ベンチュリ効果

ベンチュリ効果の極限は、流体がチョークフロー状態に達したときであり、この状態では流体の速度が局所的な音速に近づきます。流体システムがチョークフロー状態にある場合、流体が圧縮されない限り、下流側の圧力環境がさらに低下しても速度は増加しません。

圧縮性流体の質量流量は、上流側の圧力が上昇すると増加します。これは、狭窄部を通過する流体の密度が増加するためです（ただし、流速は一定のままです）。これがド・ラバルノズルの動作原理です。また、供給源の温度を上昇させることで局所的な音速も上昇させることができ、結果として質量流量を増加させることが可能になります。

ベルヌーイの式は可逆であり、流体の速度が低下すると圧力は上昇するはずです。しかし、管の断面が短縮膨張している場合、乱流が発生しやすくなり、定理からのずれが大きくなります。一般的に、ベンチュリ管では、入口の圧力は中間部の圧力と比較され、出口部の圧力はそれらと比較されません。

最も単純な装置は、ベンチュリ管または単にベンチュリ（複数形:「ベンチュリス」または時折「ベンチュリーズ」）として知られる管状の装置です。流体はまず収束管を通過し、その後多くの場合、発散管に流れ込みます。過度の空気抵抗を避けるため、ベンチュリ管は通常、入口コーンが30度、出口コーンが5度になっています。^{[ 1 ]}

ベンチュリ管は、恒久的な圧力損失が許容されないプロセスや、高粘度液体の場合に最大限の精度が必要とされるプロセスでよく使用されます。

ベンチュリ管は単純なオリフィスプレートよりも製造コストが高く、どちらも基本的な原理は同じです。しかし、一定の差圧に対して、オリフィスプレートははるかに大きな永久エネルギー損失を引き起こします。^{[ 2 ]}

ベンチュリ管は体積流量を測定するために使用できます。${\displaystyle \scriptstyle Q}$ベルヌーイの原理を用いて。

以来 $${\displaystyle {\begin{aligned}Q&=v_{1}A_{1}=v_{2}A_{2}\\[3pt]p_{1}-p_{2}&={\frac {\rho }{2}}\left(v_{2}^{2}-v_{1}^{2}\right)\end{aligned}}}$$

それから $${\displaystyle Q=A_{1}{\sqrt {{\frac {2}{\rho }}\cdot {\frac {p_{1}-p_{2}}{\left({\frac {A_{1}}{A_{2}}}\right)^{2}-1}}}}=A_{2}{\sqrt {{\frac {2}{\rho }}\cdot {\frac {p_{1}-p_{2}}{1-\left({\frac {A_{2}}{A_{1}}}\right)^{2}}}}}}$$ ベンチュリ管は、液体と気体を混合するためにも使用できます。ポンプで液体を、液体の速度を上げるベンチュリ管（直径が小さくなる）、小さな穴が開いた短い管、そして最後に速度を下げるベンチュリ管（再び管が広くなる）からなるシステムに接続された管に通すと、圧力の変化により気体が小さな穴から吸い込まれます。システムの終端では、液体と気体の混合物が現れます。このタイプのサイフォンについては、吸引器と圧力ヘッドの項を参照してください。

流体がベンチュリ管を通過する際、流体の膨張と圧縮によってベンチュリ管内部の圧力が変化します。この原理は、差圧を測定するための圧力計の計測に利用できます。例えば、ジェットエンジンやロケットエンジンの燃料圧力や燃焼圧力を測定する場合、このタイプの圧力測定はより便利となる可能性があります。

液体流量を測定する最初の大型ベンチュリ流量計は、19 世紀末から水や廃水の小流量と大流量を測定するために使用されたクレメンス・ハーシェルによって開発されました。 ^{[ 3 ]}ホーリーヨーク水力会社で働いていたハーシェルは、ホーリーヨーク運河システムのさまざまな工場の水力消費量を決定するためにこれらの流量を測定する手段を開発し、1886 年にこの装置の開発を開始し、2 年後の1888 年 6 月 5 日付けの手紙でウィリアム・アンウィンにベンチュリ流量計の発明について説明しました。^{[ 4 ]}

