Hur man beräknar flödeshastigheter

Att hitta flödeshastigheten för vatten från en pip, till exempel en trädgårdstapp eller badrumsblandare, är en enkel övning som inte behöver mer än en hink och en timer. Att beräkna flödeshastigheten i ett öppet tråg, som en rännsten eller flodbädd, är lite mer komplicerat och att beräkna flödeshastigheten för en vätska i ett slutet rör är ännu mer komplicerat.

Flödeshastighetsformeln är i allmänhet

varFär flödeshastigheten,Aär tvärsnittsområdet vid en punkt i flödets väg ochvär vätskans hastighet vid den punkten. I vissa situationer, till exempel för vatten som rinner i en flodbädd, beräknarAär svårt, och det bästa du kan göra är en approximation. I andra, såsom en vätska som flyter i ett slutet rör, är det svårt att mätav, men du behöver inte. Om du kan mäta vätsketrycket kan du använda Poiseuilles lag.

Om du behöver känna till flödeshastigheten genom en mynning, till exempel en tapp eller en droppemitter, har du allt att göra är att låta en viss volym ackumuleras i en container och mäta hur lång tid det tar ackumulera. Du kan till exempel mäta flödeshastigheten från en tapp genom att låta vatten fylla en 5-liters hink och registrera tiden. Dela upp 5 efter den tid det tog för att få antalet liter per tidsenhet. Om du mäter tiden i minuter får du resultatet i liter per minut.

För att mäta flödeshastigheten från en liten öppning, som en droppemitter, behöver du en mycket mindre behållare, till exempel en kvartsburk, och en längre tidsenhet, men principen är densamma. Dropputsläpp klassificeras vanligtvis i antalet liter per timme de avger. En sändare som sätter ut 1 liter per timme fyller en kvartsburk på 15 minuter.

Om du kan se vätskan rinna kan du mäta dess hastighet, och det betyder att allt du behöver är det område genom vilket vätskan strömmar för att beräkna flödeshastigheten med formelnF​ = ​A​ × ​v​.

Om vätskan strömmar genom en öppning eller ett klart rör, är ett sätt att mäta hastighet att införa färgämnet som en markör och hur lång tid det tar att färgen passerar två punkter. Efter mätning av rörets eller öppningens radie kan du beräkna ytan med πr​², använd sedanv​ × ​Aför att beräkna flödeshastighet.

För att flöda genom naturliga delar, som en flodbädd, måste du ungefärliggöra området. Antag att den djupaste delen av floden är radien på ett halvcylindriskt tråg. Beräkna tvärsnittsarean med πr​², ta sedan hälften av det och använd det tillAi ekvationenF​ = ​v​ × ​Aför att få en ungefärlig flödeshastighet.

När en vätska flyter genom ett slutet rör kan du inte se det, så du kan inte mäta dess hastighet. Men om du kan mäta vätsketrycket - vilket vanligtvis är lätt att göra, med en manometer - kan du använda Poiseuilles lag för att beräkna flödeshastigheten. Enligt Poiseuilles lag är flödeshastighetenFvarierar direkt med tryckdifferensen Δsidmellan rörets ändar och rörets fjärde effektr​⁴, och det varierar omvänt med rörlängdenL. Ekvationen är:

varµär vätskans viskositet.

Poiseuilles lag antar laminärt (icke-turbulent) flöde, vilket är ett säkert antagande vid låga tryck och små rördiametrar.