описал свое изобретение измерителя Вентури Уильяму Анвину в письме от 5 июня 1888 года [4].
Компенсация температуры, давления и массы [ править ]
По сути, измерители давления измеряют плотность кинетической энергии . Уравнение Бернулли (использованное выше) связывает это с массовой плотностью и объемным расходом,
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),
Однако измерения за пределами проектной точки должны компенсировать влияние температуры, давления и молярной массы на плотность и концентрацию. Закон идеального газа используется для соотнесения фактических значений с расчетными значениями,
Подстановка этих двух соотношений в приведенные выше уравнения давления-потока дает полностью скомпенсированные потоки,
Q , m или n легко выделить делением и извлечением квадратного корня . Обратите внимание, что компенсация давления, температуры и массы требуется для каждого потока, независимо от конечных единиц или размеров. Также мы видим отношения,
Примеры [ править ]
Эффект Вентури можно наблюдать или использовать в следующих случаях:
Машины [ править ]
- Грузовые эдукторы на танкерах для перевозки нефтепродуктов и химовозов
- Вдохновители смешивают воздух и горючий газ в грилях , газовых плитах , горелках Бунзена и аэрографах.
- Аспираторы воды создают частичный вакуум, используя кинетическую энергию давления воды в кране.
- Паровые сифоны используют кинетическую энергию давления пара для создания частичного вакуума.
- Форсунки дисперсных духов или распылитель краски (т.е. из пистолета - распылителя)
- Карбюраторы используют этот эффект для всасывания бензина во впускной воздушный поток двигателя.
- Головка цилиндров в поршневом двигателе имеет несколько областей Вентури, таких как седло клапана и вход порта.
- Аэраторы для вина наполняют вино воздухом, когда оно наливается в бокал
- Протеиновые скиммеры фильтруют аквариумы с морской водой
- В автоматических очистителях бассейна для сбора осадка и мусора используется напорная вода.
- В кларнете используется обратная конусность для ускорения потока воздуха по трубке, что улучшает тон, реакцию и интонацию [5]
- Мундштучная трубка из тромбона , влияющая на тембр
- В промышленных пылесосах используется сжатый воздух.
- Скрубберы Вентури используются для очистки выбросов дымовых газов.
- Форсунки (также называемые эжекторы) используются для добавления газообразного хлора к очистке воды хлорирования систем
- Паровые инжекторы используют эффект Вентури и скрытую теплоту испарения для подачи питательной воды в котел паровоза .
- Сопла для пескоструйной обработки ускоряют и смешивают воздух и среду
- Трюмная вода может быть слита с движущейся лодки через небольшой сливной люк в корпусе. Давление воздуха внутри движущейся лодки больше, чем давление воды, скользящей снизу.
- Регулятор подводного плавания использует эффект Вентури , чтобы помочь поддерживать поток газа , как только он начинает течь
- В безоткатных ружьях для уменьшения отдачи при стрельбе.
- Диффузор на автомобиль
- Гоночные автомобили, использующие эффект земли для увеличения прижимной силы и, таким образом, повышающие скорость прохождения поворотов
- Дозаторы пены, используемые для введения концентрата пены для пожаротушения в системы противопожарной защиты.
- Воздушные компрессоры Trompe увлекают воздух в падающий столб воды
- Болты в некоторых марках пейнтбольных маркеров
В природе [ править ]
- Хава-Махал из Джайпура также использует эффект Вентури, позволяя проходить прохладному воздуху, что делает всю территорию более приятной во время высоких температур летом.
- Большие города, где ветер дует между зданиями - зазор между башнями-близнецами первоначального Всемирного торгового центра был ярким примером явления, из-за которого площадь на уровне земли, как известно, продувалась ветрами. [6] На самом деле, порывы ветра были настолько высокими, что пешеходам приходилось использовать веревки. [7]
- В ветреных горных перевалах, что приводит к ошибочным показаниям барометрического альтиметра [8]
- Ветер Mistral на юге Франции увеличивается в скорости через долину Роны .
- Низкоскоростные аэродинамические трубы можно рассматривать как очень большие трубы Вентури, потому что они используют эффект Вентури для увеличения скорости и снижения давления для имитации ожидаемых условий полета. [9]
См. Также [ править ]
- Эффект Джоуля – Томсона
Ссылки [ править ]
- ^ Наср, GG; Коннор, NE (2014). «5.3 Измерение расхода газа» . Проблемы газовой инженерии и безопасности: последующий технологический процесс, анализ, использование и безопасность . Springer. п. 183. ISBN. 9783319089485.
- ^ "Эффект Вентури" . Демонстрационный проект Вольфрама . Проверено 3 ноября 2009 .
- ^ Гершель, Клеменс. (1898). Измерение воды. Провиденс, Род-Айленд: Строители чугунолитейного завода.
- ^ «Изобретение измерителя Вентури» . Природа . 136 (3433): 254. 17 августа 1935 г. doi : 10.1038 / 136254a0 .
[Статья] воспроизводит письмо Гершеля покойному доктору Анвину, описывающее его изобретение измерителя Вентури. Письмо датировано 5 июня 1888 года и адресовано из офиса инженера-гидротехника компании Holyoke Water Power Co., Массачусетс. В своем письме Гершель говорит, что испытал однодюймовый измеритель Вентури под высотой 210 футов. теперь удовлетворен тем, что это новый и плодотворный принцип, который можно применить к искусству измерения жидкостей, включая такие жидкости, как сжатый воздух, осветительные или топливные газы, пар и т. д. Кроме того, форма счетчика должна быть трубчатой. в обе стороны; такой измеритель будет измерять объемы, текущие в любом направлении, что в некоторых местах становится полезным атрибутом ... '
- ^ Бласко, Даниэль Кортес. «Вентури или циркуляция воздуха? - вот в чем вопрос» . face2fire (на испанском) . Проверено 14 июля 2019 .
- ↑ Данлэп, Дэвид В. (7 декабря 2006 г.). «В новом торговом центре в поисках оживленных (но безопасных) улиц» . Нью-Йорк Таймс .
- Перейти ↑ Dunlap, David W (25 марта 2004 г.). «Опираясь на возвращение города ветров на Манхэттене» . Нью-Йорк Таймс .
- ↑ От заката до рассвета (учебный фильм). Федеральная авиационная администрация. 1971. 17 минут. AVA20333VNB1.
- ^ Андерсон, Джон (2017). Основы аэродинамики (6-е изд.). Нью-Йорк, Нью-Йорк: Образование Макгроу-Хилл. п. 218. ISBN 978-1-259-12991-9.
Внешние ссылки [ править ]
Викискладе есть медиафайлы, связанные с эффектом Вентури . |
- 3D-анимация принципа измерения расхода при перепаде давления (расходомер Вентури)
- UT Остин. «Моделирование трубки Вентури» . Проверено 3 ноября 2009 .