Volumenstrom ist ein Begriff in der Physik, der beschreibt, wie viel Materie – in physikalischen Dimensionen, nicht als Masse – sich pro Zeiteinheit durch den Raum bewegt. Wenn Sie beispielsweise eine Küchenarmatur betreiben, wird eine bestimmte Wassermenge (die Sie möglicherweise in Flüssigunzen, Liter oder etwas anderes) tritt in einer bestimmten Zeit (normalerweise Sekunden oder .) aus der Öffnung des Wasserhahns aus Protokoll). Dieser Betrag wird als Volumenstrom bezeichnet.
Der Begriff „Volumenstrom“ gilt fast immer für Flüssigkeiten und Gase; Feststoffe "fließen" nicht, obwohl sie sich auch mit konstanter Geschwindigkeit durch den Raum bewegen können.
Die Volumenstromgleichung
Die Grundgleichung für Probleme dieser Art ist
Q=AV
woQist der Volumenstrom,EINdie vom fließenden Material eingenommene Querschnittsfläche ist undVist die durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit.Vwird als Durchschnitt angesehen, da sich nicht jeder Teil einer strömenden Flüssigkeit mit der gleichen Geschwindigkeit bewegt. Wenn Sie beispielsweise beobachten, wie sich das Wasser eines Flusses mit einer bestimmten Anzahl von Gallonen pro Sekunde stetig stromabwärts bewegt, stellen Sie fest, dass die Oberfläche hier langsamere und dort schnellere Strömungen hat.
Bei Volumenstromproblemen ist der Querschnitt oft ein Kreis, da diese Probleme häufig runde Rohre betreffen. In diesen Fällen finden Sie den BereichEINindem man den Radius des Rohres (das ist der halbe Durchmesser) quadriert und das Ergebnis mit der Konstanten pi (π) multipliziert, die einen Wert von etwa 3,14159 hat.
Die üblichen SI (aus dem Französischen für "internationales System", gleichbedeutend mit "metrisch") Durchflusseinheiten sind Liter pro Sekunde (L/s) oder Milliliter pro Minute (ml/min). Da in den USA jedoch seit langem imperiale (englische) Einheiten verwendet werden, ist es immer noch viel üblicher, Volumenströme in Gallonen/Tag, Gallonen/min (gpm) oder Kubikfuß pro Sekunde (cfs) anzugeben. Um Volumenströme in für diesen Zweck nicht üblichen Einheiten zu ermitteln, können Sie einen Online-Durchflussrechner wie den in den Ressourcen verwenden.
Massendurchsatz
Manchmal möchten Sie nicht nur das Volumen der sich pro Zeiteinheit bewegenden Flüssigkeit wissen, sondern auch die Menge, die dies darstellt. Dies ist offensichtlich in der Technik von entscheidender Bedeutung, wenn bekannt sein muss, wie viel Gewicht ein gegebenes Rohr oder eine andere Flüssigkeitsleitung oder ein Behälter sicher halten kann.
Die Massedurchflussformel lässt sich aus der Volumendurchflussformel ableiten, indem man die Gesamtgleichung mit der Dichte des Fluids multipliziert,ρ. Dies folgt aus der Tatsache, dass die Dichte Masse geteilt durch Volumen ist, was auch bedeutet, dass Masse gleich Dichte mal Volumen ist. Die Volumenstromgleichung hat bereits Volumeneinheiten pro Zeiteinheit. Um also Masse pro Zeiteinheit zu erhalten, müssen Sie einfach mit der Dichte multiplizieren.
Die Massendurchflussgleichung lautet daher
\dot{m}=\rho AV
ṁ, oder "m-Punkt", ist das übliche Symbol für den Massendurchfluss.
Probleme mit dem Volumenstrom
Angenommen, Ihnen wurde ein Rohr mit einem Radius von 0,1 m (10 cm) gegeben und Ihnen wurde gesagt, dass Sie dieses Rohr verwenden müssen, um einen ganzen vollen Wassertank in weniger als einer Stunde zu entleeren. Der Tank ist ein Zylinder mit einer Höhe (ha) von 3 Metern und einem Durchmesser von 5 Metern. Wie schnell muss sich der Wasserstrahl durch das Rohr bewegen, in m3/s, um diese Arbeit zu erledigen? Die Formel für das Volumen eines Zylinders lautet:
V=\pi r^2 h
Die interessierende Gleichung lautetQ = EIN V, und die Variable, nach der Sie auflösen, istV.
Berechnen Sie zuerst das Wasservolumen im Tank und denken Sie daran, dass der Radius die Hälfte des Durchmessers beträgt:
V=\pi (2,5\text{ m})^2(3\text{ m})=58,9\text{ m}^3
Bestimmen Sie dann die Anzahl der Sekunden in einer Stunde:
60\text{ s/min}\mal 60\text{ min/h} = 3600\text{ s}
Ermitteln Sie den erforderlichen Volumenstrom:
Q=\frac{58.9\text{ m}^3}{3600\text{ s}}=0.01636\text{ m}^3\text{/s}
Bestimme nun die FlächeEINIhres Abflussrohres:
A=\pi (0,1)^2 = 0,0314\text{ m}^2
Aus der Gleichung für den Volumenstrom ergibt sich also
V=\frac{Q}{A}=\frac{0.01636\text{ m}^3\text{/s}}{0.0314\text{ m}^2}=0.52\text{ m/s}=52 \text{cm/s}
Wasser muss mit einer schnellen, aber plausiblen Geschwindigkeit von etwa einem halben Meter oder etwas mehr als 1,5 Fuß pro Sekunde durch das Rohr gepresst werden, um den Tank ordnungsgemäß zu entleeren.