Przepływ objętościowy: obliczanie i co na to wpływa
Przepływ objętościowy pozwala określić objętość płynu, który przechodzi przez odcinek przewodu i oferuje miarę prędkości, z jaką płyn przemieszcza się przez niego. Dlatego jego pomiar jest szczególnie interesujący w dziedzinach tak różnych jak przemysł, medycyna, budownictwo i badania, między innymi.
Jednak pomiar prędkości płynu (czy to cieczy, gazu czy mieszaniny obu) nie jest tak prosty, jak pomiar prędkości ruchu ciała stałego. Dlatego zdarza się, że aby poznać prędkość płynu, trzeba znać jego przepływ.
Ten i wiele innych problemów związanych z płynami rozwiązuje gałąź fizyki znana jako mechanika płynów. Przepływ definiuje się jako ilość płynu przepływającego przez odcinek przewodu, niezależnie od tego, czy jest to rurociąg, rurociąg naftowy, rzeka, kanał, przewód krwi itp., Z uwzględnieniem jednostki tymczasowej.
Zwykle objętość, która przecina określony obszar, jest obliczana w jednostce czasu, zwanej również przepływem objętościowym. Przepływ masy lub masy, który przecina określony obszar w określonym czasie, jest również zdefiniowany, chociaż jest używany rzadziej niż przepływ objętościowy.
Obliczanie
Przepływ objętościowy jest reprezentowany przez literę Q. W przypadkach, w których przepływ przemieszcza się prostopadle do odcinka przewodnika, określa się go za pomocą następującego wzoru:
Q = A = V / t
We wspomnianym wzorze A jest to sekcja przewodnika (jest to średnia prędkość płynu), V to objętość, a t czas. Ponieważ w systemie międzynarodowym obszar lub odcinek przewodu mierzy się w m2, a prędkość wm / s, przepływ mierzy się m3 / s.
W przypadkach, w których prędkość przemieszczenia płynu tworzy kąt θ z kierunkiem prostopadłym do odcinka powierzchni A, wyrażenie określające przepływ jest następujące:
Q = A cos θ
Jest to zgodne z poprzednim równaniem, ponieważ kiedy przepływ jest prostopadły do obszaru A, θ = 0, aw konsekwencji cos θ = 1.
Powyższe równania są prawdziwe tylko wtedy, gdy prędkość płynu jest jednolita, a obszar sekcji jest płaski. W przeciwnym razie przepływ objętościowy jest obliczany na podstawie następującej całki:
Q = ∫∫ s vd S
W tej całce dS jest wektorem powierzchniowym, określonym przez następujące wyrażenie:
dS = n dS
Tam n jest wektorem jednostkowym normalnym do powierzchni przewodu, a dS różnicowym elementem powierzchni.
Równanie ciągłości
Cechą charakterystyczną płynów nieściśliwych jest to, że masa płynu jest zachowana za pomocą dwóch sekcji. Dlatego równanie ciągłości jest spełnione, co ustanawia następującą zależność:
ρ 1 A 1 V 1 = ρ 2 A 2 V 2
W tym równaniu ρ jest gęstością płynu.
W przypadkach reżimów w przepływie stałym, w których gęstość jest stała, a zatem spełnione jest to, że ρ 1 = ρ 2, zostaje ono zredukowane do następującego wyrażenia:
A 1 V 1 = A 2 V 2
Jest to równoznaczne z potwierdzeniem, że przepływ jest zachowany i dlatego:
Q 1 = Q 2 .
Z obserwacji powyższego wywnioskowano, że płyny są przyspieszane, gdy osiągają węższy odcinek przewodu, podczas gdy zmniejszają swoją prędkość, gdy docierają do szerszego odcinka przewodu. Fakt ten ma interesujące zastosowania praktyczne, ponieważ pozwala grać z prędkością przemieszczania się płynu.
Zasada Bernoulliego
Zasada Bernoulliego określa, że dla idealnego płynu (to znaczy płynu, który nie ma ani lepkości, ani tarcia), który porusza się w reżimie cyrkulacji przez zamknięty przewód, spełnione jest to, że jego energia pozostaje stała wzdłuż całego przemieszczenia.
Ostatecznie zasada Bernoulliego jest niczym innym jak sformułowaniem Prawa zachowania energii dla przepływu płynu. Zatem równanie Bernoulliego można sformułować w następujący sposób:
h + v2 / 2g + P / ρg = stała
W tym równaniu h oznacza wysokość, a g oznacza przyspieszenie grawitacji.
W równaniu Bernoulliego energia płynu jest brana pod uwagę w dowolnym momencie, energia składa się z trzech składników.
- Składnik o charakterze kinetycznym, który obejmuje energię z powodu prędkości, z jaką porusza się płyn.
- Składnik generowany przez potencjał grawitacyjny, jako konsekwencja wysokości, na której znajduje się płyn.
- Składowa energii przepływu, która jest energią, którą płyn zawdzięcza ciśnieniu.
W tym przypadku równanie Bernoulliego wyraża się następująco:
h ρ g + (v2 ρ) / 2 + P = stała
Logicznie rzecz biorąc, w przypadku prawdziwego płynu wyrażenie równania Bernoulliego nie jest spełnione, ponieważ straty wskutek tarcia występują w przemieszczeniu płynu i konieczne jest zastosowanie bardziej złożonego równania.
Co wpływa na przepływ objętościowy?
Przepływ objętościowy zostanie zmieniony, jeśli w kanale wystąpi przeszkoda.
Ponadto, przepływ objętościowy może się również zmieniać w wyniku zmian temperatury i ciśnienia w rzeczywistym płynie przemieszczającym się przez kanał, zwłaszcza jeśli jest to gaz, ponieważ objętość zajmowana przez gaz zmienia się w zależności od temperatura i ciśnienie.
Prosta metoda pomiaru przepływu objętościowego
Naprawdę prostą metodą pomiaru przepływu objętościowego jest umożliwienie przepływu płynu do zbiornika pomiarowego na pewien okres czasu.
Ta metoda zwykle nie jest zbyt praktyczna, ale prawda jest taka, że jest niezwykle prosta i bardzo ilustracyjna, aby zrozumieć znaczenie i znaczenie znajomości przepływu płynu.
W ten sposób płyn może wpływać do zbiornika pomiarowego przez pewien czas, mierzona objętość jest mierzona, a uzyskany wynik jest dzielony przez czas, który upłynął.
