Effet Venturi

L' effet Venturi est la réduction de pression d'un fluide qui se produit lorsqu'un fluide en mouvement accélère lorsqu'il s'écoule d'une section d'un tuyau vers une section plus petite. L'effet Venturi doit son nom à son découvreur, le physicien italien du XVIIIe siècle Giovanni Battista Venturi .

Cet effet a diverses applications techniques, car la réduction de pression à l'intérieur de la constriction peut être utilisée à la fois pour mesurer le débit de fluide et pour déplacer d'autres fluides (par exemple dans un éjecteur à vide ).

En dynamique des fluides non visqueux , la vitesse d'un fluide incompressible doit augmenter lorsqu'il traverse un étranglement conformément au principe de continuité de masse , tandis que sa pression statique doit diminuer conformément au principe de conservation de l'énergie mécanique ( principe de Bernoulli ) ou selon les équations d'Euler . Ainsi, tout gain d' énergie cinétique qu'un fluide peut obtenir en augmentant sa vitesse à travers un étranglement est compensé par une baisse de pression en raison de sa perte d' énergie potentielle .

En mesurant la pression, le débit peut être déterminé, comme dans divers appareils de mesure de débit tels que les compteurs Venturi, les buses Venturi et les plaques à orifice .

En se référant au diagramme adjacent, en utilisant l'équation de Bernoulli dans le cas particulier d'écoulements stables, incompressibles et non visqueux (tels que l'écoulement d'eau ou d'un autre liquide, ou l'écoulement à faible vitesse d'un gaz) le long d'une ligne de courant, la chute de pression théorique au niveau de la constriction est donnée par

où est la densité du fluide, est la vitesse (plus lente) du fluide là où le tuyau est plus large, et est la vitesse (plus rapide) du fluide là où le tuyau est plus étroit (comme on le voit sur la figure).

Le cas limite de l'effet Venturi se produit lorsqu'un fluide atteint l'état d' écoulement étranglé , où la vitesse du fluide se rapproche de la vitesse locale du son . Lorsqu'un système de fluide est dans un état d'écoulement étranglé, une diminution supplémentaire de la pression ambiante en aval n'entraînera pas d'augmentation de la vitesse, à moins que le fluide ne soit comprimé.

Le débit massique d'un fluide compressible augmente avec l'augmentation de la pression en amont, ce qui augmente la densité du fluide à travers la constriction (bien que la vitesse reste constante). C'est le principe de fonctionnement d'une tuyère de Laval . L'augmentation de la température de la source augmente également la vitesse sonique locale, permettant ainsi d'augmenter le débit massique, mais seulement si la surface de la tuyère est également augmentée pour compenser la diminution de densité qui en résulte.

L'équation de Bernoulli est inversible et la pression devrait augmenter lorsque le fluide ralentit. Néanmoins, si la section du tube se dilate, des turbulences apparaîtront et le théorème ne sera pas vérifié. Dans tous les tubes Venturi expérimentaux, la pression à l'entrée est comparée à la pression dans la section médiane ; la section de sortie n'est jamais comparée à elles.

L'appareil le plus simple est un dispositif tubulaire appelé tube Venturi ou simplement Venturi (au pluriel : « Venturis » ou parfois « Venturies »). Le fluide s'écoule à travers une longueur de tuyau de diamètre variable. Pour éviter une traînée aérodynamique excessive , un tube Venturi a généralement un cône d'entrée de 30 degrés et un cône de sortie de 5 degrés.

Les tubes Venturi sont souvent utilisés dans les processus où la perte de pression permanente n'est pas tolérable et où une précision maximale est nécessaire dans le cas de liquides très visqueux.

Les tubes Venturi sont plus coûteux à construire que les simples plaques à orifice , et les deux fonctionnent sur le même principe de base. Cependant, pour une pression différentielle donnée, les plaques à orifice provoquent une perte d'énergie permanente nettement plus importante.

