Эффект Вентури

Статическое давление в первой измерительной трубке (1) выше, чем во второй (2), а скорость жидкости в «1» ниже, чем в «2», потому что площадь поперечного сечения в «1» больше, чем в «2». A поток воздуха через измеритель с трубкой Пито Вентури, показывающий колонны, соединенные в манометре и частично заполненные водой. Измеритель «считывается» как напор перепада давления в см или дюймах водяного столба. Воспроизвести носитель Видео с измерителем Вентури, использованным в лабораторных экспериментах Идеализированный поток в трубке Вентури

Эффект Вентури - это уменьшение давления жидкости, которое возникает, когда жидкость протекает через суженный участок (или штуцер) трубы. Эффект Вентури назван в честь его первооткрывателя Джованни Баттиста Вентури.

• 1 Предпосылки
  • 1.1 Запорный поток
  • 1.2 Расширение секции
• 2 Экспериментальное оборудование
  • 2.1 Трубки Вентури
  • 2.2 Диафрагма
• 3 Приборы и измерения
  • 3.1 Расход
  • 3.2 Перепад давления
  • 3.3 Компенсация температуры, давления и массы
• 4 Примеры
  • 4.1 Машины
  • 4.2 В природе
• 5 См. Также
• 6 Ссылки
• 7 Внешние ссылки

В гидродинамике - скорость несжимаемой жидкости. должно увеличиваться при прохождении через сужение в соответствии с принципом непрерывности массы, а его 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 за счет сжатия, 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 диаграмму рядом, используя уравнение Бернулли в частном случае устойчивых несжимаемых и невязких потоков (таких как поток воды или другой жидкости или низкоскоростной поток газа) вдоль линии тока, теоретический перепад давления в сужении определяется как:

$п\; 1\; -\; п\; 2\; знак\; равно\; \rho \; 2\; (v\; 2\; 2\; -\; v\; 1\; 2)\; \{\backslash \; displaystyle\; p\_\; \{1\}\; -p\_\; \{2\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; rho\}\; \{2\}\}\; \backslash \; left\; (v\_\; \{2\}\; ^\; \{2\}\; -v\_\; \{1\}\; ^\; \{2\}\; \backslash \; right)\}$

где $\rho \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; scriptstyle\; \backslash \; rho\; \backslash ,\}$- плотность жидкость, $v\; 1\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; scriptstyle\; v\_\; \{1\}\}$- (более медленная) скорость жидкости там, где труба шире, $v\; 2\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; scriptstyle\; v\_\; \{2\; \}\}$- это (более высокая) скорость жидкости там, где труба уже (как показано на рисунке).

Запорный поток

Предельный случай эффекта Вентури - когда жидкость достигает состояния заторможенного потока, где скорость жидкости приближается к локальная скорость звука. Когда система текучей среды находится в состоянии закупорки потока, дальнейшее снижение давления 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 из-за сужения (хотя скорость останется постоянной). Это принцип действия 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 уменьшение плотности.

Расширение сечения

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.

Демонстрационное устройство с трубкой Вентури, построенное из трубы из ПВХ и работающее с вакуумным насосом Пара трубок Вентури на легком самолете, используемая для обеспечения воздушного потока для гироскопических инструментов с приводом от воздуха

Трубки Вентури

Простейшее устройство представляет собой трубчатую конструкцию, известную как трубка Вентури или просто 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.

Трубки Вентури часто используются в процессах, в которых постоянная потеря давления не возникает. допустимо и где требуется максимальная точность в случае высоковязких жидкостей.

Диафрагма

Конструкция трубок Вентури дороже, чем простые диафрагмы, и обе работают по одному и тому же основному принципу. Однако при любом заданном перепаде давления диафрагмы вызывают значительно более длительные потери энергии.

И Вентури, и диафрагмы используются в промышленных приложениях и в научных лабораториях для измерения расхода скорость жидкостей.

