Termin „efekt Venturiego” niekoniecznie jest dobrze znany. Jednak pojawia się on w naszym codziennym życiu dość często. Wiele z naszych urządzeń, takich jak odkurzacz, wentylatory czy dyfuzor samochodowy, opiera się właśnie na tym zjawisku. Najpierw przyjrzyjmy się podstawom matematycznym, a następnie zobaczymy, jak możemy je wykorzystać!
Podstawy dynamiki płynów Jak działa efekt Venturiego?
Gdy płyn (gaz lub ciecz) w reżimie poddźwiękowym jest przetłaczany przez rurę o mniejszym przekroju, ciśnienie statyczne maleje. Zależność między prędkością a ciśnieniem opisuje idealna, nieściśliwa postać równania Bernoulliego:
gdzie p jest ciśnieniem, 
Powyższe równanie pokazuje, że w przypadku spadku ciśnienia, prędkość wzrasta i odwrotnie. Takie zachowanie obserwuje się w przypadku przepływów lepkich i słabo ściśliwych. Jednak zmiana gęstości i obecność tarcia wpływa na to zjawisko. Jeśli znamy zasadę ciągłości masy (prędkość powinna rosnąć) i zachowania energii mechanicznej (ciśnienie powinno maleć), to zjawisko jest proste.
Ale dlaczego badamy tylko przepływ poddźwiękowy? Pytanie to prowadzi nas do rozważań nad barierą prędkości dźwięku, gdzie obecność fali uderzeniowej uniemożliwia dalszy wzrost objętościowego natężenia przepływu poprzez wzrost ciśnienia na wyjściu. Montując dyszę rozbieżną na końcu układu, możemy stworzyć dyszę de Lavala, która jest naddźwiękową „wersją” efektu Venturiego.
Ściągnij naszą białą księgę 'Tips for Architecture, Engineering & Construction (AEC)', aby dowiedzieć się, jak zoptymalizować swoje projekty!
Codzienne przypadki efektu Venturiego i jak z nich skorzystać
Wąż ogrodowy
Jednym z przykładów, którego prawie każdy doświadczył jest umieszczenie kciuka na końcu węża ogrodowego. Prędkość wody wzrasta, gdy umieścimy kciuk nad wodą, co powoduje zmniejszenie przekroju węża. Ciśnienie wzrasta na mniejszej powierzchni, a wąski strumień wytwarza podciśnienie w wodzie. Wzrost energii kinetycznej cieczy skutkuje spadkiem ciśnienia.
Wiatr w obszarach miejskich
Innym efektem, ale mniej komfortowym, jest sytuacja, gdy wiatr wchodzi w wąską sekcję w zabudowanym środowisku. Strumień powietrza w tej przestrzeni doświadcza spadku ciśnienia, a z drugiej strony, jak już wiemy, jego prędkość wzrasta. Wyjaśnia to obszary w miastach, które są znacznie bardziej wietrzne dla mieszkańców niż inne. Eksperyment z wiatrem przeprowadzony na obszarze miejskim często ujawnia efekt Venturiego, jak również wiele innych przydatnych odkryć. Więcej informacji na temat eksperymentów wiatrowych można znaleźć tutaj.
Wtryskiwacze paliwa i pompy odrzutowe
Mimo że pompy odrzutowe lub wtryskiwacze paliwa są oparte na tak zwanym mechanizmie eżektorowym, również korzystają z efektu Venturiego. Gdy ciecz o większej prędkości wchodzi w mniejszy przekrój poprzeczny, wytwarza podciśnienie i nadaje pęd drugiej cieczy.
Miernik Venturiego lub zwężka Venturiego
Przez pomiar zmiany ciśnienia można określić natężenie przepływu za pomocą zwężki Venturiego. Urządzenie to jest wykorzystywane w wielu zastosowaniach przemysłowych, ponieważ jest to najprostsza i najdokładniejsza forma pomiaru objętościowego natężenia przepływu. Manometry lub przetworniki są instalowane na dwóch różnych odcinkach („swobodny przepływ” i mały”) w celu pomiaru różnicy ciśnień, jak pokazano na powyższym rysunku. Ponieważ znamy geometrię zwężki (A1, A2) oraz sam płyn (lepkość i gęstość), natężenie przepływu można łatwo obliczyć za pomocą:
gdzie Q to objętościowe natężenie przepływu, A to przekrój poprzeczny, a pozostałe symbole zostały już wcześniej omówione. Ponieważ geometria nie ulega zmianie, możemy wyciągnąć następujące wnioski:
- im większa różnica ciśnień (niższe p2), tym większe natężenie przepływu
- przepływ można zwiększyć poprzez zmniejszenie gęstości płynu
Płytka kryzy
Podobnym zastosowaniem do zwężki Venturiego jest płytka kryzy, która wykorzystuje tę samą zależność pomiędzy ciśnieniem a prędkością do pomiaru natężenia przepływu.
Różnica polega na tym, że urządzenie składa się z cienkiej płytki z otworem, który zwiększa ciśnienie w górę strumienia i przyspiesza przepływ w otworze i w dół strumienia. Aby obliczyć masowe natężenie przepływu, kryza musi być skalibrowana tak, aby współczynnik wypływu był dostępny. Więcej informacji na temat kalibracji, współczynnika rozszerzalności i przepisów ISO można znaleźć w tym artykule w Wikipedii.
Zapoznaj się z korzyściami płynącymi z CFD przy projektowaniu turbin wiatrowych i łopat wirnika w tym whitepaper. Kliknij poniższy przycisk, aby pobrać.
Poznaj korzyści płynące z zastosowania CFD w projektowaniu turbin wiatrowych i łopat wirnika.