تأثير فنتوري

تُعدّ حالة الاختناق من حالات تأثير فنتوري، حيث تقترب سرعة المائع من سرعة الصوت المحلية، هي الحالة القصوى لهذا التأثير . فعندما يكون نظام المائع في حالة اختناق، لن يؤدي انخفاض إضافي في ضغط المائع في اتجاه التدفق إلى زيادة في السرعة، إلا إذا تم ضغط المائع.

يزداد معدل تدفق الكتلة لسائل قابل للانضغاط مع زيادة الضغط في المنبع، مما يزيد من كثافة السائل عند نقطة التضييق (مع ثبات السرعة). هذا هو مبدأ عمل فوهة دي لافال . كما أن زيادة درجة حرارة المصدر تزيد من سرعة الصوت الموضعية، مما يسمح بزيادة معدل تدفق الكتلة.

معادلة برنولي قابلة للعكس، ومن المفترض أن يرتفع الضغط عندما يتباطأ تدفق المائع. مع ذلك، إذا حدث تمدد متناقص في مقطع الأنبوب، يزداد احتمال ظهور الاضطراب، وبالتالي يزداد الانحراف عن النظرية. عمومًا، في أنابيب فنتوري، يُقارن الضغط عند المدخل بالضغط في المقطع الأوسط، ولا يُقارن الضغط عند المخرج.

أبسط الأجهزة هو أنبوب يُعرف باسم أنبوب فنتوري أو ببساطة فنتوري (جمعها: "فنتوريات" أو أحيانًا "فنتوريات"). يتدفق السائل أولًا عبر أنبوب متقارب، ثم غالبًا ما يتدفق إلى أنبوب متباعد. ولتجنب مقاومة الهواء الزائدة ، عادةً ما يكون لأنبوب فنتوري مخروط دخول بزاوية 30 درجة ومخروط خروج بزاوية 5 درجات. ^{[ 1 ]}

تُستخدم أنابيب فنتوري غالبًا في العمليات التي لا يُسمح فيها بفقدان الضغط الدائم، والتي تتطلب أقصى قدر من الدقة في حالة السوائل عالية اللزوجة.

تُعدّ أنابيب فنتوري أغلى تكلفةً في التصنيع من صفائح الفتحات البسيطة ، وكلاهما يعمل وفق المبدأ الأساسي نفسه. مع ذلك، عند أي فرق ضغط مُحدد، تُسبب صفائح الفتحات فقدًا دائمًا للطاقة أكبر بكثير. ^{[ 2 ]}

يمكن استخدام جهاز فنتوري لقياس معدل التدفق الحجمي ،${\displaystyle \scriptstyle Q}$، باستخدام مبدأ برنولي .

منذ $${\displaystyle {\begin{aligned}Q&=v_{1}A_{1}=v_{2}A_{2}\\[3pt]p_{1}-p_{2}&={\frac {\rho }{2}}\left(v_{2}^{2}-v_{1}^{2}\right)\end{aligned}}}$$

ثم $${\displaystyle Q=A_{1}{\sqrt {{\frac {2}{\rho }}\cdot {\frac {p_{1}-p_{2}}{\left({\frac {A_{1}}{A_{2}}}\right)^{2}-1}}}}=A_{2}{\sqrt {{\frac {2}{\rho }}\cdot {\frac {p_{1}-p_{2}}{1-\left({\frac {A_{2}}{A_{1}}}\right)^{2}}}}}}$$ يمكن استخدام جهاز فنتوري لخلط سائل مع غاز. إذا دفعت مضخة السائل عبر أنبوب متصل بنظام يتكون من جهاز فنتوري لزيادة سرعة السائل (يقل قطره)، وأنبوب قصير به ثقب صغير، ثم جهاز فنتوري آخر لتقليل السرعة (ليصبح الأنبوب أوسع مرة أخرى)، فسوف يُسحب الغاز عبر الثقب الصغير نتيجة لتغيرات الضغط. في نهاية النظام، سيظهر خليط من السائل والغاز. راجع قسمي "الشفط" و "رأس الضغط" لمزيد من التفاصيل حول هذا النوع من السيفون .

