อัตราการไหลของปริมาตรเป็นคำศัพท์ทางฟิสิกส์ที่อธิบายปริมาณสสาร ในแง่ของมิติทางกายภาพ ไม่ใช่มวล เคลื่อนที่ผ่านช่องว่างต่อหน่วยเวลา ตัวอย่างเช่น เมื่อคุณเปิดก๊อกน้ำในห้องครัว ปริมาณน้ำที่กำหนด (ซึ่งคุณอาจวัดเป็นออนซ์ของเหลว ลิตรหรืออย่างอื่น) ไหลออกจากช่องเปิดก๊อกน้ำในระยะเวลาที่กำหนด (โดยปกติคือวินาทีหรือ นาที) จำนวนนี้ถือเป็นอัตราการไหลตามปริมาตร
คำว่า "อัตราการไหลตามปริมาตร" มักใช้กับของเหลวและก๊าซ ของแข็งไม่ "ไหล" แม้ว่าพวกมันอาจเคลื่อนที่ด้วยอัตราคงที่ผ่านช่องว่าง
สมการอัตราการไหลของปริมาตร
สมการพื้นฐานของปัญหาประเภทนี้คือ
Q=AV
ที่ไหนคิวคือ อัตราการไหลของปริมาตรอาคือพื้นที่หน้าตัดที่วัสดุไหลครอบครองและวีคือความเร็วเฉลี่ยของการไหลวีถือเป็นค่าเฉลี่ยเพราะไม่ใช่ทุกส่วนของของไหลที่ไหลจะเคลื่อนที่ในอัตราเดียวกัน ตัวอย่างเช่น เมื่อคุณมองดูกระแสน้ำในแม่น้ำไหลไปตามกระแสน้ำอย่างต่อเนื่องตามจำนวนแกลลอนต่อวินาที คุณจะสังเกตเห็นว่าพื้นผิวมีกระแสน้ำไหลช้าลงที่นี่และกระแสน้ำที่เร็วขึ้นที่นั่น
ภาพตัดขวางมักเป็นปัญหาด้านอัตราการไหลของปริมาตร เนื่องจากปัญหาเหล่านี้มักเกี่ยวข้องกับท่อกลม ในกรณีเหล่านี้ คุณจะพบพื้นที่
อาโดยการยกกำลังรัศมีของท่อ (ซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางครึ่งหนึ่ง) แล้วคูณผลลัพธ์ด้วยค่าคงที่ pi (π) ซึ่งมีค่าประมาณ 3.14159SI ปกติ (จากภาษาฝรั่งเศสสำหรับ "ระบบระหว่างประเทศ" เท่ากับ "เมตริก") หน่วยอัตราการไหลคือลิตรต่อวินาที (L/s) หรือมิลลิลิตรต่อนาที (mL/min) เนื่องจากสหรัฐอเมริกาใช้หน่วยอิมพีเรียล (อังกฤษ) มาเป็นเวลานาน จึงมักเห็นอัตราการไหลของปริมาตรที่แสดงเป็นแกลลอน/วัน แกลลอน/นาที (gpm) หรือลูกบาศก์ฟุตต่อวินาที (cfs) หากต้องการค้นหาอัตราการไหลของปริมาตรในหน่วยที่ไม่ค่อยได้ใช้เพื่อจุดประสงค์นี้ คุณสามารถใช้เครื่องคำนวณอัตราการไหลแบบออนไลน์ได้เช่นเดียวกับในแหล่งข้อมูล
อัตราการไหลของมวล
บางครั้ง คุณอาจต้องการทราบไม่เพียงแต่ปริมาตรของของไหลที่เคลื่อนที่ต่อหน่วยเวลาเท่านั้น แต่ยังต้องการทราบปริมาณมวลที่แสดงด้วย นี่เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งในด้านวิศวกรรม เมื่อต้องรู้ว่าท่อหรือท่อร้อยสายของเหลวอื่นๆ หรือถังเก็บน้ำหนักที่กำหนดสามารถรับน้ำหนักได้เท่าใด
สูตรอัตราการไหลของมวลสามารถหาได้จากสูตรอัตราการไหลของปริมาตรโดยการคูณสมการทั้งหมดด้วยความหนาแน่นของของไหลρ. จากข้อเท็จจริงที่ว่าความหนาแน่นคือมวลหารด้วยปริมาตร ซึ่งหมายความว่ามวลเท่ากับความหนาแน่นคูณด้วยปริมาตร สมการการไหลของปริมาตรมีหน่วยปริมาตรต่อหน่วยเวลาอยู่แล้ว ดังนั้นเพื่อให้ได้มวลต่อหน่วยเวลา คุณเพียงแค่ต้องคูณด้วยความหนาแน่น
สมการอัตราการไหลของมวลจึงเป็น
\dot{m}=\rho AV
ṁหรือ "m-dot" เป็นสัญลักษณ์ปกติสำหรับอัตราการไหลของมวล
ปัญหาอัตราการไหล
สมมติว่าคุณได้รับท่อที่มีรัศมี 0.1 ม. (10 ซม. ประมาณ 4 นิ้ว) และได้รับแจ้งว่าคุณจำเป็นต้องใช้ท่อนี้เพื่อระบายน้ำออกทั้งถังภายในเวลาไม่ถึงหนึ่งชั่วโมง ตัวถังเป็นทรงกระบอกสูง (ห่า) 3 เมตร และเส้นผ่านศูนย์กลาง 5 เมตร กระแสน้ำจะต้องไหลผ่านท่อเร็วแค่ไหนในหน่วย m3/s เพื่อที่จะได้งานนี้เสร็จ? สูตรปริมาตรของทรงกระบอกคือ
V=\pi r^2 ชั่วโมง
สมการดอกเบี้ยคือคิว = AVและตัวแปรที่คุณกำลังแก้คือวี.
ขั้นแรกให้คำนวณปริมาตรของน้ำในถังโดยจำไว้ว่ารัศมีมีเส้นผ่านศูนย์กลางเพียงครึ่งเดียว:
V=\pi (2.5\ข้อความ{ ม.})^2(3\ข้อความ{ ม.})=58.9\ข้อความ{ ม.}^3
จากนั้นกำหนดจำนวนวินาทีในหนึ่งชั่วโมง:
60\ข้อความ{ s/นาที}\ครั้ง 60\ข้อความ{ นาที/ชม.} = 3600\ข้อความ{ s}
กำหนดอัตราการไหลที่ต้องการ:
Q=\frac{58.9\text{ m}^3}{3600\text{ s}}=0.01636\text{ m}^3\text{/s}
ตอนนี้กำหนดพื้นที่อาของท่อระบายน้ำของคุณ:
A=\pi (0.1)^2 = 0.0314\text{ m}^2
ดังนั้นจากสมการอัตราการไหลของปริมาตรที่คุณมี
V=\frac{Q}{A}=\frac{0.01636\text{ m}^3\text{/s}}{0.0314\text{ m}^2}=0.52\text{ m/s}=52 ไฟล์ \ข้อความ{ ซม./วินาที}
น้ำจะต้องถูกบังคับผ่านท่อด้วยความเร็วที่รวดเร็ว แต่เป็นไปได้ประมาณครึ่งเมตรหรือมากกว่า 1.5 ฟุตต่อวินาทีเล็กน้อยเพื่อให้ระบายน้ำออกจากถังได้อย่างเหมาะสม