Les tubes Venturi et les plaques à orifice sont tous deux utilisés dans les applications industrielles et dans les laboratoires scientifiques pour mesurer le débit des liquides.

Un Venturi peut être utilisé pour mesurer le débit volumétrique , en utilisant le principe de Bernoulli .

Depuis

Un Venturi peut également être utilisé pour mélanger un liquide avec un gaz. Si une pompe force le liquide à travers un tube relié à un système constitué d'un Venturi pour augmenter la vitesse du liquide (le diamètre diminue), d'un petit morceau de tube avec un petit trou dedans, et enfin d'un Venturi qui diminue la vitesse (donc le tuyau s'élargit à nouveau), le gaz sera aspiré par le petit trou en raison des changements de pression. À la fin du système, un mélange de liquide et de gaz apparaîtra. Voir aspirateur et tête de pression pour une discussion sur ce type de siphon .

Lorsque le fluide s'écoule dans un Venturi, la dilatation et la compression du fluide provoquent une modification de la pression à l'intérieur du Venturi. Ce principe peut être utilisé en métrologie pour les jauges étalonnées pour les pressions différentielles. Ce type de mesure de pression peut être plus pratique, par exemple, pour mesurer les pressions de carburant ou de combustion dans les moteurs à réaction ou les moteurs-fusées.

Les premiers compteurs Venturi à grande échelle pour mesurer les débits de liquides ont été développés par Clemens Herschel qui les a utilisés pour mesurer les petits et grands débits d'eau et d'eaux usées à partir de la fin du 19e siècle. Alors qu'il travaillait pour la Holyoke Water Power Company , Herschel développa les moyens de mesurer ces débits pour déterminer la consommation d'énergie hydraulique de différents moulins du système de canaux de Holyoke , commençant le développement de l'appareil en 1886, deux ans plus tard, il décrirait son invention du compteur Venturi à William Unwin dans une lettre datée du 5 juin 1888.

Fondamentalement, les compteurs basés sur la pression mesurent la densité d'énergie cinétique . L'équation de Bernoulli (utilisée ci-dessus) relie cela à la densité massique et au débit volumétrique :

où les termes constants sont absorbés dans k . En utilisant les définitions de la densité ( ), de la concentration molaire ( ) et de la masse molaire ( ), on peut également dériver le débit massique ou le débit molaire (c'est-à-dire le débit volumique standard) :

Cependant, les mesures en dehors du point de conception doivent compenser les effets de la température, de la pression et de la masse molaire sur la densité et la concentration. La loi des gaz parfaits est utilisée pour relier les valeurs réelles aux valeurs de conception :

En remplaçant ces deux relations dans les équations pression-débit ci-dessus, on obtient les débits entièrement compensés :

Q , m ou n sont facilement isolés en divisant et en prenant la racine carrée de . Notez que la compensation de pression, de température et de masse est requise pour chaque écoulement, quelles que soient les unités ou les dimensions finales. Nous voyons également les relations :

L'effet Venturi peut être observé ou utilisé dans les cas suivants :