عندما يتدفق سائل عبر أنبوب فنتوري، يتسبب تمدد السائل وانضغاطه في تغير الضغط داخل الأنبوب. يمكن استخدام هذا المبدأ في علم القياس لأجهزة القياس المُعايرة لقياس فروق الضغط. قد يكون هذا النوع من قياس الضغط أكثر ملاءمة، على سبيل المثال، لقياس ضغط الوقود أو ضغط الاحتراق في محركات الطائرات النفاثة أو الصواريخ.

طوّر كليمنس هيرشل أول عدادات فنتوري واسعة النطاق لقياس تدفقات السوائل ، واستخدمها لقياس تدفقات المياه ومياه الصرف الصحي الصغيرة والكبيرة بدءًا من أواخر القرن التاسع عشر. ^{[ 3 ]} أثناء عمله في شركة هوليوك للطاقة المائية ، طوّر هيرشل وسائل قياس هذه التدفقات لتحديد استهلاك الطاقة المائية لمختلف المطاحن على نظام قناة هوليوك ، حيث بدأ تطوير الجهاز لأول مرة في عام 1886، وبعد عامين وصف اختراعه لعداد فنتوري إلى ويليام أونوين في رسالة مؤرخة في 5 يونيو 1888. ^{[ 4 ]}

بشكل أساسي، تقيس العدادات القائمة على الضغط كثافة الطاقة الحركية . تربط معادلة برنولي (المستخدمة أعلاه) هذه الكثافة بكثافة الكتلة والتدفق الحجمي:

$$\displaystyle \Delta P={\frac {1}{2}}\rho (v_{2}^{2}-v_{1}^{2})={\frac {1}{2}}\rho \left(\left({\frac {A_{1}}{A_{2}}}\right)^{2}-1\right)v_{1}^{2}={\frac {1}{2}}\rho \left({\frac {1}{A_{2}^{2}}}-{\frac {1}{A_{1}^{2}}}\right)Q^{2}=k\,\rho \,Q^{2}}$$

حيث يتم دمج الحدود الثابتة في k . باستخدام تعريفات الكثافة (${\displaystyle m=\rho V}$), التركيز المولي (${\displaystyle n=CV}$)، والكتلة المولية ($m=Mn}$ويمكن أيضاً اشتقاق معدل التدفق الكتلي أو معدل التدفق المولي (أي معدل التدفق الحجمي القياسي):

$$\begin{aligned}\Delta P&=k\,\rho \,Q^{2}\\&=k{\frac {1}{\rho }}\,{\dot {m}}^{2}\\&=k{\frac {\rho }{C^{2}}}\,{\dot {n}}^{2}=k{\frac {M}{C}}\,{\dot {n}}^{2}.\end{aligned}}}$$

مع ذلك، يجب أن تُعوض القياسات خارج نطاق التصميم عن تأثيرات درجة الحرارة والضغط والكتلة المولية على الكثافة والتركيز. ويُستخدم قانون الغاز المثالي لربط القيم الفعلية بقيم التصميم .

$${\displaystyle C={\frac {P}{RT}}={\frac {\left({\frac {P}{P^{\ominus }}}\right)}{\left({\frac {T}{T^{\ominus }}}\right)}}C^{\ominus }}$$${\displaystyle \rho ={\frac {MP}{RT}}={\frac {\left({\frac {M}{M^{\ominus }}}{\frac {P}{P^{\ominus }}}\right)}{\left({\frac {T}{T^{\ominus }}}\right)}}\rho ^{\ominus }.}$

