กลับไปหน้าบทความ

อ่าน 6 นาที

ปรากฏการณ์เวนทูริ

ปรากฏการณ์เวนทูรีคือการลดลงของความดันของของเหลวที่เกิดขึ้นเมื่อของเหลวเคลื่อนที่เร็วขึ้นขณะที่มันถูกลำเลียงจากส่วนหนึ่งของท่อไปยังอีกส่วนหนึ่งที่เล็กกว่า...

ปรากฏการณ์เวนทูริ

ความดันสถิตต้นน้ำ(1) สูงกว่าในส่วนที่แคบ (2) และความเร็วของไหล ที่ "1" ต่ำกว่าที่ "2" เนื่องจากพื้นที่หน้าตัดที่ "1" มากกว่าที่ "2"
ภาพแสดงการไหลของอากาศผ่านเครื่องวัดเวนทูรี โดยแสดงให้เห็นคอลัมน์ที่เชื่อมต่อกันในมาโนมิเตอร์และบรรจุน้ำอยู่บางส่วน เครื่องวัดนี้ "อ่านค่า" เป็นค่าความดันแตกต่างในหน่วยเซนติเมตรหรือนิ้วของน้ำ
วิดีโอแสดงการใช้งานเครื่องวัดเวนทูรีในการทดลองในห้องปฏิบัติการ
การไหลในอุดมคติในท่อเวนทูรี

ปรากฏการณ์เวนทูรีคือการลดลงของความดันของของเหลวที่เกิดขึ้นเมื่อของเหลวเคลื่อนที่เร็วขึ้นขณะที่มันถูกลำเลียงจากส่วนหนึ่งของท่อไปยังอีกส่วนหนึ่งที่เล็กกว่า เมื่อของเหลวไหลเข้าไปในพื้นที่ที่เล็กลงความเร็ว ของของเหลว จะเพิ่มขึ้น ในขณะที่ความดันสถิตลดลง ปรากฏการณ์เวนทูรีเป็นตัวอย่างหนึ่งของหลักการของเบอร์นูลลี

ปรากฏการณ์เวนทูริได้รับการตั้งชื่อตามผู้ค้นพบ คือโจวันนี บาติสตา เวนทูรินักฟิสิกส์ ชาวอิตาลี และได้รับการตีพิมพ์ครั้งแรกในปี ค.ศ. 1797

ปรากฏการณ์นี้มีประโยชน์หลากหลายในด้านวิศวกรรม สถาปัตยกรรม และสิ่งของในชีวิตประจำวัน เช่นหัวฉีดพ่นละอองน้ำและอุปกรณ์เติมอากาศในไวน์การลดลงของความดันภายในส่วนที่แคบลงสามารถนำไปใช้ทั้งในการวัดการไหลของของเหลวและการเคลื่อนย้ายของเหลวอื่นๆ (เช่น ในเครื่องดูดสุญญากาศ )

พื้นหลัง

ในพลศาสตร์ของไหลไร้ความหนืดความเร็วของไหลที่อัดไม่ได้จะต้องเพิ่มขึ้นเมื่อไหลผ่านส่วนที่แคบลงตามหลักการความต่อเนื่องของมวลในขณะที่ความดันสถิตจะต้องลดลงตามหลักการอนุรักษ์พลังงานกล ( หลักการของเบอร์นูลลี ) หรือตามสมการของออยเลอร์ดังนั้น การเพิ่มขึ้นของพลังงานจลน์ที่ไหลอาจได้รับจากการเพิ่มความเร็วเมื่อไหลผ่านส่วนที่แคบลง จะถูกหักล้างด้วยการลดลงของความดันเนื่องจากการสูญเสียพลังงานศักยภาพ

โดยการวัดความแตกต่างของความดันโดยไม่จำเป็นต้องวัดความดันจริง ณ จุดทั้งสอง ก็สามารถกำหนดอัตราการไหลได้ เช่นเดียวกับ อุปกรณ์ วัดการไหล ต่างๆ เช่น เครื่องวัดการไหลแบบเวนทูรี หัวฉีดเวนทูรี และแผ่น รูรับแสง

เมื่อพิจารณาจากแผนภาพด้านข้าง โดยใช้สมการของเบอร์นูลลีในกรณีพิเศษของการไหลแบบคงที่ อัดไม่ได้ และไม่มีความหนืด (เช่น การไหลของน้ำหรือของเหลวอื่นๆ หรือการไหลของก๊าซด้วยความเร็วต่ำ) ตามเส้นกระแส การลดลง ของความดันสถิต ตามทฤษฎี ที่จุดคอคอดจะคำนวณได้ดังนี้