基本的に、圧力式流量計は運動エネルギー密度を測定します。ベルヌーイの式（上記で使用）は、これを質量密度と体積流量に関連付けます。

$${\displaystyle \Delta P={\frac {1}{2}}\rho (v_{2}^{2}-v_{1}^{2})={\frac {1}{2}}\rho \left(\left({\frac {A_{1}}{A_{2}}}\right)^{2}-1\right)v_{1}^{2}={\frac {1}{2}}\rho \left({\frac {1}{A_{2}^{2}}}-{\frac {1}{A_{1}^{2}}}\right)Q^{2}=k\,\rho \,Q^{2}}$$

ここで定数項はkに吸収される。密度の定義を用いると (${\displaystyle m=\rho V}$）、モル濃度（${\displaystyle n=CV}$）、モル質量（${\displaystyle m=Mn}$) また、質量流量またはモル流量（すなわち標準体積流量）を導出することもできます。

$${\displaystyle {\begin{aligned}\Delta P&=k\,\rho \,Q^{2}\\&=k{\frac {1}{\rho }}\,{\dot {m}}^{2}\\&=k{\frac {\rho }{C^{2}}}\,{\dot {n}}^{2}=k{\frac {M}{C}}\,{\dot {n}}^{2}.\end{aligned}}}$$

しかし、設計点外の測定値は、温度、圧力、モル質量が密度と濃度に及ぼす影響を補正する必要があります。理想気体の法則は、実際の値を設計値に関連付けるために使用されます。

$${\displaystyle C={\frac {P}{RT}}={\frac {\left({\frac {P}{P^{\ominus }}}\right)}{\left({\frac {T}{T^{\ominus }}}\right)}}C^{\ominus }}$$${\displaystyle \rho ={\frac {MP}{RT}}={\frac {\left({\frac {M}{M^{\o​​minus }}}{\frac {P}{P^{\ominus }}}\right)}{\left({\frac {T}{T^{\ominus }}}\right)}}\rho ^{\ominus }.}$

上記の圧力流量方程式にこれら2つの関係式を代入すると、完全に補償された流量が得られます。

$${\displaystyle {\begin{aligned}\Delta P&=k{\frac {\left({\frac {M}{M^{\ominus }}}{\frac {P}{P^{\ominus }}}\right)}{\left({\frac {T}{T^{\ominus }}}\right)}}\rho ^{\ominus }\,Q^{2}&=\Delta P_{\max }{\frac {\left({\frac {M}{M^{\ominus }}}{\frac {P}{P^{\ominus }}}\right)}{\left({\frac {T}{T^{\ominus }}}\right)}}\left({\frac {Q}{Q_{\max }}}\right)^{2}\\&=k{\frac {\left({\frac {T}{T^{\ominus }}}\right)}{\left({\frac {M}{M^{\ominus }}}{\frac {P}{P^{\ominus }}}\right)\rho ^{\ominus }}}{\dot {m}}^{2}&=\Delta P_{\max }{\frac {\left({\frac {T}{T^{\ominus }}}\right)}{\left({\frac {M}{M^{\ominus }}}{\frac {P}{P^{\ominus }}}\right)}}\left({\frac {\dot {m}}{{\dot {m}}_{\max }}}\right)^{2}\\&=k{\frac {M\left({\frac {T}{T^{\ominus }}}\right)}{\left({\frac {P}{P^{\ominus }}}\right)C^{\ominus }}}{\dot {n}}^{2}&=\Delta P_{\max }{\frac {\left({\frac {M}{M^{\ominus }}}{\frac {T}{T^{\ominus }}}\right)}{\left({\frac {P}{P^{\ominus }}}\right)}}\left({\frac {\dot {n}}{{\dot {n}}_{\max }}}\right)^{2}.\end{aligned}}}$$

Q、m、nは、割り算をして平方根を取ることで簡単に分離できます。圧力、温度、質量の補償は、末端の単位や寸法に関係なく、すべての流れで必要であることに注意してください。また、次の関係も確認できます。

$${\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {k}{\Delta P_{\max }}}&={\frac {1}{\rho ^{\ominus }Q_{\max }^{2}}}\\&={\frac {\rho ^{\ominus }}{{\dot {m}}_{\max }^{2}}}\\&={\frac {{C^{\ominus }}^{2}}{\rho ^{\ominus }{\dot {n}}_{\max }^{2}}}={\frac {C^{\ominus }}{M^{\ominus }{\dot {n}}_{\max }^{2}}}.\end{aligned}}}$$

