Venturijev efekat

Uzvodni statički pritisak (1) je veći nego u suženju (2), a brzina fluida u "1" je niža nego u "2", jer je površina poprečnog presjeka u "1" veća nego u "2".

Protok zraka kroz Venturijevu cijev, prikazujući kolone povezane u manometar i djelomično napunjene vodom. Mjerač se "očitava" kao diferencijalni pritisak u cm ili inčima vode.

Video Venturijevog mjerača korištenog u laboratorijskom eksperimentu

Idealizirani tok u Venturijevoj cijevi

Venturijev efekat je smanjenje pritiska fluida koje nastaje kada se fluid u pokretu ubrzava dok se lijevkasto kreće iz jednog dijela cijevi u drugi, manji dio. Kako fluid teče u manju površinu, brzina fluida se povećava, dok se statički pritisak smanjuje. Venturijev efekat je primjer Bernoullijevog principa.

Venturijev efekat je nazvan po svom otkrivaču, italijanskom fizičaru Giovanniju Battisti Venturiju, a prvi put je objavljen 1797. godine.

Efekat ima različite primjene u inženjerstvu, arhitekturi i svakodnevnim predmetima kao što su mlaznice atomizera koje raspršuju parfem ili boju u spreju i aeratori za vino. Smanjenje pritiska unutar suženja može se koristiti i za mjerenje protoka fluida i za pomicanje drugih fluida (npr. u vakuumskom ejektoru).

Pozadina

U neviskoznom dinamici fluida, brzina nestišljivog fluida mora se povećati kako prolazi kroz suženje u skladu s principom kontinuiteta mase, dok se njegov statički pritisak mora smanjiti u skladu s principom očuvanje mehaničke energije (Bernoullijev princip) ili prema Eulerovim jednačinama. Dakle, svaki dobitak u kinetičkoj energiji koji fluid može postići povećanjem brzine kroz suženje uravnotežen je padom pritiska zbog gubitka potencijalne energije. Mjerenjem razlike pritiska bez potrebe za mjerenjem stvarnih pritisaka u dvije tačke, može se odrediti brzina protoka, kao kod različitih uređaja za mjerenje protoka kao što su Venturijevi mjerači, Venturijeve mlaznice i otvorne ploče.

Pozivajući se na susjedni dijagram, koristeći Bernoullijevu jednačinu u posebnom slučaju stacionarnih, nekompresibilnih, neviskoznih tokova (kao što je protok vode ili druge tečnosti ili protok plina male brzine) duž strujnice, teorijski pad statičkog pritiska na suženju dat je sa

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

gdje je $\rho$ gustoća fluida, $v_{1}$ je (sporija) brzina fluida gdje je cijev šira, a $v_{2}$ je (brža) brzina fluida gdje je cijev uža (kao što se vidi na slici). Statički pritisak na svakoj poziciji mjeri se pomoću male cijevi, bilo izvan i koja završava na zidu ili u cijevi, s krajnjom površinom male cijevi paralelnom sa smjerom protoka.

Prigušeni tok

Granični slučaj Venturijevog efekta je kada fluid dostigne stanje prigušenog toka, gdje se brzina fluida približava lokalnoj brzini zvuka fluida. Kada je sistem fluida u stanju prigušenog toka, daljnje smanjenje pritiska nizvodno neće dovesti do povećanja brzine, osim ako fluid nije komprimiran.

Maseni protok za kompresibilni fluid će se povećavati s povećanjem uzvodnog pritiska, što će povećati gustoću fluida kroz suženje (iako će brzina ostati konstantna). Ovo je princip rada [de Lavalove mlaznice. Povećanje temperature izvora također može povećati lokalnu brzinu zvuka, što omogućava povećanje masenog protoka.

Širenje presjeka

Bernoullijeva jednačina je invertibilna i pritisak bi trebao rasti kada se fluid usporava. Ipak, ako postoji skraćivanje i širenje u presjeku cijevi, veća je vjerovatnoća da će se pojaviti turbulencija i odstupanje od teorema će se povećati. Generalno, kod Venturijevih cijevi, pritisak na ulazu se poredi sa pritiskom u srednjem presjeku, a izlazni presjek se ne poredi sa njima.

Eksperimentalni aparat

[[Datoteka:Green Hope High School (Physics Laboratory Venturi Tube) 2006.jpg|thumb|right| Demonstracijski aparat s Venturijevom cijevi napravljen od PVC cijevi i radi s vakuumskom pumpom

Par Venturijevih cijevi na lakom avionu, koje se koriste za obezbjeđivanje protoka zraka za žiroskopske instrumente na zračni pogon

Venturijeve cijevi

Najjednostavniji aparat je cjevasti sistem poznat kao Venturijeva cijev ili jednostavno Venturi (množina: "Venturis" ili povremeno "Venturijevi"). Fluid prvo teče kroz konvergentnu cijev, a zatim često teče u divergentnu cijev. Da bi se izbjegao prekomjerni aerodinamički otpor, Venturijeva cijev obično ima ulazni konus od 30 stepeni i izlazni konus od 5 stepeni.

