Volymflödeshastighet är en term i fysik som beskriver hur mycket materia - i termer av fysiska dimensioner, inte massa - rör sig genom rymden per tidsenhet. Till exempel, när du kör en köksblandare, en viss mängd vatten (som du kan mäta i flytande uns, liter eller något annat) passerar ut ur kranens öppning under en viss tid (vanligtvis sekunder eller minuter). Denna mängd anses vara volymflödet.
Uttrycket "volymflöde" gäller nästan alltid vätskor och gaser; fasta ämnen "flyter" inte, även om de också kan röra sig med en stadig hastighet genom rymden.
Volymflödeshastighetsekvationen
Grundekvationen för sådana problem är
Q = AV
varFär volymflödet,Aär tvärsnittsområdet som upptas av det flytande materialet, ochVär den genomsnittliga flödeshastigheten.Vanses vara ett genomsnitt eftersom inte alla delar av en flytande vätska rör sig i samma takt. Till exempel, när du tittar på vattnet i en flod ta sig stadigt nedströms med ett givet antal liter per sekund, märker du att ytan har långsammare strömmar här och snabbare där.
Tvärsnittet är ofta en cirkel i volymflödeshastighetsproblem, eftersom dessa problem ofta rör cirkulära rör. I dessa fall hittar du områdetAgenom att kvadrera rörets radie (som är halva diametern) och multiplicera resultatet med konstanten pi (π), som har ett värde på cirka 3,14159.
Den vanliga SI (från franska för "internationellt system", motsvarande "metrisk") flödeshastighetsenheter är liter per sekund (L / s) eller milliliter per minut (ml / min). Eftersom USA länge har använt kejserliga (engelska) enheter är det fortfarande mycket vanligare att se volymflöden uttryckta i gallon / dag, gallon / min (gpm) eller kubikfot per sekund (cfs). För att hitta volymflödeshastigheter i enheter som inte används för detta ändamål kan du använda en onlineflödesräknare som den i resurserna.
Massflödeshastighet
Ibland vill du inte bara veta vätskevolymen som rör sig per tidsenhet utan hur mycket massa detta representerar. Detta är uppenbarligen avgörande inom teknik, när det måste vara vet hur mycket vikt ett visst rör eller annan vätskeledning eller reservoar säkert kan hålla.
Massflödeshastighetsformeln kan härledas från volymflödeshastighetsformeln genom att multiplicera hela ekvationen med densiteten hos vätskan,ρ. Detta följer av det faktum att densitet är massa dividerat med volym, vilket också betyder att massa är lika med densitet gånger volym. Volymflödesekvationen har redan volymenheter per tidsenhet, så för att få massa per tidsenhet behöver du helt enkelt multiplicera med densitet.
Massflödesekvationen är därför
\ dot {m} = \ rho AV
ṁ, eller "m-dot", är den vanliga symbolen för massflödeshastighet.
Volymflödeshastighetsproblem
Anta att du fick ett rör med en radie på 0,1 m (10 cm, ca 4 tum) och fick höra att du behövde använda detta rör för att tömma en hel hel vattentank på mindre än en timme. Tanken är en cylinder med en höjd (h) på 3 meter och en diameter på 5 meter. Hur snabbt kommer vattenflödet att behöva röra sig genom röret, i m3/ s, för att få det här jobbet gjort? Formeln för en cylindervolym är:
V = \ pi r ^ 2 h
Ekvationen av intresse ärF = AV, och variabeln du löser för ärV.
Beräkna först volymen vatten i tanken, kom ihåg att radien är halva diametern:
V = \ pi (2.5 \ text {m}) ^ 2 (3 \ text {m}) = 58.9 \ text {m} ^ 3
Bestäm sedan antalet sekunder på en timme:
60 \ text {s / min} \ gånger 60 \ text {min / hr} = 3600 \ text {s}
Bestäm önskad volymflöde:
Q = \ frac {58.9 \ text {m} ^ 3} {3600 \ text {s}} = 0,01636 \ text {m} ^ 3 \ text {/ s}
Bestäm nu områdetAav ditt dräneringsrör:
A = \ pi (0,1) ^ 2 = 0,0314 \ text {m} ^ 2
Således från ekvationen för volymflödeshastighet du har
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}
Vatten måste tvingas genom röret med en snabb men trolig hastighet på ungefär en halv meter, eller drygt 1,5 fot, per sekund för att tömma tanken ordentligt.