Эффект Вентури

Статическое давление в первой измерительной трубы (1) выше , чем на второй (2), а жидкость , скорость на «1» меньше , чем на «2», так как площадь поперечного сечения на «1» больше на «2».

Поток воздуха через измеритель Вентури с трубкой Пито, показывающий колонны, соединенные в манометре и частично заполненные водой. Счетчик «читается» как перепад давления в сантиметрах или дюймах водяного столба.

Воспроизвести медиа

Видео с измерителем Вентури, используемым в лабораторном эксперименте

Идеальный поток в трубке Вентури

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:

{\ displaystyle p_ {1} -p_ {2} = {\ frac {\ rho} {2}} \ left (v_ {2} ^ {2} -v_ {1} ^ {2} \ right)}

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

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 сжата.

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 ]

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

Пара трубок Вентури на легком самолете, используемая для обеспечения воздушного потока для гироскопических инструментов с приводом от воздуха.

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 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 . $\scriptstyle Q$

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}}

потом

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, 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,

\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), $m=\rho V$ $n=CV$ $m=Mn$

{\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 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,

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-потока дает полностью скомпенсированные 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 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,

{\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 [ 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 морские аквариумы
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 движущегося судна 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 .

[1] 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.

[wolfram-2] "Эффект Вентури" . Демонстрационный проект Вольфрама . Проверено 3 ноября 2009 .

[3] Гершель, Клеменс. (1898). Измерение воды. Провиденс, Род-Айленд: Строители чугунолитейного завода.

[4] «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 ... '

[5] Бласко, Даниэль Кортес. «Вентури или циркуляция воздуха? - вот в чем вопрос» . face2fire (на испанском) . Проверено 14 июля 2019 .

[6] Данлэп, Дэвид В. (7 декабря 2006 г.). «В новом торговом центре в поисках оживленных (но безопасных) улиц» . Нью-Йорк Таймс .

[7] Перейти ↑ Dunlap, David W (25 марта 2004 г.). «Опираясь на возвращение города ветров на Манхэттене» . Нью-Йорк Таймс .

[8] От заката до рассвета (учебный фильм). Федеральная авиационная администрация. 1971. 17 минут. AVA20333VNB1.

[9] Андерсон, Джон (2017). Основы аэродинамики (6-е изд.). Нью-Йорк, Нью-Йорк: Образование Макгроу-Хилл. п. 218. ISBN 978-1-259-12991-9.