โดยที่ρ คือความหนาแน่นของของเหลว ω คือความเร็วของของเหลว (ที่ช้าลง) ในบริเวณที่ท่อกว้างกว่า และ ω คือความเร็วของของเหลว (ที่เร็วขึ้น) ในบริเวณที่ท่อแคบกว่า (ดังแสดงในรูป) ความดันสถิต ณ แต่ละตำแหน่งจะวัดโดยใช้ท่อขนาดเล็ก ซึ่งอาจวัดจากภายนอกท่อและสิ้นสุดที่ผนัง หรือวัดเข้าไปในท่อโดยให้ปลายท่อขนาดเล็กขนานกับทิศทางการไหล

การไหลที่ถูกปิดกั้น

กรณีจำกัดของปรากฏการณ์เวนทูรีคือเมื่อของเหลวเข้าสู่สภาวะการไหลแบบอุดตันซึ่งความเร็วของของเหลว จะเข้าใกล้ ความเร็วเสียงในบริเวณนั้นเมื่อระบบของเหลวอยู่ในสภาวะการไหลแบบอุดตัน การลดความดันในบริเวณปลายทางลงอีกจะไม่ทำให้ความเร็วเพิ่มขึ้น เว้นแต่ของเหลวจะถูกอัด

อัตราการไหลของมวลสำหรับของไหลที่อัดได้จะเพิ่มขึ้นเมื่อความดันต้นทางเพิ่มขึ้น ซึ่งจะทำให้ความหนาแน่นของของไหลผ่านส่วนที่แคบลงเพิ่มขึ้น (แม้ว่าความเร็วจะคงที่ก็ตาม) นี่คือหลักการทำงานของหัวฉีดเดอลาวาลการเพิ่มอุณหภูมิของแหล่งกำเนิดยังสามารถเพิ่มความเร็วเสียงในบริเวณนั้นได้ จึงทำให้สามารถเพิ่มอัตราการไหลของมวลได้

การขยายส่วน

สมการเบอร์นูลลีสามารถผกผันได้ และความดันควรจะเพิ่มขึ้นเมื่อของเหลวไหลช้าลง อย่างไรก็ตาม หากมีการขยายตัวที่สั้นลงในส่วนท่อ โอกาสที่จะเกิดการไหลปั่นป่วนก็จะมากขึ้น และความคลาดเคลื่อนจากทฤษฎีบทก็จะเพิ่มขึ้น โดยทั่วไปในท่อเวนทูรี ความดันที่ทางเข้าจะถูกเปรียบเทียบกับความดันในส่วนกลาง และส่วนทางออกจะไม่ถูกนำมาเปรียบเทียบกับทั้งสองส่วนนี้

อุปกรณ์ทดลอง

อุปกรณ์สาธิตท่อเวนทูรีที่สร้างจากท่อพีวีซีและทำงานด้วยปั๊มสุญญากาศ
ท่อเวนทูรีคู่หนึ่งบนเครื่องบินขนาดเล็ก ใช้เพื่อสร้างกระแสลมสำหรับอุปกรณ์วัดมุมไจโรสโคปที่ขับเคลื่อนด้วยอากาศ

ท่อเวนทูรี

อุปกรณ์ที่ง่ายที่สุดคือชุดท่อที่เรียกว่าท่อเวนทูรี หรือเรียกง่ายๆ ว่าเวนทูรี (พหูพจน์: "เวนทูรีส์" หรือบางครั้ง "เวนทูรีส์") ของเหลวจะไหลผ่านท่อที่แคบลงก่อน แล้วมักจะไหลเข้าไปในท่อที่กว้างขึ้น เพื่อหลีกเลี่ยงแรงต้านอากาศพลศาสตร์ ที่มากเกินไป ท่อเวนทูรีมักจะมีกรวยทางเข้าที่มุม 30 องศาและกรวยทางออกที่มุม 5 องศา[ 1 ]

ท่อเวนทูรีมักใช้ในกระบวนการที่ไม่สามารถยอมรับการสูญเสียความดันอย่างถาวรได้ และต้องการความแม่นยำสูงสุดในกรณีของของเหลวที่มีความหนืดสูง

แผ่นรู

ท่อเวนทูรีมีราคาแพงกว่าในการสร้างเมื่อเทียบกับแผ่นรูรับแสง แบบธรรมดา และทั้งสองแบบทำงานบนหลักการพื้นฐานเดียวกัน อย่างไรก็ตาม สำหรับความดันแตกต่างที่กำหนด แผ่นรูรับแสงจะทำให้เกิดการสูญเสียพลังงานถาวรมากกว่าอย่างมีนัยสำคัญ[ 2 ]

เครื่องมือและการวัด

ทั้งท่อเวนทูรีและแผ่นรูรับแสงถูกนำไปใช้ในงานอุตสาหกรรมและห้องปฏิบัติการทางวิทยาศาสตร์เพื่อวัดอัตราการไหลของของเหลว

