Venturi-ilmiö

Venturi-ilmiö on Bernoullin lakiin liittyvä ilmiö, jossa virtaavan fluidin nopeus suurenee ja paine pienenee, kun se kulkee kavennetun putken läpi.^[2] Koska aineen tilavuusvirtausnopeuden (yksikkö m³/s) on pysyttävä vakiona, niin putken kaventuessa on virtausnopeuden (yksikkö m/s) suurennuttava, mikä johtuu jatkuvuusyhtälön toteutumisesta. Ja kun virtaavan fluidin nopeus kasvaa putken kaventuessa, on fluidin aiheuttaman paineen pienennyttävä.^[1][3]

Kuvan mukaisella venturimittarilla voidaan mitata virtaavan aineen nopeus putkessa.^[1] Pisteessä 1 nopeus on pienempi ja paine suurempi kuin pisteessä 2.

Venturi-ilmiö on nimetty italialaisen fyysikon Giovanni Battista Venturin mukaisesti.^[3]

Yhtälöitä

Bernoullin yhtälö

Bernoullin yhtälö putkessa virtaavalle aineelle, jonka tiheys on vakio ${\displaystyle \rho }$ (aine siis on kokoonpuristumaton) ja gravitaation aiheuttama kiihtyvyys ${\displaystyle g}$, voidaan esittää muodossa ^[1]

${\displaystyle p_{1}+\rho gy_{1}+{\frac {1}{2}}\rho v_{1}^{2}=p_{2}+\rho gy_{2}+{\frac {1}{2}}\rho v_{2}^{2}}$,

missä putken pisteessä 1 putken korkeus on ${\displaystyle y_{1}}$ ja aineen paine on ${\displaystyle p_{1}}$. Vastaavasti putken pisteessä 2 putken korkeus on ${\displaystyle y_{2}}$ ja aineen paine on ${\displaystyle p_{2}}$.

Paine-ero putken eri kohdissa

Jos kuitenkin tarkastellaan tilannetta, jossa putkella ei ole korkeuseroja (eli ${\displaystyle y_{1}}$ = ${\displaystyle y_{2}}$), niin Bernoullin yhtälöstä jätetään huomioimatta termit ${\displaystyle \rho gy}$. Tällöin voidaan laskea putken pisteissä 1 ja 2 kulkevan aineen paineiden erot muokatulla Bernoullin yhtälöllä

${\displaystyle p_{1}-p_{2}={\frac {1}{2}}\rho (v_{2}^{2}-v_{1}^{2})}$,

joka siis kuvaa putkea, jossa pisteessä 2 putki on ohuempi kuin pisteessä 1.

Tilavuusvirta

Tilavuusvirta kertoo, kuinka suuri tilavuus virtaavaa ainetta putken tietyn kohdan poikkileikkauksen läpi kulkee aikayksikköä kohden. Jatkuvuusyhtälön mukaisesti tilavuusvirta ${\displaystyle Q}$ on kokoonpuristumattomalle fluidille putken paksuudesta riippumatta vakio

${\displaystyle Q=A_{1}v_{1}=A_{2}v_{2}\,\!}$,

missä siis ${\displaystyle A_{1}}$ on putken kohdan 1 poikkileikkauksen pinta-ala ja ${\displaystyle A_{2}}$ on putken kohdan 2 poikkileikkauksen pinta-ala. Tämä yhtälö yhdistettynä yllä olevaan paine-eroyhtälöön

${\displaystyle p_{1}-p_{2}={\frac {1}{2}}\rho (v_{2}^{2}-v_{1}^{2})}$

voidaan laskea putkessa virtaavan aineen tilavuusvirta yhtälöllä

${\displaystyle Q=A_{1}{\sqrt {\frac {2(p_{1}-p_{2})}{\rho ({\frac {A_{1}^{2}}{A_{2}^{2}}}-1)}}}=A_{2}{\sqrt {\frac {2(p_{1}-p_{2})}{\rho ({\frac {A_{2}^{2}}{A_{1}^{2}}}-1)}}}}$.

Esimerkkejä Venturi-ilmiöstä

• Kaasutin
• Muita suonia ohuemmat hiussuonet ihmisen verenkierrossa
• Kaupungeissa ilmamassojen pakotettu liikkuminen tuulen mukana suurten rakennusten välissä
• Vesiputkistoissa olevan veden alipaineistus vesihanan avulla
• Suihke- ja sumutinpullot (esimerkiksi hajuvesi ja spraymaali)
• Vaahtosammutin

Katso myös

• Bernoullin laki
• Torricellin laki
• Pascalin laki
• Dynaaminen paine

Lähteet

1. Young & Freedman: ”14.5”, University Physics with Modern Physics, 11. painos. Pearson, 2004. ISBN 0-321-20469-7. (englanniksi)
2. The Language of Physics - Venturi effect 123exp-science.com. (englanniksi)^{[vanhentunut linkki]}
3. G. Rozza, D. B. P. Huynh & NC Nguyen: Venturi: Potential Flow (pdf) augustine.mit.edu. 28.3.2008. Arkistoitu 31.10.2008. (englanniksi)

Aiheesta muualla

• Venturi Tube Simulation. (englanniksi)