Объемный расход - это термин в физике, который описывает, сколько вещества - с точки зрения физических размеров, а не массы - перемещается в пространстве за единицу времени. Например, когда вы запускаете кухонный кран, определенное количество воды (которое вы можете измерить в жидких унциях, литров или что-то еще) выходит из отверстия крана за заданный промежуток времени (обычно секунды или минут). Это количество считается объемным расходом.
Термин «объемный расход» почти всегда применяется к жидкостям и газам; твердые тела не «текут», даже если они тоже могут двигаться с постоянной скоростью в пространстве.
Уравнение объемного расхода
Основное уравнение для задач такого рода:
Q = AV
гдеQ- объемный расход,А- площадь поперечного сечения, занимаемая текущим материалом, аV- средняя скорость потока.Vсчитается средним, потому что не каждая часть текущей жидкости движется с одинаковой скоростью. Например, когда вы наблюдаете, как вода реки неуклонно движется вниз по течению с заданным числом галлонов в секунду, вы замечаете, что на поверхности здесь более медленные течения, а там - более быстрые.
Поперечное сечение часто представляет собой круг в проблемах с объемным расходом, потому что эти проблемы часто связаны с круглыми трубами. В этих случаях вы обнаруживаете, что областьАвозводя в квадрат радиус трубы (который составляет половину диаметра) и умножая результат на константу пи (π), которая имеет значение около 3,14159.
Обычная система СИ (от французского «международная система», что эквивалентно «метрической») единицы расхода - это литры в секунду (л / с) или миллилитры в минуту (мл / мин). Однако, поскольку в США давно используются имперские (английские) единицы измерения, по-прежнему гораздо чаще можно увидеть объемный расход, выраженный в галлонах в день, галлонах в минуту (gpm) или кубических футах в секунду (cfs). Чтобы найти объемный расход в единицах, которые обычно не используются для этой цели, вы можете использовать онлайн-калькулятор расхода, подобный тому, что указан в Ресурсах.
Массовый расход
Иногда вам нужно знать не только объем жидкости, движущейся в единицу времени, но и величину массы, которую она представляет. Это, очевидно, критически важно в инженерии, когда необходимо знать, какой вес может безопасно выдержать данная труба, другой трубопровод или резервуар для жидкости.
Формула массового расхода может быть получена из формулы объемного расхода путем умножения всего уравнения на плотность жидкости,ρ. Это следует из того факта, что плотность равна массе, разделенной на объем, что также означает, что масса равна плотности, умноженной на объем. В уравнении объемного расхода уже есть единицы объема в единицу времени, поэтому, чтобы получить массу в единицу времени, вам просто нужно умножить на плотность.
Таким образом, уравнение массового расхода имеет следующий вид:
\ dot {m} = \ rho AV
ṁ, или «m-точка», является обычным обозначением массового расхода.
Проблемы с объемным расходом
Допустим, вам дали трубу радиусом 0,1 м (10 см, около 4 дюймов) и сказали, что вам нужно использовать эту трубу для слива всего полного резервуара для воды менее чем за час. Цистерна представляет собой цилиндр высотой (час) 3 метра и диаметром 5 метров. Насколько быстро поток воды должен будет двигаться по трубе, в м3/ s, чтобы выполнить эту работу? Формула объема цилиндра:
V = \ пи г ^ 2 ч
Представляющее интерес уравнениеQ = средний, а переменная, которую вы решаете, этоV.
Сначала посчитайте объем воды в резервуаре, помня, что радиус равен половине диаметра:
V = \ pi (2,5 \ text {m}) ^ 2 (3 \ text {m}) = 58,9 \ text {m} ^ 3
Затем определите количество секунд в часе:
60 \ text {с / мин} \ times 60 \ text {мин / час} = 3600 \ text {s}
Определите необходимый объемный расход:
Q = \ frac {58.9 \ text {m} ^ 3} {3600 \ text {s}} = 0,01636 \ text {m} ^ 3 \ text {/ s}
Теперь определите площадьАвашей дренажной трубы:
A = \ pi (0,1) ^ 2 = 0,0314 \ text {m} ^ 2
Таким образом, из уравнения для объемного расхода у вас есть
V = \ frac {Q} {A} = \ frac {0,01636 \ text {m} ^ 3 \ text {/ s}} {0,0314 \ text {m} ^ 2} = 0,52 \ text {m / s} = 52 \ текст {см / с}
Вода должна проходить через трубу с быстрой, но вероятной скоростью около полуметра или чуть более 1,5 футов в секунду, чтобы надлежащим образом опорожнить резервуар.