بإدخال هاتين العلاقتين في معادلات الضغط والتدفق أعلاه، نحصل على التدفقات المعوضة بالكامل:

$${\displaystyle {\begin{aligned}\Delta P&=k{\frac {\left({\frac {M}{M^{\ominus }}}{\frac {P}{P^{\ominus }}}\right)}{\left({\frac {T}{T^{\ominus }}}\right)}}\rho ^{\ominus }\,Q^{2}&=\Delta P_{\max }{\frac {\left({\frac {M}{M^{\ominus }}}{\frac {P}{P^{\ominus }}}\right)}{\left({\frac {T}{T^{\ominus }}}\right)}}\left({\frac {Q}{Q_{\max }}}\right)^{2}\\&=k{\frac {\left({\frac {T}{T^{\ominus }}}\right)}{\left({\frac {M}{M^{\ominus }}}{\frac {P}{P^{\ominus }}}\right)\rho ^{\ominus }}}{\dot {m}}^{2}&=\Delta P_{\max }{\frac {\left({\frac {T}{T^{\ominus }}}\right)}{\left({\frac {M}{M^{\ominus }}}{\frac {P}{P^{\ominus }}}\right)}}\left({\frac {\dot {m}}{{\dot {m}}_{\max }}}\right)^{2}\\&=k{\frac {M\left({\frac {T}{T^{\ominus }}}\right)}{\left({\frac {P}{P^{\ominus }}}\right)C^{\ominus }}}{\dot {n}}^{2}&=\Delta P_{\max }{\frac {\left({\frac {M}{M^{\ominus }}}{\frac {T}{T^{\ominus }}}\right)}{\left({\frac {P}{P^{\ominus }}}\right)}}\left({\frac {\dot {n}}{{\dot {n}}_{\max }}}\right)^{2}.\end{aligned}}}$$

يمكن عزل Q أو m أو n بسهولة عن طريق القسمة وأخذ الجذر التربيعي . تجدر الإشارة إلى أن تعويض الضغط ودرجة الحرارة والكتلة ضروري لكل تدفق، بغض النظر عن وحدات القياس أو الأبعاد النهائية. كما نلاحظ العلاقات التالية:

$${\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {k}{\Delta P_{\max }}}&={\frac {1}{\rho ^{\ominus }Q_{\max }^{2}}}\\&={\frac {\rho ^{\ominus }}{{\dot {m}}_{\max }^{2}}}\\&={\frac {{C^{\ominus }}^{2}}{\rho ^{\ominus }{\dot {n}}_{\max }^{2}}}={\frac {C^{\ominus }}{M^{\ominus }{\dot {n}}_{\max }^{2}}}.\end{aligned}}}$$