• 航行中の補給作業中は、ベンチュリ効果のため、各艦の操舵手は常に他の艦から離れるように操舵しなければならず、さもなければ衝突してしまう。
• 石油製品タンカーおよび化学タンカーの貨物排出装置
• 吸気装置は、グリル、ガスコンロ、ブンゼンバーナーなどで空気と可燃性ガスを混合する。
• 水吸引器は、蛇口の水圧による運動エネルギーを利用して部分的な真空状態を作り出す。
• 蒸気サイフォンは、蒸気圧の運動エネルギーを利用して部分的な真空状態を作り出す。
• アトマイザーは香水やスプレー塗料（スプレーガンやエアブラシなどから噴射されるもの）を噴霧する装置です。
• キャブレターは、この効果を利用して、吸気口の圧力と、フロートチャンバーに空気が供給される収束壁の上流側の始点の圧力との差によって、エンジンの吸気流にガソリンを押し込むことができます。他のキャブレターでは、周囲の空気圧をフロートチャンバーに供給することができ、その場合はベルヌーイの原理によってこの効果が得られます。
• ピストンエンジンのシリンダーヘッドには、バルブシートやポート入口など、複数のベンチュリ領域が存在するが、これらは設計意図の一部ではなく、単なる副産物であり、ベンチュリ効果には特定の機能はない。
• ワインエアレーターは、ワインをグラスに注ぐ際にワインに空気を送り込む。
• プロテインスキマーは海水水槽をろ過します
• 自動プール清掃機は、加圧水流を利用して沈殿物やゴミを収集します。
• クラリネットは逆テーパーを使用して管内の空気の速度を上げ、より良い音色、反応、およびイントネーションを実現します^{[ 5 ]。}
• トロンボーンのリードパイプは音色に影響を与えます。
• 工業用掃除機は圧縮空気を使用する
• ベンチュリスクラバーは排ガスの浄化に用いられる。
• インジェクター（エジェクターとも呼ばれる）は、水処理塩素化システムに塩素ガスを添加するために使用される。
• 蒸気噴射装置は、ベンチュリ効果と蒸発潜熱を利用して、蒸気機関車のボイラーに給水する。
• サンドブラストノズルは空気とメディアの混合物を加速させる
• 船底に溜まったビルジ水は、船体にある小さな排水口から、航行中の船から排出することができる。航行中の船内の気圧は、船底を流れる水圧よりも高いためである。
• スキューバダイビング用レギュレーターは、ベンチュリ効果を利用して、ガスが流れ始めた後もその流れを維持する。
• 無反動砲では、発射時の反動を軽減するために
• 自動車のディフューザー
• ダウンフォースを増加させ、より高いコーナリングスピードを可能にするために、地面効果を利用するレーシングカー
• 消火用泡原液を消火システムに導入するために使用される泡混合装置
• トロンプ式空気圧縮機は、落下する水の柱に空気を巻き込む。
• 一部のペイントボールマーカーのボルト
• 低速風洞は、ベンチュリ効果を利用して速度を増加させ、圧力を低下させて想定される飛行条件をシミュレートするため、非常に大きなベンチュリとみなすことができる。^{[ 6 ]}

• ジャイプールのハワ・マハルもベンチュリ効果を利用しており、涼しい空気を通過させることで、夏の高温時でもエリア全体をより快適にしている。
• 建物間に風が吹き込む大都市では、旧ワールドトレードセンターのツインタワー間の隙間がその極端な例であり、地上階の広場は強風に見舞われることで有名だった。^{[ 7 ]}実際、突風があまりにも強かったため、歩行者はロープを使って移動しなければならなかった。^{[ 8 ]}
• イラク南部、現代のナシリヤ近郊の古代遺跡ギルスで、4000年前の水路構造物が発見された。古代シュメール人によるこの構造物は、全長19キロメートルの水路の水を狭窄部を通して流し、水路がない場合よりも高い水源から農地に水を側道として供給することを可能にした。大英博物館の考古学者による最近の発掘調査で、この発見が確認された。

• 風の強い山道では、気圧高度計の読み取り値が誤りになる^{[ 9 ]}
• 南フランスのミストラルは、ローヌ渓谷を通過するにつれて風速を増す。