อัตราการไหล

สามารถใช้เวนทูรีในการวัดอัตราการไหลเชิงปริมาตรโดยใช้หลักการของเบอร์นูลลี ได้

เนื่องจาก

นอกจากนี้ ยังสามารถใช้เวนทูรีในการผสมของเหลวกับก๊าซได้ด้วย หากปั๊มดันของเหลวผ่านท่อที่เชื่อมต่อกับระบบที่ประกอบด้วยเวนทูรีเพื่อเพิ่มความเร็วของของเหลว (เส้นผ่านศูนย์กลางลดลง) ท่อสั้นๆ ที่มีรูเล็กๆ อยู่ตรงกลาง และสุดท้ายคือเวนทูรีที่ลดความเร็ว (ทำให้ท่อกว้างขึ้นอีกครั้ง) ก๊าซจะถูกดูดเข้าไปทางรูเล็กๆ เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของความดัน ที่ปลายระบบ จะเกิดส่วนผสมของของเหลวและก๊าซขึ้น ดูหัวข้อเครื่องดูดและหัวแรงดัน เพื่อดูรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับการทำงานของ ไซฟอนประเภท นี้

ความดันแตกต่าง

เมื่อของเหลวไหลผ่านเวนทูรี การขยายตัวและการหดตัวของของเหลวจะทำให้ความดันภายในเวนทูรีเปลี่ยนแปลง หลักการนี้สามารถนำไปใช้ในการวัดทางมาตรวิทยาสำหรับมาตรวัดที่สอบเทียบสำหรับความดันแตกต่าง การวัดความดันประเภทนี้อาจสะดวกกว่า เช่น ในการวัดความดันเชื้อเพลิงหรือความดันการเผาไหม้ในเครื่องยนต์ไอพ่นหรือจรวด

เครื่องวัดเวนทูรีขนาดใหญ่เครื่องแรกที่ใช้วัดการไหลของของเหลวได้รับการพัฒนาโดยเคลเมนส์ เฮอร์เชลซึ่งใช้เครื่องวัดเหล่านี้ในการวัดการไหลของน้ำและน้ำเสียทั้งขนาดเล็กและขนาดใหญ่ตั้งแต่ปลายศตวรรษที่ 19 [ 3 ]ในขณะที่ทำงานให้กับบริษัท Holyoke Water Power Companyเฮอร์เชลได้พัฒนาวิธีการวัดการไหลเหล่านี้เพื่อกำหนดการใช้พลังงานน้ำของโรงงานต่างๆ บนระบบคลอง Holyokeโดยเริ่มพัฒนาอุปกรณ์นี้ครั้งแรกในปี 1886 สองปีต่อมาเขาได้อธิบายการประดิษฐ์เครื่องวัดเวนทูรีของเขาให้กับวิลเลียม อันวินในจดหมายลงวันที่ 5 มิถุนายน 1888 [ 4 ]

การชดเชยสำหรับอุณหภูมิ ความดัน และมวล

โดยพื้นฐานแล้ว เครื่องวัดความดันจะวัดความหนาแน่นของพลังงานจลน์ สมการของเบอร์นูลลี (ที่ใช้ข้างต้น) เชื่อมโยงสิ่งนี้กับความหนาแน่นของมวลและอัตราการไหลเชิงปริมาตร:

โดยที่ค่าคงที่ถูกรวมเข้าในkโดยใช้คำจำกัดความของความหนาแน่น ( ), ความเข้มข้นโมลาร์ ( ) และมวลโมลาร์ ( ) เราสามารถหาอัตราการไหลของมวลหรืออัตราการไหลของโมลาร์ (เช่น อัตราการไหลของปริมาตรมาตรฐาน) ได้เช่นกัน:

อย่างไรก็ตาม การวัดค่าที่อยู่นอกจุดที่ออกแบบไว้จะต้องชดเชยผลกระทบของอุณหภูมิ ความดัน และมวลโมลาร์ที่มีต่อความหนาแน่นและความเข้มข้นกฎของก๊าซในอุดมคติใช้เพื่อเชื่อมโยงค่าจริงกับค่าที่ออกแบบไว้ :

เมื่อแทนความสัมพันธ์ทั้งสองนี้ลงในสมการความดัน-การไหลข้างต้น จะได้การไหลที่ได้รับการชดเชยอย่างสมบูรณ์:

Q , mหรือnสามารถแยกออกมาได้ง่ายๆ โดยการหารและหาค่ารากที่สองโปรดทราบว่าจำเป็นต้องมีการชดเชยความดัน อุณหภูมิ และมวลสำหรับทุกการไหล โดยไม่คำนึงถึงหน่วยปลายทางหรือมิติ นอกจากนี้เรายังเห็นความสัมพันธ์ดังต่อไปนี้:

ตัวอย่าง

ปรากฏการณ์เวนทูริสามารถสังเกตหรือนำไปใช้ได้ในกรณีต่อไปนี้:

เครื่องจักร

สถาปัตยกรรม

  • ฮาวามาฮาลในชัยปุระ ก็ใช้ประโยชน์จากปรากฏการณ์เวนทูรีเช่นกัน โดยปล่อยให้อากาศเย็นไหลผ่าน ทำให้บริเวณโดยรอบน่าอยู่มากขึ้นในช่วงฤดูร้อนที่มีอุณหภูมิสูง
  • เมืองใหญ่ๆ ที่ลมพัดผ่านระหว่างอาคาร - ช่องว่างระหว่างตึกแฝดของศูนย์การค้าโลก เดิม เป็นตัวอย่างที่รุนแรงของปรากฏการณ์นี้ ซึ่งทำให้ลานชั้นล่างมีลมพัดแรงมาก[ 7 ]อันที่จริง ลมกระโชกแรงบางครั้งสูงมากจนต้องใช้เชือกช่วยในการสัญจรของคนเดินเท้า[ 8 ]
  • ทางตอนใต้ของอิรัก ใกล้กับเมืองนาซิริยาห์ ในปัจจุบัน มีการค้นพบโครงสร้างรางน้ำอายุ 4,000 ปี ที่แหล่งโบราณสถานกีร์ซูโครงสร้างนี้สร้างโดยชาวสุเมเรียน โบราณ เพื่อบังคับให้น้ำจากคลองยาว 19 กิโลเมตร ไหลผ่านช่องแคบ ทำให้สามารถผันน้ำไปยังพื้นที่เกษตรกรรมจากแหล่งน้ำที่สูงกว่าได้ การขุดค้นล่าสุดโดยนักโบราณคดีจากพิพิธภัณฑ์บริติชได้ยืนยันการค้นพบนี้แล้ว

ธรรมชาติ

ดูเพิ่มเติม

  • ภาพเคลื่อนไหว 3 มิติ แสดงหลักการวัดอัตราการไหลโดยใช้ความดันแตกต่าง (เครื่องวัดเวนทูรี)
  • มหาวิทยาลัยเท็กซัส ออสติน. "การจำลองท่อเวนทูรี" . สืบค้นเมื่อ2009-11-03 .
  • การใช้หลักการเวนทูรีในการวัดเวลาปิดปั๊มน้ำมัน (วิดีโอ)
ดึงข้อมูลมาจาก " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Venturi_effect&oldid=1351526335 "

สรุปเนื้อหา

ข้อมูลสำคัญจากบทความ

ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ ปรากฏการณ์เวนทูริ

ปรากฏการณ์เวนทูรีคือการลดลงของความดันของของเหลวที่เกิดขึ้นเมื่อของเหลวเคลื่อนที่เร็วขึ้นขณะที่มันถูกลำเลียงจากส่วนหนึ่งของท่อไปยังอีกส่วนหนึ่งที่เล็กกว่า...

พื้นหลัง

ใน พลศาสตร์ของไหล ไร้ความหนืด ความเร็ว ของไหลที่อัดไม่ได้จะต้อง เพิ่มขึ้น เมื่อไหลผ่านส่วนที่แคบลงตาม หลักการความต่อเนื่องของมวล ในขณะที่ ความดันสถิต จะต้อง ลดลง ตามหลักการ อนุรักษ์พลังงานกล ( หลักการของเบอร์นูลลี ) หรือตาม สมการของออยเลอร์ ดังนั้น...

การไหลที่ถูกปิดกั้น

กรณีจำกัดของปรากฏการณ์เวนทูรีคือเมื่อของเหลวเข้าสู่สภาวะ การไหลแบบอุดตัน ซึ่ง ความเร็วของของเหลว จะเข้าใกล้ ความเร็วเสียง ในบริเวณนั้นเมื่อระบบของเหลวอยู่ในสภาวะการไหลแบบอุดตัน การลดความดันในบริเวณปลายทางลงอีกจะไม่ทำให้ความเร็วเพิ่มขึ้น เว้นแต่ของเหลวจะถูกอัด

การขยายส่วน

สมการเบอร์นูลลีสามารถผกผันได้ และความดันควรจะเพิ่มขึ้นเมื่อของเหลวไหลช้าลง อย่างไรก็ตาม หากมีการขยายตัวที่สั้นลงในส่วนท่อ โอกาสที่จะเกิดการไหลปั่นป่วนก็จะมากขึ้น และความคลาดเคลื่อนจากทฤษฎีบทก็จะเพิ่มขึ้น โดยทั่วไปในท่อเวนทูรี...