• أثناء عملية التزود بالوقود في البحر، يجب على ربان كل سفينة أن يبتعد باستمرار عن السفينة الأخرى بسبب تأثير فنتوري، وإلا فسوف يصطدمان.
• أجهزة شفط الشحنات على ناقلات المنتجات النفطية والناقلات الكيميائية
• تقوم أجهزة الشفط بخلط الهواء والغاز القابل للاشتعال في الشوايات ومواقد الغاز ومواقد بنسن
• تُنتج أجهزة شفط الماء فراغًا جزئيًا باستخدام الطاقة الحركية الناتجة عن ضغط ماء الصنبور
• تستخدم أنابيب البخار الطاقة الحركية الناتجة عن ضغط البخار لإنشاء فراغ جزئي
• تقوم البخاخات بتوزيع العطور أو طلاء الرش (أي من مسدس الرش أو البخاخ الهوائي ).
• تستغل المكربنات هذا التأثير لدفع البنزين إلى تيار هواء السحب في المحرك عند عنق العوامة، وذلك عن طريق الفرق بين الضغط هناك والضغط عند بداية الجدار المتقارب (الذي يُغذّي وعاء العوامة). في أنواع أخرى من المكربنات، يُغذّى وعاء العوامة بضغط الهواء المحيط، وفي هذه الحالة، ينشأ التأثير من مبدأ برنولي .
• تحتوي رؤوس الأسطوانات في محركات المكابس على مناطق فنتوري متعددة مثل مقعد الصمام ومدخل المنفذ، على الرغم من أن هذه ليست جزءًا من التصميم المقصود، بل مجرد نتيجة ثانوية وأي تأثير فنتوري يكون بدون وظيفة محددة.
• تقوم أجهزة تهوية النبيذ بضخ الهواء في النبيذ أثناء سكبه في الكأس.
• تقوم أجهزة فصل البروتين بتصفية أحواض أسماك المياه المالحة
• تستخدم منظفات حمامات السباحة الآلية تدفق المياه المضغوط لجمع الرواسب والحطام
• تستخدم آلات الكلارينيت مخروطًا عكسيًا لتسريع تدفق الهواء عبر الأنبوب، مما يتيح نغمة واستجابة وتناغمًا أفضل ^{[ 5 ].}
• الأنبوب الرئيسي لآلة الترومبون ، والذي يؤثر على جودة الصوت
• تستخدم المكانس الكهربائية الصناعية الهواء المضغوط
• تُستخدم أجهزة تنقية غازات الاحتراق من نوع فنتوري لتنظيف انبعاثات غازات المداخن
• تُستخدم الحاقنات (وتسمى أيضًا القاذفات) لإضافة غاز الكلور إلى أنظمة معالجة المياه بالكلور
• تستخدم حاقنات البخار تأثير فنتوري والحرارة الكامنة للتبخر لتوصيل مياه التغذية إلى غلاية قاطرة البخار .
• تعمل فوهات السفع الرملي على تسريع خليط الهواء والوسائط
• يمكن تصريف مياه الصرف من قارب متحرك عبر فتحة تصريف صغيرة في هيكله. ويكون ضغط الهواء داخل القارب المتحرك أكبر من ضغط الماء المتدفق أسفله.
• يستخدم منظم الغوص تأثير فنتوري للمساعدة في الحفاظ على تدفق الغاز بمجرد بدء تدفقه.
• في البنادق عديمة الارتداد لتقليل ارتداد إطلاق النار
• المشتت الهوائي في السيارة
• تستخدم سيارات السباق تأثير الأرض لزيادة قوة الدفع السفلية ، وبالتالي تصبح قادرة على تحقيق سرعات أعلى عند المنعطفات.
• أجهزة خلط الرغوة المستخدمة لإدخال مركز رغوة مكافحة الحرائق في أنظمة الحماية من الحرائق
• ضواغط الهواء من نوع ترومبي تسحب الهواء إلى عمود متساقط من الماء
• المسامير الموجودة في بعض أنواع بنادق كرات الطلاء
• يمكن اعتبار أنفاق الرياح منخفضة السرعة بمثابة فنتوري كبير جدًا لأنها تستفيد من تأثير فنتوري لزيادة السرعة وتقليل الضغط لمحاكاة ظروف الطيران المتوقعة. ^{[ 6 ]}

• يستفيد قصر هاوا محل في جايبور أيضًا من تأثير فنتوري، من خلال السماح للهواء البارد بالمرور، مما يجعل المنطقة بأكملها أكثر متعة خلال درجات الحرارة المرتفعة في الصيف.
• في المدن الكبيرة حيث تُدفع الرياح بين المباني - كانت الفجوة بين برجي مركز التجارة العالمي الأصلي مثالاً صارخاً على هذه الظاهرة، مما جعل الساحة الأرضية عرضةً للرياح العاتية. ^{[ 7 ]} في الواقع، كانت بعض العواصف شديدة لدرجة أن المشاة كانوا يحتاجون إلى حبال للتنقل. ^{[ 8 ]}
• في جنوب العراق، بالقرب من مدينة الناصرية الحديثة ، تم اكتشاف قناة مائية يعود تاريخها إلى 4000 عام في موقع جيرسو الأثري. وقد قام السومريون القدماء ببناء هذه القناة التي يبلغ طولها 19 كيلومترًا، والتي كانت تُمرر مياهها عبر ممر ضيق، مما سمح بتحويل المياه إلى الأراضي الزراعية من منسوب أعلى مما كان سيحدث لولا وجود القناة. وقد أكدت حفريات حديثة أجراها علماء آثار من المتحف البريطاني هذا الاكتشاف.

• في الممرات الجبلية العاصفة، مما يؤدي إلى قراءات خاطئة لمقياس الارتفاع الضغطي ^{[ 9 ]}
• تزداد سرعة رياح الميسترال في جنوب فرنسا عبر وادي الرون .