Le débit volumique est un terme de physique qui décrit la quantité de matière - en termes de dimensions physiques, et non de masse - se déplace dans l'espace par unité de temps. Par exemple, lorsque vous faites fonctionner un robinet de cuisine, une quantité donnée d'eau (que vous pouvez mesurer en onces liquides, litres ou autre) s'écoule de l'ouverture du robinet dans un laps de temps donné (généralement quelques secondes ou minutes). Cette quantité est considérée comme le débit volumique.
Le terme « débit volumique » s'applique presque toujours aux liquides et aux gaz; les solides ne « coulent » pas, même s'ils peuvent eux aussi se déplacer à une vitesse constante dans l'espace.
L'équation du débit volumique
L'équation de base pour les problèmes de ce genre est
Q=AV
oùQest le débit volumique,UNEest la section transversale occupée par le matériau en écoulement, etVest la vitesse moyenne d'écoulement.Vest considérée comme une moyenne car toutes les parties d'un fluide en écoulement ne se déplacent pas à la même vitesse. Par exemple, lorsque vous regardez les eaux d'une rivière descendre régulièrement à un certain nombre de gallons par seconde, vous remarquez que la surface a des courants plus lents ici et plus rapides là-bas.
La section transversale est souvent un cercle dans les problèmes de débit volumique, car ces problèmes concernent souvent des canalisations circulaires. Dans ces cas, vous trouvez la zoneUNEen mettant au carré le rayon du tuyau (qui est la moitié du diamètre) et en multipliant le résultat par la constante pi (π), qui a une valeur d'environ 3,14159.
Les unités de débit habituelles SI (Du français pour "système international", équivalent à "métrique") sont les litres par seconde (L/s) ou les millilitres par minute (mL/min). Cependant, comme les États-Unis utilisent depuis longtemps les unités impériales (anglaises), il est encore beaucoup plus courant de voir des débits volumiques exprimés en gallons/jour, gallons/min (gpm) ou pieds cubes par seconde (cfs). Pour trouver des débits volumiques dans des unités qui ne sont pas couramment utilisées à cette fin, vous pouvez utiliser un calculateur de débit en ligne comme celui des ressources.
Débit massique
Parfois, vous voudrez connaître non seulement le volume de fluide en mouvement par unité de temps, mais aussi la quantité de masse que cela représente. Ceci est évidemment critique en ingénierie, lorsqu'il faut savoir combien de poids un tuyau donné ou un autre conduit ou réservoir de fluide peut supporter en toute sécurité.
La formule du débit massique peut être dérivée de la formule du débit volumique en multipliant l'équation entière par la densité du fluide,ρ. Cela résulte du fait que la densité est la masse divisée par le volume, ce qui signifie également que la masse est égale à la densité multipliée par le volume. L'équation du débit volumique a déjà des unités de volume par unité de temps, donc pour obtenir la masse par unité de temps, il vous suffit de multiplier par la densité.
L'équation du débit massique est donc
\dot{m}=\rho AV
ṁ, ou "m-dot", est le symbole habituel du débit massique.
Problèmes de débit volumétrique
Supposons qu'on vous ait donné un tuyau d'un rayon de 0,1 m (10 cm, environ 4 pouces) et qu'on vous ait dit que vous deviez utiliser ce tuyau pour vidanger un réservoir d'eau complet en moins d'une heure. Le réservoir est un cylindre d'une hauteur (h) de 3 mètres et d'un diamètre de 5 mètres. À quelle vitesse le jet d'eau devra-t-il se déplacer dans le tuyau, en m3/s, afin de faire ce travail? La formule du volume d'un cylindre est :
V=\pi r^2h
L'équation d'intérêt estQ = UN V, et la variable que vous résolvez estV.
Tout d'abord, calculez le volume d'eau dans le réservoir, en vous rappelant que le rayon est la moitié du diamètre :
V=\pi (2.5\text{ m})^2(3\text{ m})=58.9\text{ m}^3
Ensuite, déterminez le nombre de secondes dans une heure :
60\texte{ s/min}\times 60\text{ min/h} = 3600\text{ s}
Déterminer le débit volumétrique requis :
Q=\frac{58.9\text{ m}^3}{3600\text{ s}}=0.01636\text{ m}^3\text{/s}
Déterminez maintenant la zoneUNEde votre tuyau d'évacuation :
A=\pi (0,1)^2 = 0,0314\text{ m}^2
Ainsi, à partir de l'équation du débit volumique, vous avez
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}
L'eau doit être forcée à travers le tuyau avec une vitesse rapide mais plausible d'environ un demi-mètre, ou un peu plus de 1,5 pied, par seconde pour vidanger correctement le réservoir.