Fluxul volumetric: calculul și ceea ce afectează
Fluxul volumetric permite determinarea volumului de fluid care traversează o secțiune a conductei și oferă o măsură a vitezei cu care fluidul se deplasează prin ea. Prin urmare, măsurarea sa este deosebit de interesantă în domenii precum industria, medicina, construcția și cercetarea, printre altele.
Cu toate acestea, măsurarea vitezei unui fluid (fie un lichid, un gaz sau un amestec de ambele) nu este la fel de simplă ca măsurarea vitezei de mișcare a unui corp solid. Prin urmare, se întâmplă ca, pentru a cunoaște viteza unui fluid, este necesar să cunoaștem fluxul acestuia.
Aceasta și multe alte aspecte legate de fluide sunt tratate de ramura fizicii, cunoscută sub numele de mecanica fluidelor. Debitul este definit prin cantitatea de lichid care trece printr-o secțiune a conductei, indiferent dacă este vorba despre o conductă, o conductă de petrol, un râu, un canal, o conductă de sânge etc., luând în considerare o unitate temporară.
În mod obișnuit, volumul care traversează o anumită zonă este calculat într-o unitate de timp, denumită și debit volumetric. De asemenea, este definită debitul de masă sau masă care traversează o anumită zonă la un anumit moment, deși este utilizat mai puțin frecvent decât debitul volumetric.
calcul
Fluxul volumetric este reprezentat de litera Q. Pentru cazurile în care debitul se deplasează perpendicular pe secțiunea conductorului, se determină cu următoarea formulă:
Q = A = V / t
În formula A este secțiunea conductorului (este viteza medie pe care o are fluidul), V este volumul și t timpul. Deoarece în sistemul internațional suprafața sau secțiunea conductorului este măsurată în m2 și viteza în m / s, debitul este măsurat m3 / s.
Pentru cazurile în care viteza deplasării fluidului creează un unghi θ cu direcția perpendiculară pe secțiunea suprafeței A, expresia pentru determinarea debitului este următoarea:
Q = A cos θ
Acest lucru este în concordanță cu ecuația anterioară, deoarece atunci când fluxul este perpendicular pe zona A, θ = 0 și, în consecință, cos θ = 1.
Ecuațiile de mai sus sunt valabile numai dacă viteza fluidului este uniformă și dacă suprafața secțiunii este netedă. În caz contrar, debitul volumetric se calculează prin următorul integral:
Q = ∫∫ s vd S
În acest integral dS este vectorul de suprafață determinat de următoarea expresie:
dS = n dS
Aici, n este vectorul unitar normal la suprafața conductei și dS un element diferențial de suprafață.
Ecuația de continuitate
O caracteristică a fluidelor incompresibile este aceea că masa fluidului este conservată prin intermediul a două secțiuni. Prin urmare, ecuația de continuitate este îndeplinită, ceea ce stabilește următoarea relație:
ρ 1 A 1 V 1 = ρ 2 A 2 V 2
În această ecuație ρ este densitatea fluidului.
Pentru cazurile regimurilor în flux permanent, în care densitatea este constantă și, prin urmare, se îndeplinește faptul că ρ 1 = ρ 2, se reduce la următoarea expresie:
A 1 V 1 = A 2 V 2
Aceasta este echivalentă cu afirmația că fluxul este conservat și, prin urmare:
Q 1 = Q 2 .
Din observația celor de mai sus se deduce că fluidele sunt accelerate atunci când ajung la o secțiune mai îngustă a unei conducte, în timp ce își reduc viteza atunci când ajung la o secțiune mai largă a unei conducte. Acest fapt are aplicații practice interesante, deoarece permite să se joace cu viteza de deplasare a unui fluid.
Principiul lui Bernoulli
Principiul lui Bernoulli determină faptul că pentru un fluid ideal (adică un fluid care nu are nici vâscozitate, nici frecare) care se mișcă în regim de circulație printr-o conductă închisă, se îndeplinește că energia sa rămâne constantă de-a lungul întregii deplasări.
În cele din urmă, principiul lui Bernoulli nu este altceva decât formularea Legii conservării energiei pentru curgerea unui fluid. Astfel, ecuația Bernoulli poate fi formulată după cum urmează:
h + v2 / 2g + P / ρg = constantă
În această ecuație, h este înălțimea și g este accelerația gravitației.
În ecuația Bernoulli, energia unui fluid este luată în considerare în orice moment, energie care constă din trei componente.
- O componentă a caracterului cinetic care include energia, datorită vitezei cu care se mișcă fluidul.
- O componentă generată de potențialul gravitațional, ca o consecință a înălțimii la care este localizat fluidul.
- O componentă a energiei fluxului, care este energia pe care un fluid o datorează datorită presiunii.
În acest caz, ecuația Bernoulli este exprimată după cum urmează:
h ρg + (v2 ρ) / 2 + P = constantă
Logic, în cazul unui fluid real, expresia ecuației Bernoulli nu este îndeplinită, deoarece pierderile de frecare apar în deplasarea fluidului și este necesar să se recurgă la o ecuație mai complexă.
Ce afectează debitul volumetric?
Fluxul volumetric va fi afectat dacă există o obstrucție în conductă.
În plus, debitul volumetric se poate schimba de asemenea datorită variațiilor de temperatură și presiune în fluidul care circulă printr-o conductă, mai ales dacă acesta este un gaz, deoarece volumul ocupat de un gaz variază în funcție de temperatură și presiune.
Metodă simplă de măsurare a debitului volumetric
O metodă foarte simplă pentru măsurarea debitului volumetric este de a permite o scurgere a fluidului într-un rezervor de măsurare pentru o anumită perioadă de timp.
Această metodă nu este de obicei foarte practică, dar adevărul este că este extrem de simplu și foarte ilustrativ să înțelegem sensul și importanța cunoașterii fluxului fluidului.
În acest fel, fluidul este lăsat să curgă într-un rezervor de măsurare pentru o perioadă de timp, volumul acumulat este măsurat și rezultatul obținut este împărțit la timpul scurs.