Venturijeve cijevi se često koriste u procesima gdje trajni gubitak pritiska nije tolerantan i gdje je potrebna maksimalna tačnost u slučaju visoko viskoznih tečnosti.

Blenda

Venturijeve cijevi su skuplje za konstrukciju od jednostavnih blenda, a obje funkcionišu na istom osnovnom principu. Međutim, za bilo koji dati diferencijalni pritisak, blenda uzrokuje znatno veći trajni gubitak energije.

Instrumentacija i mjerenje

I Venturijeve cijevi i otvorne ploče koriste se u industrijskim primjenama i u naučnim laboratorijama za mjerenje protoka tekućina.

Protok

Venturijeva cijev se može koristiti za mjerenje volumetrijskog protoka, $\scriptstyle Q$, koristeći Bernoullijev princip.

Od

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

tada $$:Q=A_{1}{\sqrt {{\frac {2}{\rho }}\cdot {\frac {p_{1}-p_{2}}{\left({\frac {A_{1}}{A_{2}}}\right)^{2}-1}}}}=A_{2}{\sqrt {{\frac {2}{\rho }}\cdot {\frac {p_{1}-p_{2}}{1-\left({\frac {A_{2}}{A_{1}}}\right)^{2}}}}}$$ Venturijeva cijev se također može koristiti za miješanje tečnosti s plinom. Ako pumpa potiskuje tečnost kroz cijev povezanu sa sistemom koji se sastoji od Venturijeve cijevi za povećanje brzine tečnosti (prečnik se smanjuje), kratkog komada cijevi s malom rupom u njoj i na kraju Venturijeve cijevi koja smanjuje brzinu (tako da cijev ponovo postaje šira), plin će biti usisan kroz malu rupu zbog promjena pritiska. Na kraju sistema pojavit će se mješavina tečnosti i plina. Pogledajte aspirator i visina pritiska za raspravu o ovoj vrsti sifona.

Diferencijalni pritisak

Glavni članak: Visina pritiska

Kako fluid teče kroz Venturijevu cijev, širenje i kompresija fluida uzrokuju promjenu pritiska unutar Venturijeve cijevi. Ovaj princip se može koristiti u metrologiji za mjerače kalibrirane za diferencijalne pritiske. Ova vrsta mjerenja pritiska može biti praktičnija, na primjer, za mjerenje pritiska goriva ili sagorijevanja u mlaznim ili raketnim motorima. Prve velike Venturijeve mjerače za mjerenje protoka tekućine razvio je Clemens Herschel koji ih je koristio za mjerenje malih i velikih protoka vode i otpadnih voda počevši od kraja 19. stoljeća. Dok je radio za Holyoke Water Power Company, Herschel će razviti sredstva za mjerenje ovih protoka kako bi odredio potrošnju vodene energije različitih mlinova na Sistem kanala Holyoke, prvi put započevši razvoj uređaja 1886. godine, dvije godine kasnije će opisati svoj izum Venturijevog mjerača Williamu Unwinu u pismu od 5. juna, 1888.

Kompenzacija za temperaturu, pritisak i masu

U osnovi, mjerači na bazi pritiska mjere gustoću kinetička energija. Bernoullijeva jednačina (korištena gore) povezuje ovo sa gustoćom mase i volumetrijskim kinetičke energije, protokom:

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

gdje su konstantni članovi apsorbirani u k. Koristeći definicije gustoće ($m=\rho V$), molarne koncentracije ($n=CV$) i molarne mase ($m=Mn$), može se izvesti i maseni protok ili molarni protok (tj. standardni volumenski protok):

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

Međutim, mjerenja izvan projektne tačke moraju kompenzirati uticaje temperature, pritiska i molarne mase na gustoću i koncentraciju. Zakon idealnog plina koristi se za povezivanje stvarnih vrijednosti sa projektovanim vrijednostima:

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

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

Zamjenom ove dvije relacije u gornje jednačine pritiska i protoka dobijaju se potpuno kompenzovani tokovi::

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

Q, m, or n se lako izoluju dijeljenjem i uzimanjem kvadratnog korijena. Treba napomenuti da je kompenzacija pritiska, temperature i mase potrebna za svaki tok, bez obzira na krajnje jedinice ili dimenzije. Također vidimo relacije:

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

Primjeri

Venturijev efekat se može posmatrati ili koristiti u sljedećem:

