Der Begriff „Venturi-Effekt“ ist nicht unbedingt bekannt. Dennoch taucht er in unserem Alltag recht häufig auf. Einige unserer Geräte, wie der Staubsauger, Ventilatoren oder der Auslass am Auto, basieren auf genau diesem Phänomen. Werfen wir zunächst einen Blick auf den mathematischen Hintergrund, dann sehen wir, wie wir ihn nutzen können!
Grundlagen der Strömungslehre Wie funktioniert der Venturi-Effekt?
Wenn ein Fluid (Gas oder Flüssigkeit) im Unterschallbereich durch ein Rohr mit kleinerem Querschnitt gedrückt wird, sinkt der statische Druck. Die ideale, nicht viskose, inkompressible Form der Bernoulli-Gleichung beschreibt die Beziehung zwischen Geschwindigkeit und Druck:
wobei p der Druck ist, 
Die obige Gleichung zeigt, dass bei einem Druckabfall die Geschwindigkeit zunimmt und umgekehrt. Dieses Verhalten wird bei viskosen und schwach kompressiblen Strömungen beobachtet. Die Änderung der Dichte und das Vorhandensein von Reibung beeinflussen jedoch die Phänomene. Wenn wir mit dem Prinzip der Massenkontinuität (die Geschwindigkeit sollte zunehmen) und der Erhaltung der mechanischen Energie (der Druck sollte abnehmen) vertraut sind, ist das Phänomen einfach zu verstehen.
Aber warum untersuchen wir nur Unterschallströmungen? Die Frage führt uns zur Betrachtung der Schallgeschwindigkeitsgrenze, bei der das Vorhandensein der Stoßwelle eine weitere Erhöhung des Volumenstroms über den Anstieg des Vordrucks verhindert. Indem wir eine divergente Düse stromabwärts im System anbringen, können wir die de Laval-Düse erzeugen, die die Überschall-„Version“ des Venturi-Effekts ist.
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Alltägliche Fälle des Venturi-Effekts und wie Sie davon profitieren können
Gartenschlauch
Ein Beispiel, das fast jeder schon einmal erlebt hat, ist, wenn man den Daumen an das Ende eines Gartenschlauchs hält. Die Geschwindigkeit des Wassers erhöht sich, wenn man den Daumen über das Wasser hält, wodurch sich der Querschnitt des Schlauchs verringert. Der Druck nimmt über die kleinere Oberfläche zu, während die verengte Strömung dann ein Vakuum im Wasser erzeugt. Die Erhöhung der kinetischen Energie der Flüssigkeit führt zu einer Druckabnahme.
Wind in städtischen Gebieten
Ein weiterer Effekt, der jedoch weniger komfortabel ist, ist, wenn der Wind in einen engen Abschnitt in einer bebauten Umgebung eintritt. Der Luftstrom erfährt in diesem Raum einen Druckabfall und auf der anderen Seite, wie wir bereits wissen, steigt seine Geschwindigkeit an. Dies erklärt Regionen in Städten, die für die Bewohner deutlich windiger sind als andere. Ein Windexperiment, das in einem städtischen Gebiet durchgeführt wird, offenbart oft den Venturi-Effekt sowie viele andere nützliche Offenbarungen. Weitere Informationen zu Windexperimenten finden Sie hier.
Kraftstoffinjektoren und Strahlpumpen
Obwohl Strahlpumpen oder Kraftstoffinjektoren auf dem sogenannten Ejektor-Mechanismus basieren, profitieren auch sie vom Venturi-Effekt. Wenn die Flüssigkeit mit der höheren Geschwindigkeit in den kleineren Querschnitt eintritt, erzeugt sie ein Vakuum und gibt der anderen Flüssigkeit einen Impuls.
Venturimessgerät oder Venturirohr
Durch Messung der Druckänderung kann mit Hilfe eines Venturirohrs die Durchflussmenge bestimmt werden. Das Gerät wird in verschiedenen industriellen Anwendungen eingesetzt, da es die einfachste und genaueste Form der Volumenstrommessung ist. An den beiden unterschiedlichen Abschnitten („freier Durchfluss“ und „kleiner Durchfluss“) werden Manometer oder Messumformer installiert, um die Druckdifferenz zu messen, wie im Bild oben dargestellt. Da wir die Geometrie des Venturi-Messgeräts (A1, A2) und die Flüssigkeit selbst (Viskosität und Dichte) kennen, kann die Durchflussmenge leicht berechnet werden über:
wobei Q die volumetrische Durchflussmenge ist, A der Querschnitt, und die anderen Symbole wurden bereits vorher diskutiert. Da sich die Geometrie nicht ändert, können wir folgendes schlussfolgern:
- Je höher die Druckdifferenz (je niedriger p2), desto höher die Durchflussmenge
- Die Durchflussmenge kann durch Verringerung der Flüssigkeitsdichte erhöht werden
Blende
Eine ähnliche Anwendung wie das Venturi-Rohr ist die Blende, die die gleiche Beziehung zwischen Druck und Geschwindigkeit zur Durchflussmessung nutzt.
Der Unterschied besteht darin, dass das Gerät aus einer dünnen Platte mit einem Loch darin besteht, wodurch der Druck stromaufwärts erhöht und die Strömung im Loch und stromabwärts beschleunigt wird. Um den Massendurchfluss zu berechnen, muss die Messblende kalibriert werden, damit der Abflusskoeffizient zur Verfügung steht. Weitere Informationen zur Kalibrierung, zum Ausdehnungsfaktor und zu den ISO-Vorschriften finden Sie in diesem Wikipedia-Artikel.
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