Расход

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

Поскольку

$Q\; =\; v\; 1\; A\; 1\; =\; v\; 2\; A\; 2\; p\; 1\; -\; p\; 2\; =\; \rho \; 2\; (v\; 2\; 2\; -\; v\; 1\; 2)\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; begin\; \{align\}\; Q\; =\; v\_\; \{1\}\; A\_\; \{1\}\; =\; v\_\; \{2\}\; A\_\; \{2\}\; \backslash \backslash \; [3pt]\; p\_\; \{1\}\; -p\_\; \{2\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; rho\}\; \{2\}\}\; \backslash \; left\; (v\_\; \{2\}\; ^\; \{2\}\; -v\_\; \{1\}\; ^\; \{2\}\; \backslash \; right)\; \backslash \; end\; \{align\}\}\}$

, затем

$Q\; =\; A\; 1\; 2\; \rho \; \cdot \; p\; 1\; -\; p\; 2\; (A\; 1\; A\; 2)\; 2\; -\; 1\; знак\; равно\; A\; 2\; 2\; \rho \; \cdot \; п\; 1\; -\; п\; 2\; 1\; -\; (A\; 2\; A\; 1)\; 2\; \{\backslash \; displaystyle\; Q\; =\; A\_\; \{1\}\; \{\backslash \; sqrt\; \{\{\backslash \; frac\; \{2\}\; \{\backslash \; rho\}\}\; \backslash \; cdot\; \{\backslash \; frac\; \{p\_\; \{1\}\; -p\_\; \{2\}\}\; \{\backslash \; left\; (\{\backslash \; frac\; \{A\_\; \{1\}\}\; \{A\_\; \{2\}\}\}\; \backslash \; right)\; ^\; \{2\}\; -1\}\}\}\}\; =\; A\_\; \{\; 2\}\; \{\backslash \; sqrt\; \{\{\backslash \; frac\; \{2\}\; \{\backslash \; rho\}\}\; \backslash \; cdot\; \{\backslash \; frac\; \{p\_\; \{1\}\; -p\_\; \{2\}\}\; \{1-\; \backslash \; left\; (\{\backslash \; frac\; \{A\_\; \{2\}\}\; \{A\_\; \{1\}\}\}\; \backslash \; right)\; ^\; \{2\}\}\}\}\}\}$

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 отрезка трубки с небольшим отверстием в ней и, наконец, трубки Вентури, которая снижает скорость (так что труба снова становится шире), газ будет всасываться через небольшое отверстие из-за изменений давления. В конце системы появится смесь жидкости и газа. См. аспиратор и напор для обсуждения этого типа сифона.

перепада давления

Когда жидкость течет через трубку 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. Работая в компании Holyoke Water Power Company, Гершель разработал средства для измерения этих потоков, чтобы определить потребление воды различными мельницами на системе каналов Holyoke, первым начав разработку устройство в 1886 году, два года спустя он расскажет о своем изобретении измерителя Вентури Уильяму Анвину в письме от 5 июня 1888 года.

Компенсация температуры, давления и массы

По сути, измерители давления измеряют кинетическую энергию плотность. Уравнение Бернулли (использованное выше) связывает это с массовой плотностью и объемным расходом,

$\Delta \; P\; =\; 1\; 2\; \rho \; (v\; 2\; 2\; -\; v\; 1\; 2)\; =\; 1\; 2\; \rho \; (\; (A\; 1\; A\; 2)\; 2\; -\; 1)\; v\; 1\; 2\; =\; 1\; 2\; \rho \; (1\; A\; 2\; 2\; -\; 1\; A\; 1\; 2)\; Q\; 2\; =\; k\; \rho \; Q\; 2\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; Delta\; P\; =\; \{\backslash \; frac\; \{1\}\; \{2\; \}\}\; \backslash \; rho\; (v\_\; \{2\}\; ^\; \{2\}\; -v\_\; \{1\}\; ^\; \{2\})\; =\; \{\backslash \; frac\; \{1\}\; \{2\}\}\; \backslash \; rho\; \backslash \; left\; (\backslash \; left\; (\{\backslash \; frac\; \{A\_\; \{1\})\; \}\; \{A\_\; \{2\}\}\}\; \backslash \; right)\; ^\; \{2\}\; -1\; \backslash \; right)\; v\_\; \{1\}\; ^\; \{2\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{1\}\; \{2\}\}\; \backslash \; rho\; \backslash \; left\; (\{\backslash \; frac\; \{1\}\; \{A\_\; \{2\}\; ^\; \{2\}\}\}\; -\; \{\backslash \; frac\; \{1\}\; \{A\_\; \{1\}\; ^\; \{2\}\}\}\; \backslash \; right)\; Q\; ^\; \{2\}\; =\; k\; \backslash ,\; \backslash \; rho\; \backslash ,\; Q\; ^\; \{2\}\; \}$

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

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

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,

$C\; =\; PRT\; =\; (PP\; \ominus )\; (TT\; \ominus )\; C\; \ominus \; \{\backslash \; displaystyle\; C\; =\; \{\backslash \; frac\; \{P\}\; \{RT\; \}\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; left\; (\{\backslash \; frac\; \{P\}\; \{P\; ^\; \{\backslash \; ominus\}\}\}\; \backslash \; right)\}\; \{\backslash \; left\; (\{\backslash \; frac\; \{T\}\; \{T\; ^\; \{\backslash \; ominus\}\}\}\; \backslash \; right)\}\}\; C\; ^\; \{\backslash \; ominus\}\}$