Mašine

• Tokom Dopunjavanja u toku, kormilar svakog broda mora stalno skrenuti s drugog broda zbog Venturijevog efekta, inače će se sudariti.
• Teretni edektori na tankerima za naftne proizvode i hemikalije
• Inspiratori miješaju zrak i zapaljivi plin u roštiljima, plinskim šporetima i Bunsenovim plamenicima
• Aspiratori za vodu proizvode djelomični vakuum koristeći kinetičku energiju pritiska vode iz slavine
• Sifoni za paru koriste kinetičku energiju pritiska pare za stvaranje djelomičnog vakuuma
• Atomizeri raspršuju parfem ili boju u spreju (npr. iz pištolja za prskanje ili airbrusha)
• Karburatori mogu koristiti ovaj efekat da uguraju benzin u struju usisnog zraka motora na grlu razlikom između pritiska tamo i na uzvodnom početku konvergentnog zida (koji se dovodi do posude s plovkom). U drugim karburatorima, pritisak ambijentalnog zraka može se dovoditi u posudu plovka, u kom slučaju efekat dolazi od Bernoullijevog principa.
• Glava cilindra u klipnim motorima imaju više Venturijevih područja poput sjedišta ventila i ulaza u otvor, iako to nije dio dizajnerske namjere, već samo nusprodukt i svaki Venturijev efekat nema specifičnu funkciju.
• Aeratori za vino ubacuju zrak u vino dok se sipa u čašu
• Skimeri proteina filteri za slanu vodu akvarija
• Automatizovani čistači bazena koriste protok vode na strani pritiska za sakupljanje sedimenta i krhotina
• Klarinet koristi obrnuti konus za ubrzavanje zraka niz cijev, omogućavajući bolji ton, odziv i intonaciju
• Olovna cijev trombona, koja utiče na timbr
• Industrijski usisivači koriste komprimirani zrak
• Venturijev skruber se koristi za čišćenje emisija dimnih plinova
• Injektori (također se nazivaju ejektori) se koriste za dodavanje hlornog plina u sisteme za tretman vode hlorisanje
• Injektori pare koriste Venturijev efekat i latentnu toplotu isparavanja za dovod vode u kotao parne lokomotive
• Mlaznice za pjeskarenje ubrzavaju smjesu zraka i medija
• Kaljužna voda se može isprazniti iz pokretnog broda kroz mala vrata za otpad u trupu. Pritisak zraka unutar pokretnog broda je veći od pritiska vode koja klizi ispod.
• regulator ronjenja koristi Venturijev efekat kako bi pomogao u održavanju protoka plina kada počne teći
• U bestrzajnim puškama za smanjenje trzaja pri paljbi
• difuzor na automobilu
• Trkaći automobili koji koriste efekat tla za povećanje potisne sile i tako postaju sposobni za veće brzine u krivinama
• Proporcioneri pjene koji se koriste za uvođenje protivpožarne pjene koncentrata u sisteme za zaštitu od požara
• Trompeski kompresori zraka uvlače zrak u padajući stup vode
• Vijci u nekim markama markera za paintball
• Aerotuneli male brzine mogu se smatrati vrlo velikim Venturijevim tunelima jer koriste Venturijev efekat za povećanje brzine i smanjenje pritiska kako bi simulirali očekivane uvjete leta.

Arhitektura

• Hawa Mahal u Jaipurau također koristi Venturijev efekat, omogućavajući prolaz hladnom zraku, čineći tako cijelo područje ugodnijim tokom visokih ljetnih temperatura.
• Veliki gradovi gdje je vjetar prisiljen kretati se između zgrada – razmak između tornjeva blizanaca originalnog Svjetskog trgovinskog centra bio je ekstreman primjer ovog fenomena, zbog čega je trg u prizemlju bio poznat po tome što je bio izložen vjetru. In fact, some gusts were so high that pedestrian travel had to be aided by ropes.
• Na jugu Iraka, u blizini modernog grada Nasiriyah, na drevnom lokalitetu Girsu otkrivena je 4000 godina stara struktura kanalskog žlijeba. Ova konstrukcija drevnih Sumerana prisilila je sadržaj kanala dugog devetnaest kilometara kroz suženje kako bi omogućila bočno usmjeravanje vode na poljoprivredno zemljište s višeg izvora nego što bi to bio slučaj bez kanala. Nedavna iskopavanja arheologa iz Britanskog muzeja potvrdila su ovaj nalaz.

Priroda

• U vjetrovitim planinskim prijevojima, što rezultira pogrešnim očitanjima visinomjera pritiska
• Maestral u južnoj Francuskoj se ubrzava kroz dolinu Rone.

Također pogledajte

• Džul-Tomsonov efekat
• Venturijev kanal
• Paršalov kanal

Vanjski linkovi

• 3D animation of the Differential Pressure Flow Measuring Principle (Venturi meter)
• UT Austin. "Venturi Tube Simulation". Arhivirano s originala, 3. 9. 2013. Pristupljeno 2009-11-03.
• Use of the Venturi effect for gas pumps to know when to turn off (video)