Zawartość
- Równanie natężenia przepływu
- Masowe natężenie przepływu
- Problemy z natężeniem przepływu objętościowego
Natężenie przepływu objętościowego to w fizyce termin określający, jak dużo materii - pod względem wymiarów fizycznych, a nie masy - porusza się w przestrzeni na jednostkę czasu. Na przykład, kiedy uruchamiasz kran kuchenny, dana ilość wody (którą możesz zmierzyć w uncjach płynu, litrach lub czymś innym) wypływa z otworu kranu w określonym czasie (zwykle sekundach lub minutach). Ta ilość jest uważana za natężenie przepływu objętościowego.
Pojęcie „objętościowe natężenie przepływu” prawie zawsze odnosi się do cieczy i gazów; ciała stałe nie „płyną”, nawet jeśli one również mogą poruszać się w stałym tempie w przestrzeni.
Równanie natężenia przepływu
Podstawowym równaniem dla tego rodzaju problemów jest
Q = AV
gdzie Q to natężenie przepływu objętościowego, ZA to powierzchnia przekroju zajmowana przez przepływający materiał, oraz V. to średnia prędkość przepływu. V. jest uważany za średnią, ponieważ nie każda część przepływającego płynu porusza się w tym samym tempie. Na przykład, gdy patrzysz, jak wody rzeki płyną stopniowo w dół rzeki z określoną liczbą galonów na sekundę, zauważasz, że powierzchnia ma tutaj wolniejsze prądy i tam szybsze.
Przekrój jest często kołem problemów z natężeniem przepływu objętościowego, ponieważ problemy te często dotyczą rur okrągłych. W takich przypadkach znajdziesz obszar ZA przez podniesienie kwadratu promienia rury (która jest połową średnicy) i pomnożenie wyniku przez stałą pi (π), która ma wartość około 3,14159.
Zwykle jednostkami natężenia przepływu SI (od francuskiego dla „systemu międzynarodowego”, równoważnego do „metrycznego”) są litry na sekundę (L / s) lub mililitry na minutę (ml / min). Ponieważ USA od dawna stosują jednostki imperialne (angielskie), o wiele bardziej powszechne jest jednak obserwowanie natężeń przepływu wyrażonych w galonach na dzień, galonach na minutę (gpm) lub stopach sześciennych na sekundę (cfs). Aby znaleźć natężenia przepływu w jednostkach, które nie są powszechnie używane do tego celu, można użyć kalkulatora natężenia przepływu online, takiego jak ten w zasobach.
Masowe natężenie przepływu
Czasami będziesz chciał poznać nie tylko objętość płynu poruszającego się w jednostce czasu, ale także ilość masy, jaką to reprezentuje. Ma to oczywiście kluczowe znaczenie w inżynierii, gdy trzeba wiedzieć, ile ciężaru dana rura lub inny przewód płynu lub zbiornik może bezpiecznie utrzymać.
Wzór na masowe natężenie przepływu można wyprowadzić ze wzoru na objętościowe natężenie przepływu przez pomnożenie całego równania przez gęstość płynu, ρ. Wynika to z faktu, że gęstość jest masą podzieloną przez objętość, co oznacza również, że masa równa się gęstości razy objętość. Równanie przepływu objętościowego ma już jednostki objętości na jednostkę czasu, więc aby uzyskać masę na jednostkę czasu, wystarczy pomnożyć przez gęstość.
Dlatego równanie masowego natężenia przepływu wynosi
ṁ = ρAV
ṁlub „m-kropka” to zwykły symbol masowego natężenia przepływu.
Problemy z natężeniem przepływu objętościowego
Powiedzmy, że otrzymałeś rurkę o promieniu 0,1 m (10 cm, około 4 cali) i powiedziano ci, że musisz użyć tej rury do opróżnienia całego pełnego zbiornika wody w mniej niż godzinę. Zbiornik jest cylindrem o wysokości (h) o długości 3 metrów i średnicy 5 metrów. Szybkość przepływu wody przez rurę wm3/ s, aby wykonać tę pracę? Wzór na objętość cylindra to π_r_2h.
Równanie zainteresowania to Q = AV, a zmienną, dla której rozwiązujesz, jest V..
Najpierw obliczyć objętość wody w zbiorniku, pamiętając, że promień wynosi połowę średnicy:
π × (2,5 m)2 × 3 m = 58,9 m3
Następnie określ liczbę sekund na godzinę:
60 s / min × 60 min / h = 3600 s
Określ wymagane natężenie przepływu:
Q = 58,9 m3/ 3600 s = 0,01636 m3/ s
Teraz określ obszar ZA twojej rury odwadniającej:
π × (0.1)2 = 0,0314 m2
Zatem z równania dotyczącego objętościowego natężenia przepływu masz
V. = Q/ZA
= 0,01636 m3/ s ÷ 0,0314 m2
= 0,52 m / s = 52 cm / s
Woda musi być tłoczona przez rurę z szybką, ale prawdopodobną prędkością około pół metra lub nieco ponad 1,5 stopy na sekundę, aby prawidłowo opróżnić zbiornik.