Lưu lượng thể tích: Tính toán và những gì ảnh hưởng đến nó
Lưu lượng thể tích cho phép xác định thể tích của chất lỏng đi qua một phần của ống dẫn và đưa ra thước đo tốc độ mà chất lỏng di chuyển qua nó. Do đó, phép đo của nó đặc biệt thú vị trong các lĩnh vực đa dạng như công nghiệp, y học, xây dựng và nghiên cứu, trong số những người khác.
Tuy nhiên, đo vận tốc của chất lỏng (có thể là chất lỏng, chất khí hoặc hỗn hợp của cả hai) không đơn giản như đo tốc độ chuyển động của vật rắn. Do đó, để biết tốc độ của chất lỏng cần phải biết dòng chảy của nó.
Điều này và nhiều vấn đề khác liên quan đến chất lỏng được giải quyết bởi nhánh vật lý được gọi là cơ học chất lỏng. Dòng chảy được định nghĩa là có bao nhiêu chất lỏng đi qua một phần của ống dẫn, cho dù đó là đường ống, đường ống dẫn dầu, dòng sông, kênh, ống dẫn máu, v.v., có tính đến một đơn vị tạm thời.
Thông thường khối lượng đi qua một khu vực nhất định được tính theo một đơn vị thời gian, còn được gọi là lưu lượng thể tích. Lưu lượng khối hoặc khối lượng đi qua một khu vực nhất định tại một thời điểm cụ thể cũng được xác định, mặc dù nó được sử dụng ít thường xuyên hơn so với lưu lượng thể tích.
Tính toán
Lưu lượng thể tích được biểu thị bằng chữ Q. Đối với các trường hợp dòng chảy di chuyển vuông góc với tiết diện của dây dẫn, nó được xác định theo công thức sau:
Q = A = V / t
Trong công thức A đã nói là phần của dây dẫn (nó là tốc độ trung bình mà chất lỏng có), V là thể tích và t thời gian. Vì trong hệ thống quốc tế, diện tích hoặc tiết diện của dây dẫn được đo bằng m2 và vận tốc tính bằng m / s, lưu lượng được đo m3 / s.
Đối với các trường hợp vận tốc dịch chuyển của chất lỏng tạo ra một góc với hướng vuông góc với tiết diện của bề mặt A, biểu thức để xác định dòng chảy như sau:
Q = A cos
Điều này phù hợp với phương trình trước đó, vì khi dòng chảy vuông góc với diện tích A, θ = 0 và do đó, cos θ = 1.
Các phương trình trên chỉ đúng nếu vận tốc của chất lỏng đồng nhất và nếu diện tích của phần bằng phẳng. Mặt khác, lưu lượng thể tích được tính thông qua tích phân sau:
Q = s s vd S
Trong dS tích phân này là vectơ bề mặt, được xác định bởi biểu thức sau:
dS = n dS
Ở đó, n là vectơ đơn vị bình thường đối với bề mặt của ống dẫn và dS là phần tử vi phân của bề mặt.
Phương trình liên tục
Một đặc điểm của chất lỏng không thể nén được là khối lượng của chất lỏng được bảo toàn bằng hai phần. Do đó, phương trình liên tục được thực hiện, thiết lập mối quan hệ sau:
ρ 1 A 1 V 1 = ρ 2 A 2 V 2
Trong phương trình này là mật độ của chất lỏng.
Đối với các trường hợp chế độ trong dòng chảy cố định, trong đó mật độ không đổi và do đó, nó được thỏa mãn rằng ρ 1 = ρ 2, nó được giảm xuống biểu thức sau:
A 1 V 1 = A 2 V 2
Điều này tương đương với việc khẳng định rằng dòng chảy được bảo tồn và do đó:
Câu 1 = Câu 2 .
Từ quan sát ở trên, người ta suy ra rằng chất lỏng được tăng tốc khi chúng đến một phần hẹp hơn của ống dẫn, trong khi chúng giảm tốc độ khi chúng đến một phần rộng hơn của ống dẫn. Thực tế này có các ứng dụng thực tế thú vị, vì nó cho phép chơi với tốc độ dịch chuyển của chất lỏng.
Nguyên tắc của Bernoulli
Nguyên lý của Bernoulli xác định rằng đối với một chất lỏng lý tưởng (nghĩa là một chất lỏng không có độ nhớt cũng như ma sát) di chuyển trong chế độ lưu thông bởi một ống dẫn kín, nó được đáp ứng rằng năng lượng của nó không đổi dọc theo mọi sự dịch chuyển của nó.
Cuối cùng, nguyên tắc của Bernoulli không gì khác hơn là việc xây dựng Định luật bảo toàn năng lượng cho dòng chảy của chất lỏng. Do đó, phương trình Bernoulli có thể được xây dựng như sau:
h + v2 / 2g + P / g = hằng số
Trong phương trình này, h là chiều cao và g là gia tốc của trọng lực.
Trong phương trình Bernoulli, năng lượng của chất lỏng được tính đến bất cứ lúc nào, năng lượng bao gồm ba thành phần.
- Một thành phần của đặc tính động học bao gồm năng lượng, do tốc độ di chuyển của chất lỏng.
- Một thành phần được tạo ra bởi thế năng hấp dẫn, là kết quả của chiều cao mà chất lỏng được đặt.
- Một thành phần của năng lượng của dòng chảy, là năng lượng mà chất lỏng nợ do áp suất.
Trong trường hợp này, phương trình Bernoulli được thể hiện như sau:
h ρ g + (v2 ρ) / 2 + P = hằng số
Về mặt logic, trong trường hợp chất lỏng thực, biểu thức của phương trình Bernoulli không được thực hiện, do tổn thất ma sát xảy ra trong sự dịch chuyển của chất lỏng và cần phải sử dụng một phương trình phức tạp hơn.
Điều gì ảnh hưởng đến dòng chảy thể tích?
Lưu lượng thể tích sẽ bị ảnh hưởng nếu có sự tắc nghẽn trong ống dẫn.
Ngoài ra, lưu lượng thể tích cũng có thể thay đổi do sự thay đổi nhiệt độ và áp suất trong chất lỏng thực tế đi qua ống dẫn, đặc biệt nếu đây là chất khí, vì thể tích chiếm dụng của khí thay đổi tùy theo nhiệt độ và áp suất.
Phương pháp đơn giản để đo lưu lượng thể tích
Một phương pháp thực sự đơn giản để đo lưu lượng thể tích là để chất lỏng chảy vào bể đo trong một khoảng thời gian nhất định.
Phương pháp này thường không thực tế lắm, nhưng sự thật là nó cực kỳ đơn giản và rất minh họa để hiểu ý nghĩa và tầm quan trọng của việc biết dòng chảy của chất lỏng.
Theo cách này, chất lỏng được phép chảy vào bể đo trong một khoảng thời gian, khối lượng tích lũy được đo và kết quả thu được được chia cho thời gian trôi qua.
