Эффект Вентури

Закон Бернулли позволяет объяснить эффект Вентури: в узкой части трубы скорость течения жидкости выше, а давление меньше, чем на участке трубы большего диаметра, в результате чего наблюдается разница высот столбов жидкости $\Delta h$; бо́льшая часть этого перепада давлений обусловлена изменением скорости течения жидкости и может быть вычислена по уравнению Бернулли. Схема условна — не учитывается форма перехода.

Эффект Вентури заключается в падении давления, когда поток жидкости или газа протекает через суженную часть трубы. Этот эффект назван в честь итальянского физика Джованни Вентури (1746—1822).

Обоснование

Эффект Вентури является следствием действия закона Бернулли, которому соответствует уравнение Бернулли, определяющее связь между скоростью v жидкости, давлением p в ней и высотой h, на которой находится рассматриваемый элемент жидкости, над уровнем отсчёта:

$h+{\frac {v^{2}}{2g}}+{\frac {p}{\rho g}}={\text{const}},$

где $\rho$ — плотность жидкости, а $g$ — ускорение свободного падения.

Если уравнение Бернулли записать для двух сечений потока, то будем иметь:

${\frac {v_{1}^{2}}{2}}+gh_{1}+{\frac {p_{1}}{\rho }}={\frac {v_{2}^{2}}{2}}+gh_{2}+{\frac {p_{2}}{\rho }}$

Для горизонтального потока средние члены в левой и правой частях уравнения равны между собой, и потому сокращаются, и равенство принимает вид:

${\frac {v_{1}^{2}}{2}}+{\frac {p_{1}}{\rho }}={\frac {v_{2}^{2}}{2}}+{\frac {p_{2}}{\rho }},$

то есть при установившемся горизонтальном течении идеальной несжимаемой жидкости в каждом её сечении сумма пьезометрического и динамического напоров будет постоянной. Для выполнения этого условия в тех местах потока, где средняя скорость жидкости выше (то есть, в узких сечениях), её динамический напор увеличивается, а гидростатический напор уменьшается (и значит, уменьшается давление).

Применение

Эффект Вентури наблюдается или используется в следующих объектах:

• в гидроструйных насосах, в частности, в танкерах для продуктов нефтяной и химической промышленности;
• в горелках, которые смешивают воздух и горючие газы в гриле, газовой плите, горелке Бунзена и аэрографах;
• в трубках Вентури — сужающих элементах расходомеров Вентури;
• в расходомерах Вентури;
• в водяных аспираторах эжекторного типа, которые создают небольшие разрежения с использованием кинетической энергии водопроводной воды;
• пульверизаторах (опрыскивателях) для распыления краски, воды или ароматизации воздуха.
• карбюраторах, где эффект Вентури используется для всасывания бензина во входной воздушный поток двигателя внутреннего сгорания;
• в автоматизированных очистителях плавательных бассейнов, которые используют давление воды для собирания осадка и мусора;
• в кислородных масках для кислородной терапии и др.
• в автомобилестроении, в частности, в гоночных автомобилях, для создания аэродинамической прижимной силы с помощью профилированного днища (см. граунд-эффект)

Измерение расхода

Эффект Вентури может быть использован для измерения объёмного расхода $Q$.

Так как

${\begin{cases}Q=v_{1}A_{1}=v_{2}A_{2}\\p_{1}-p_{2}={\frac {\rho }{2}}(v_{2}^{2}-v_{1}^{2}){\text{,}}\end{cases}}$

то

$Q=A_{1}{\sqrt {\frac {2\left(p_{1}-p_{2}\right)}{\rho \left(\left({\frac {A_{1}}{A_{2}}}\right)^{2}-1\right)}}}=A_{2}{\sqrt {\frac {2\left(p_{1}-p_{2}\right)}{\rho \left(1-\left({\frac {A_{2}}{A_{1}}}\right)^{2}\right)}}}{\text{.}}$

где

$A_{1}$ и $A_{2}$ — площади поперечного сечения потоков, соответственно, в широкой и узкой частях потока;

$p_{1}$ и $p_{2}$ — давления, соответственно, в широкой и узкой частях потока.

См. также

• Сопло Лаваля

Ссылки

• Демонстрация эффекта Вентури на опыте (видео)
• Эффект Вентури на автозаправочной станции (видео)