$\rho \; =\; MPRT\; =\; (MM\; \ominus \; PP\; \ominus )\; (TT\; \ominus )\; \rho \; \ominus .\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; rho\; =\; \{\backslash \; frac\; \{MP\}\; \{RT\}\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; left\; (\{\backslash \; frac\; \{M\}\; \{M\; ^\; \{\backslash \; ominus\}\}\}\}\; \{\backslash \; frac\; \{P\}\; \{P\; ^\; \{\backslash \; ominus\}\}\}\; \backslash \; right)\}\; \{\backslash \; left\; (\{\backslash \; frac\; \{T\}\; \{T\; ^\; \{\backslash \; ominus\}\}\}\; \backslash \; right)\}\}\; \backslash \; rho\; ^\; \{\backslash \; ominus\}.\}$

Подставляя эти два отношения в Приведенные выше уравнения давление-расход дают полностью скомпенсированные потоки,

$Δ P = k (MM ⊖ PP ⊖) (TT ⊖) ρ ⊖ Q 2 = Δ P max (MM ⊖ PP ⊖) (TT ⊖) (QQ max) 2 = k (TT ⊖) (MM ⊖ PP ⊖) ρ ⊖ m ˙ 2 = Δ P max (TT ⊖) (MM ⊖ PP ⊖) (m ˙ m max) 2 = k M (TT ⊖) (PP ⊖) C ⊖ n ˙ 2 = Δ P max (MM ⊖ TT ⊖) (PP ⊖) (n ˙ n ˙ max) 2. {\ displaystyle {\ begin {align} \ Delta P = k {\ frac {\ left ({\ frac {M} {M ^ {\ ominus}}}} {\ frac {P} {P ^ {\ ominus}} } \ right)} {\ left ({\ frac {T} {T ^ {\ ominus}}} \ right)}} \ rho ^ {\ ominus} \, Q ^ {2} = \ Delta P_ {max } {\ frac {\ left ({\ frac {M} {M ^ {\ ominus}}} {\ frac {P} {P ^ {\ ominus}}} \ right)} {\ left ({\ frac { T} {T ^ {\ ominus}}} \ right)}} \ left ({\ frac {Q} {Q_ {max}}} \ right) ^ {2} \\ = k {\ frac {\ left ({\ frac {T} {T ^ {\ ominus}}} \ right)} {\ left ({\ frac {M} {M ^ {\ ominus}}} {\ frac {P} {P ^ {\ ominus}}} \ right) \ rho ^ {\ ominus}}} {\ dot {m}} ^ {2} = \ Delta P_ {max} {\ frac {\ left ({\ frac {T} {T ^ {\ ominus}}} \ right)} {\ left ({\ frac {M} {M ^ {\ ominus}}} {\ frac {P} {P ^ {\ ominus}}} \ right)}} \ left ({\ frac {\ dot {m}} {{\ dot {m}} _ {max}}} \ right) ^ {2} \\ = k {\ frac {M \ left ({\ frac {T} {T ^ {\ ominus}}} \ right)} {\ left ({\ frac {P} {P ^ {\ ominus}}} \ right) C ^ {\ ominus}}} {\ dot { n}} ^ {2} = \ Delta P_ {max} {\ frac {\ left ({\ frac {M} {M ^ {\ ominus}}} {\ frac {T} {T ^ {\ ominus}) }} \ right)} {\ left ({\ frac {P} {P ^ {\ ominus}}} \ right)}} \ left ({\ frac {\ dot {n}} {{\ dot {n}) } _ {max}}} \ right) ^ {2}. \ end {align}}}$