• Lors du ravitaillement en cours de route, le barreur de chaque navire doit constamment s'éloigner de l'autre navire en raison de l'effet Venturi, sinon ils entreront en collision.
• Éjecteurs de cargaison sur les pétroliers et les navires-citernes pour produits chimiques
• Les inspirateurs mélangent l'air et le gaz inflammable dans les grils , les cuisinières à gaz et les brûleurs Bunsen
• Les aspirateurs à eau produisent un vide partiel en utilisant l'énergie cinétique de la pression de l'eau du robinet
• Les siphons à vapeur utilisent l'énergie cinétique de la pression de la vapeur pour créer un vide partiel
• Les atomiseurs dispersent le parfum ou la peinture en aérosol (c'est-à-dire à partir d'un pistolet pulvérisateur ou d'un aérographe )
• Les carburateurs utilisent cet effet pour aspirer l'essence dans le flux d'air d'admission d'un moteur lorsque la pression d'air en amont est transmise au bol du flotteur.
• Les culasses des moteurs à pistons comportent plusieurs zones Venturi, comme le siège de soupape et l'entrée du port, bien que celles-ci ne fassent pas partie de l'intention de conception, mais soient simplement un sous-produit et que tout effet Venturi soit sans fonction spécifique.
• Les aérateurs de vin insufflent de l'air dans le vin lorsqu'il est versé dans un verre
• Les écumeurs de protéines filtrent les aquariums d'eau salée
• Les nettoyeurs de piscine automatisés utilisent un flux d'eau côté pression pour collecter les sédiments et les débris
• Les clarinettes utilisent un cône inversé pour accélérer l'air dans le tube, permettant une meilleure tonalité, une meilleure réponse et une meilleure intonation
• Le tuyau d'embouchure d'un trombone , affectant le timbre
• Les aspirateurs industriels utilisent de l'air comprimé
• Les épurateurs Venturi sont utilisés pour nettoyer les émissions de gaz de combustion
• Les injecteurs (également appelés éjecteurs) sont utilisés pour ajouter du chlore gazeux aux systèmes de chloration de traitement de l'eau
• Les injecteurs de vapeur utilisent l'effet Venturi et la chaleur latente d'évaporation pour fournir de l'eau d'alimentation à la chaudière d'une locomotive à vapeur .
• Les buses de sablage accélèrent le mélange d'air et de fluide
• L'eau de cale peut être vidée d'un bateau en mouvement par une petite vanne de vidange dans la coque. La pression de l'air à l'intérieur du bateau en mouvement est supérieure à celle de l'eau qui glisse en dessous.
• Un détendeur de plongée sous-marine utilise l'effet Venturi pour aider à maintenir le flux de gaz une fois qu'il commence à couler
• Dans les fusils sans recul pour diminuer le recul du tir
• Le diffuseur sur une automobile
• Les voitures de course utilisent l'effet de sol pour augmenter l'appui et ainsi devenir capables d'atteindre des vitesses de virage plus élevées
• Les proportionneurs de mousse sont utilisés pour introduire le concentré de mousse anti-incendie dans les systèmes de protection incendie.
• Les compresseurs d'air trompeurs entraînent l'air dans une colonne d'eau tombante
• Les boulons de certaines marques de marqueurs de paintball
• Les souffleries à basse vitesse peuvent être considérées comme des Venturi de très grande taille car elles tirent parti de l'effet Venturi pour augmenter la vitesse et diminuer la pression afin de simuler les conditions de vol attendues.

• Le Hawa Mahal de Jaipur utilise également l'effet Venturi, en laissant passer l'air frais, rendant ainsi toute la zone plus agréable pendant les températures élevées de l'été.
• Dans les grandes villes, le vent souffle de manière forcée entre les bâtiments. L'espace entre les tours jumelles du World Trade Center original est un exemple extrême du phénomène, qui a rendu la place au niveau du sol notoirement balayée par le vent. En fait, certaines rafales étaient si fortes que les déplacements des piétons devaient être facilités par des cordes.
• Dans le sud de l'Irak, près de la ville moderne de Nasiriyah , une structure de canal vieille de 4000 ans a été découverte sur le site antique de Girsu . Cette construction des anciens Sumériens forçait le contenu d'un canal de dix-neuf kilomètres à traverser un rétrécissement pour permettre le détournement de l'eau vers les terres agricoles à partir d'une source plus élevée que ce qui aurait été le cas sans le canal. Une fouille récente effectuée par des archéologues du British Museum a confirmé cette découverte.

• Dans les cols de montagne venteux, ce qui entraîne des lectures erronées de l'altimètre de pression
• Le mistral, vent du sud de la France, augmente en vitesse dans la vallée du Rhône .