זרימה נפחית: חישוב ומה משפיע עליו - גוּפָנִי - 2025

זרימת הנפח קובעת את נפח הנוזל זורם דרך קטע של הצינור ומספקת מיידה של המהירות שבה מסעותיו נוזלים על ידה. לכן מדידתו מעניינת במיוחד בתחומים מגוונים כמו תעשיה, רפואה, בנייה ומחקר, בין היתר.

עם זאת, מדידת מהירות נוזל (יהיה זה נוזל, גז או תערובת של שניהם) אינה פשוטה כמו מדידת מהירות העקירה של גוף מוצק יכולה להיות. לכן, קורה שכדי לדעת מהירות נוזל יש לדעת את זרימתו.

שאלה ורבים אחרים הקשורים לנוזלים מטפלים בענף הפיזיקה המכונה מכניקת נוזלים. זרימה מוגדרת כמה נוזל עובר קטע של צינור, בין אם זה צינור, צינור נפט, נהר, תעלה, צינור דם וכו ', תוך התחשבות ביחידת זמן.

בדרך כלל מחושב הנפח שעובר באזור נתון ביחידת זמן, המכונה גם זרימה נפחית. מוגדרת גם זרימת המסה או המסה העוברת באזור נתון בזמן מסוים מוגדר, אם כי משתמשים בו בתדירות נמוכה יותר מזרימה נפחית.

תַחשִׁיב

הזרימה הנפחית מיוצגת על ידי האות Q. במקרים בהם הזרימה נעה בניצב למקטע המוליך, היא נקבעת על פי הנוסחה הבאה:

Q = A = V / t

בנוסחה זו A הוא קטע המוליך (זהו המהירות הממוצעת של הנוזל), V הוא הנפח ו- t הוא הזמן. מכיוון שבמערכת הבינלאומית נמדד האזור או החלק של המוליך ב- m ² והמהירות ב- m / s, הזרימה נמדדת ב- m ³ / s.

במקרים בהם מהירות תזוזת הנוזלים יוצרת זווית θ עם הכיוון הניצב לקטע השטח A, הביטוי לקביעת קצב הזרימה הוא הבא:

Q = A cos θ

זה עולה בקנה אחד עם המשוואה הקודמת, שכן כאשר הזרימה בניצב לשטח A, θ = 0 וכתוצאה מכך, cos θ = 1.

המשוואות לעיל נכונות רק אם מהירות הנוזל אחידה ואם שטח המקטע שטוח. אחרת, הזרימה הנפחית מחושבת באמצעות האינטגרל הבא:

Q = ∫∫ _s vd S

בתוך אינטגרל זה dS הוא וקטור השטח, שנקבע על ידי הביטוי הבא:

dS = n dS

שם, n הוא וקטור היחידה הנורמלי למשטח הצינור ו- dS הוא אלמנט דיפרנציאלי.

משוואת המשכיות

מאפיין של נוזלים לא דחוסים הוא שמסת הנוזל נשמרת באמצעות שני חלקים. מסיבה זו משוואה המשכיות, שמבססת את הקשר הבא:

ρ ₁ A ₁ V ₁ = ρ ₂ A ₂ V ₂

במשוואה זו ρ הוא צפיפות הנוזל.

במקרים של משטרים בשטף קבוע, בהם הצפיפות קבועה ולכן, משוכנע כי ρ ₁ = ρ ₂ , הוא מצטמצם לביטוי הבא:

A ₁ V ₁ = A ₂ V ₂

זה שווה לאשר שהזרימה נשמרת ולכן:

Q ₁ = Q ₂ .

מתצפית האמור לעיל נובע כי נוזלים מואצים כאשר הם מגיעים לקטע צר יותר של צינור, ואילו הם מאטים כאשר הם מגיעים לקטע רחב יותר של צינור. לעובדה זו יש יישומים מעשיים מעניינים, מכיוון שהיא מאפשרת לשחק במהירות התנועה של נוזל.

העיקרון של ברנולי

העיקרון של ברנולי קובע כי עבור נוזל אידיאלי (כלומר נוזל שאין בו צמיגות או חיכוך) שנע במשטר המסתובב דרך צינור סגור, האנרגיה שלו נשארת קבועה לאורך כל העקירה שלה.

בסופו של דבר, העיקרון של ברנולי אינו אלא ניסוח חוק שימור האנרגיה לזרימת נוזל. כך ניתן לנסח את משוואת ברנולי באופן הבא:

h + v ² / 2g + P / ρg = קבוע

במשוואה זו h הוא הגובה ו- g הוא האצה כתוצאה מכוח הכבידה.

משוואת ברנולי לוקחת בחשבון את האנרגיה של נוזל בכל רגע, אנרגיה המורכבת משלושה מרכיבים.

- מרכיב קינטי הכולל אנרגיה, בגלל המהירות בה הנוזל נע.

- מרכיב הנוצר על ידי פוטנציאל הכבידה, כתוצאה מהגובה בו הנוזל.

- מרכיב מאנרגיית הזרימה, שהיא האנרגיה שיש לנוזל בגלל לחץ.

במקרה זה, המשוואה של ברנולי באה לידי ביטוי באופן הבא:

h ρ g + (v ² ρ) / 2 + P = קבוע

מבחינה הגיונית, במקרה של נוזל אמיתי הביטוי של משוואת ברנולי אינו מתממש, מכיוון שאובדן חיכוך מתרחש בתזוזת הנוזלים ונדרש לפנות למשוואה מורכבת יותר.

מה משפיע על הזרימה הנפחית?

הזרימה הנפחית תושפע אם תהיה סתימה בתעלה.

בנוסף, קצב הזרימה הנפחי יכול להשתנות גם בגלל וריאציות בטמפרטורה ולחץ בנוזל האמיתי שנע דרך צינור, במיוחד אם מדובר בגז, מכיוון שהנפח שגז תופס משתנה בהתאם לת הטמפרטורה והלחץ שבהם הוא נמצא.

שיטה פשוטה למדידת זרימה נפחית

שיטה ממש פשוטה למדידת זרימה נפחית היא לאפשר לנוזל לזרום למיכל מדידה למשך זמן מוגדר.

בדרך כלל שיטה זו אינה פרקטית במיוחד, אך האמת היא שהיא פשוטה ביותר וממחישה מאוד להבין את המשמעות והחשיבות של הכרת קצב הזרימה של נוזל.

בדרך זו מותר לנוזל לזרום למיכל מדידה למשך פרק זמן, נמדד הנפח המצטבר והתוצאה המתקבלת מחולקת לפי הזמן שחלף.

הפניות

1. זרימה (נוזל) (nd). בויקיפדיה. הוחזר ב- 15 באפריל 2018 מ- es.wikipedia.org.
2. קצב זרימה נפחי (nd). בויקיפדיה. הוחזר ב- 15 באפריל 2018 מ- en.wikipedia.org.
3. מהנדסים אדג ', LLC. "משוואת קצב זרימה נפח נוזלי". מהנדסים אדג '
4. מוט, רוברט (1996). "אחד". מכניקת נוזלים שימושית (מהדורה רביעית). מקסיקו: פירסון חינוך.
5. באטלור, GK (1967). מבוא לדינמיקה של נוזלים. הוצאת אוניברסיטת קיימברידג '.
6. לנדאו, LD; ליפשיץ, א.מ. (1987). מכניקת נוזלים. קורס פיזיקה תיאורטית (מהדורה שנייה). הוצאת פרגמון.