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 соотношения,

$k\; \Delta \; P\; m\; a\; x\; =\; 1\; \rho \; \ominus \; Q\; m\; a\; x\; 2\; =\; \rho \; \ominus \; m\; \dot{}\; m\; a\; x\; 2\; =\; C\; \ominus \; 2\; \rho \; \ominus \; n\; \dot{}\; m\; a\; x\; 2\; =\; C\; \ominus \; M\; \ominus \; n\; \dot{}\; m\; a\; x\; 2.\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; begin\; \{align\}\; \{\backslash \; frac\; \{k\}\; \{\backslash \; Delta\; P\_\; \{max\}\}\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{1\}\; \{\backslash \; rho\; ^\; \{\backslash \; ominus\}\; Q\_\; \{max\}\; ^\; \{2\}\}\}\; \backslash \backslash \; =\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; rho\; ^\; \{\backslash \; ominus\}\}\; \{\{\backslash \; dot\; \{m\}\}\; \_\; \{max\}\; ^\; \{2\}\}\}\; \backslash \backslash \; =\; \{\backslash \; frac\; \{\{C\; ^\; \{\backslash \; ominus\}\}\; ^\; \{2\}\}\; \{\backslash \; rho\; ^\; \{\backslash \; ominus\}\; \{\backslash \; dot\; \{n\}\}\; \_\; \{max\}\; ^\; \{2\}\}\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{C\; ^\; \{\backslash \; ominus\}\}\; \{M\; ^\; \{\backslash \; ominus\}\; \{\; \backslash \; dot\; \{n\}\}\; \_\; \{max\}\; ^\; \{2\}\}\}.\; \backslash \; end\; \{align\}\}\}$

Эффект Вентури можно наблюдать или использовать в следующих случаях:

Машины

• Грузовые эдукторы на танкерах для нефтепродуктов и химовозов
• Вдохновители смешивают воздух и горючий газ в грилях, газовых плитах, горелки Бунзена и аэрографы
• аспираторы воды создают частичный вакуум, используя кинетическую энергию давления воды в кране
• паровые сифоны используют кинетическую энергию пара давление для создания частичного вакуума
• Распылители распыляют духи или аэрозольную краску (например, из пистолета-распылителя)
• Карбюраторы используют эффект для всасывания бензина во впускной воздушный поток двигателя
• Головка цилиндра в поршневом двигателе У него есть несколько областей Вентури, таких как седло клапана и вход в порт.
• Аэраторы для вина наполняют вино воздухом, когда оно переливается в стакан.
• Пеноотделители фильтруют соленую воду аквариум
• Автоматические очистители бассейнов используют напорную воду для сбора осадка и мусора.
• Кларнет используют обратную конусность для ускорения потока воздуха по трубке, улучшая тембр, реакцию и интонацию
• свинцовая труба тромбона, влияющая на тембр
• Промышленные пылесосы используют сжатый воздух
• Скрубберы Вентури используются для очистки дымовые газы выбросы
• Инжекторы (также называемые эжекторами) используются для добавления газообразного хлора в системы водоподготовки хлорирования
• паровые инжекторы использовать эффект Вентури и скрытую теплоту испарения для подачи питательной воды в паровоз котел.
• Пескоструйные сопла ускоряют и смешивают воздух и среду.
• Трюмные воду можно слить из движущегося лодку через небольшой сбросной люк в корпусе. Давление воздуха внутри движущейся лодки больше, чем давление воды, скользящей снизу.
• A регулятор подводного плавания использует эффект Вентури, чтобы поддерживать поток газа, когда он начинает течь
• В безоткатные ружья для уменьшения отдачи при стрельбе
• диффузор на автомобиле
• Гоночные автомобили, использующие эффект земли для увеличения прижимной силы и, таким образом, становятся способными к более высоким скоростям прохождения поворотов.
• Дозаторы пены, используемые для подачи противопожарного пенопласта концентрата в системы противопожарной защиты
• Воздушные компрессоры Trompe захватывают падающий столб воды
• Болты в некоторых марках пейнтбольных маркеров.

В природе

• Хава-Махал из Джайпура также использует эффект Вентури, пропуская прохладный воздух, таким образом, делая всю местность более приятной во время высоких температур летом.
• Большие города, где ветер дует между зданиями - промежуток между башнями-близнецами оригинала Всемирный торговый центр был ярким примером явления, из-за которого площадь на уровне земли, как известно, продувалась ветрами. Фактически, некоторые порывы ветра были настолько сильными, что пешеходам приходилось использовать веревки.
• В ветреных горных перевалах, что приводило к ошибочным показаниям альтиметра давления
• Мистральный ветер на юге Франции усиливается через долину Роны.
• Низкоскоростные аэродинамические трубы могут считаться очень большими Вентури, потому что они используют эффект Вентури для увеличения скорости и уменьшите давление для моделирования ожидаемых условий полета.

• Эффект Джоуля – Томсона

На Викискладе есть материалы, относящиеся к эффекту Вентури.

• 3D-анимация принципа измерения расхода при перепаде давления (измеритель Вентури)
• UT Austin. «Моделирование трубки Вентури». Проверено 3 ноября 2009 г.