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Volumenstrom ist ein Begriff in der Physik, der beschreibt, wie viel Materie - gemessen an den physikalischen Dimensionen, nicht an der Masse - sich pro Zeiteinheit durch den Raum bewegt. Wenn Sie beispielsweise eine Küchenarmatur betreiben, tritt eine bestimmte Menge Wasser (die Sie möglicherweise in Flüssigunzen, Litern oder etwas anderem messen) in einer bestimmten Zeit (normalerweise Sekunden oder Minuten) aus der Öffnung der Armatur aus. Diese Menge gilt als Volumenstrom.
Der Begriff "Volumenstrom" gilt fast immer für Flüssigkeiten und Gase; feststoffe "fließen" nicht, obwohl auch sie sich mit einer konstanten geschwindigkeit durch den raum bewegen können.
Die Volumenstrom-Gleichung
Die Grundgleichung für Probleme dieser Art lautet
Q. = EIN V
wo Q. ist der Volumenstrom, EIN die vom fließenden Material eingenommene Querschnittsfläche ist und V ist die durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit. V wird als Durchschnitt angesehen, da sich nicht jeder Teil eines strömenden Fluids mit der gleichen Geschwindigkeit bewegt. Wenn Sie beispielsweise beobachten, wie das Wasser eines Flusses mit einer bestimmten Anzahl von Gallonen pro Sekunde stetig stromabwärts fließt, bemerken Sie, dass die Oberfläche hier langsamere und dort schnellere Strömungen aufweist.
Der Querschnitt ist bei Volumenstromproblemen oft ein Kreis, da diese Probleme häufig kreisförmige Rohre betreffen. In diesen Fällen finden Sie den Bereich EIN durch Quadrieren des Radius des Rohrs (der die Hälfte des Durchmessers beträgt) und Multiplizieren des Ergebnisses mit der Konstanten pi (π), die einen Wert von etwa 3,14159 hat.
Die üblichen SI-Durchflusseinheiten (vom Französischen für "internationales System" gleich "metrisch") sind Liter pro Sekunde (L / s) oder Milliliter pro Minute (ml / min). Da in den USA seit langem imperiale (englische) Einheiten verwendet werden, sind Volumenströme in Gallonen / Tag, Gallonen / Minute (gpm) oder Kubikfuß pro Sekunde (cfs) immer noch weitaus häufiger. Um Volumenströme in Einheiten zu ermitteln, die normalerweise nicht für diesen Zweck verwendet werden, können Sie einen Online-Durchflussrechner wie den in den Ressourcen verwendeten verwenden.
Massendurchsatz
Manchmal möchten Sie nicht nur das Volumen der sich pro Zeiteinheit bewegenden Flüssigkeit kennen, sondern auch die Menge der Masse, die dies darstellt. Dies ist offensichtlich in der Technik von entscheidender Bedeutung, wenn bekannt sein muss, wie viel Gewicht ein bestimmtes Rohr oder eine andere Fluidleitung oder ein Reservoir sicher halten kann.
Die Massenflussformel kann aus der Volumenflussformel abgeleitet werden, indem die gesamte Gleichung mit der Dichte des Fluids multipliziert wird. ρ. Dies folgt aus der Tatsache, dass Dichte Masse geteilt durch Volumen ist, was auch bedeutet, dass Masse gleich Dichte mal Volumen ist. Die Volumenstromgleichung enthält bereits Volumeneinheiten pro Zeiteinheit. Um also die Masse pro Zeiteinheit zu erhalten, müssen Sie einfach mit der Dichte multiplizieren.
Die Massenflussratengleichung lautet daher
ṁ = ρAV
ṁ, oder "m-Punkt" ist das übliche Symbol für den Massendurchsatz.
Volumenstromprobleme
Angenommen, Sie bekamen ein Rohr mit einem Radius von 0,1 m (10 cm) und wurden angewiesen, mit diesem Rohr in weniger als einer Stunde einen vollständigen Wassertank zu entleeren. Der Tank ist ein Zylinder mit einer Höhe (h) von 3 Metern und einem Durchmesser von 5 Metern. Wie schnell muss sich der Wasserstrahl durch das Rohr bewegen, in m3/ s, um diesen Job zu erledigen? Die Formel für das Volumen eines Zylinders lautet π_r_2h.
Die Interessengleichung lautet Q. = EIN Vund die Variable, nach der Sie suchen, ist V.
Berechnen Sie zunächst das Wasservolumen im Tank und denken Sie daran, dass der Radius halb so groß ist wie der Durchmesser:
π × (2,5 m)2 × 3 m = 58,9 m3
Bestimmen Sie dann die Anzahl der Sekunden in einer Stunde:
60 s / min × 60 min / h = 3600 s
Bestimmen Sie den gewünschten Volumenstrom:
Q. = 58,9 m3/ 3600 s = 0,01636 m3/ s
Bestimmen Sie nun den Bereich EIN Ihres Abflussrohres:
π × (0.1)2 = 0,0314 m2
Also aus der Gleichung für den Volumenstrom, den Sie haben
V = Q./EIN
= 0,01636 m3/ s ≤ 0,0314 m2
= 0,52 m / s = 52 cm / s
Das Wasser muss mit einer schnellen, aber plausiblen Geschwindigkeit von etwa einem halben Meter oder etwas mehr als 1,5 Fuß pro Sekunde durch das Rohr gedrückt werden, um den Tank ordnungsgemäß zu entleeren.