Venturi

Définition

Venturi est un effet physique par lequel le resserrement d'un conduit où circule un fluide provoque l'accélération de son écoulement accompagnée d'une dépression dans l'étranglement du tube.

Un tuyau secondaire branché dans cet étranglement permet d'injecter un autre fluide dans l'écoulement (aération de l'eau par exemple) sous pression. Ce phénomène de mécanique des fluides est largement exploité en industrie et en aquariophilie (dans les écumeurs par exemple).

L'effet Venturi :

Illustration du fonctionnement de l'effet venturi à l'intérieur d'un tube rétréci. L'air comprimé s'écoule à travers l'entrée et est dirigé à travers une buse, ce qui restreint le flux d'air. Lorsque le flux d'air s'échappe, il se dilate, provoquant une diminution de la pression et une augmentation de la vitesse avant de traverser le venturi. Une entrée de vide tangentielle au flux d'air primaire est située au point d'aspiration entre l'orifice et le venturi. Le flux d'air aspiré à travers l'entrée d'aspiration se mélange au flux d'air primaire, puis s'échappe à l'extrémité opposée.

Explications

L'effet venturi est un principe de la dynamique des fluides qui stipule que la vitesse d'un fluide doit augmenter lorsqu'il traverse un tuyau rétréci. Lorsque cela intervient, la vitesse augmente tandis que la pression statique diminue. La chute de pression qui accompagne l'augmentation de la vitesse est fondamentale pour les lois de la physique. C'est ce qu'on appelle le principe de Bernoulli.

Tout en considérant l'effet Venturi, il est utile de rappeler quelques hypothèses de ce concept. Cet effet n'est idéalement applicable qu'aux fluides incompressibles, ce qui signifie que toute augmentation de pression n'affecte pas le volume du fluide, et donc sa densité. De plus, cette théorie ne tient pas compte des frottements.

Les liquides sont des substances qui ont la capacité de s'écouler et de subir des changements de forme lorsqu'elles sont soumises à des contraintes. Ils comprennent des gaz, des liquides et même certains solides plastiques. Inutile de dire qu'en raison de leur capacité à s'écouler d'un endroit à un autre et de leur nature non rigide, l'étude des propriétés des fluides a toujours été plus difficile que celle des solides rigides.

Cependant, c'est cette nature très fluide et cette déformabilité qui ont permis de nombreuses avancées scientifiques. Le pompage de l'eau et du pétrole, leur transport par canalisation, le développement du moteur à combustion interne ou encore la technologie aéronautique moderne doivent tous, d'une certaine manière, leur existence à l'exploitation des propriétés des fluides.

Grâce à leur capacité d'écoulement, les fluides peuvent être transportés à travers des tuyaux et des canaux. Dans ce type de transport, la pression joue un rôle très important. Avec la modification de la pression, les fluides peuvent non seulement être déplacés d'un endroit à l'autre, mais peuvent même être exploités pour faire du travail.

Effet Venturi (scientifique)

Lorsqu'un fluide se déplaçant dans un tuyau fait face à un rétrécissement ou à un rétrécissement du tuyau, la vitesse d'écoulement augmente au niveau du rétrécissement, avec une baisse correspondante de la pression statique. Ce principe s'appelle l'effet Venturi.

Selon le principe de Bernoulli, la vitesse d'écoulement d'un fluide est inversement proportionnelle à sa pression statique. Cela signifie que lorsque la vitesse du fluide augmente, sa pression diminue. L'effet Venturi est une version du principe de Bernoulli, mais plus spécifiquement adapté à l'écoulement de fluides dans une canalisation.

Lorsqu'un fluide circulant dans un tuyau rencontre un étranglement, cela signifie que la surface à ce point a diminué, ce qui entraîne une ouverture plus petite. Cependant, la vitesse d'écoulement du fluide ne peut pas diminuer, car selon le "principe de continuité", la vitesse à laquelle la masse s'écoule dans un système isolé et en sort reste constante.

Ainsi, pour maintenir le même débit, les molécules de fluide doivent se précipiter à une vitesse plus rapide à travers la constriction, pour couvrir la même distance en même temps. Il en résulte une augmentation de la vitesse d'écoulement.

La formule de l'énergie cinétique du fluide est : KE = (1/2) × ρ × v₂. Ici, ρ est la masse volumique du fluide et v est sa vitesse d'écoulement.

Évidemment, à mesure que la vitesse du fluide augmente au niveau de la constriction, son énergie cinétique augmente également. Mais, selon la "loi de conservation de l'énergie", l'énergie ne peut être ni créée ni détruite. Cela signifie que l'énergie totale doit rester constante. Ainsi, à mesure que l'énergie cinétique du fluide augmente, sa pression, qui n'est rien d'autre que sa densité d'énergie, diminue proportionnellement, de sorte que la quantité totale d'énergie reste constante et que la loi de conservation de l'énergie est vraie.

L'effet Venturi peut également être prouvé en étudiant l'équation de Bernoulli, qui est : (v₂/2) + gh + (P/ρ) = constante. Ici, v est la vitesse d'écoulement, g est la constante gravitationnelle (pesanteur), h est l'élévation, dans la direction opposée à la gravité, P est la pression en tout point du fluide, ρ est la masse volumique.

Puisque la somme totale du côté gauche de l'équation reste constante à une hauteur donnée, toute augmentation de la la vitesse d'écoulement doit être équilibrée en diminuant une autre variable dans l'équation, de sorte que la somme reste constante. Mais à une hauteur donnée, g, h et ρ sont des constantes, c'est-à-dire que leurs valeurs restent les mêmes.

Par conséquent, une augmentation de la vitesse 'v'ne peut qu'entraîner une diminution de la pression 'P', de sorte que l'équation de Bernoulli est suivie. Ainsi, lorsqu'un fluide traverse un étranglement, sa vitesse d'écoulement augmente avec une diminution de la pression statique.

Lorsqu'un fluide circulant dans un tuyau rencontre un étranglement, l'augmentation de la vitesse d'écoulement signifie qu'une dépression momentanée est créée à cet endroit. La pression dans d'autres régions du tuyau est beaucoup plus élevée.

En raison de cette différence de pression, le fluide se précipite vers l'étranglement à partir d'autres parties du tuyau. Si un tuyau contenant un autre fluide est connecté au tuyau avec l'étranglement, le vide créé par le liquide à écoulement rapide au niveau de l'étranglement aspirera le liquide dans l'autre tuyau. C'est le principe utilisé dans toutes les applications de l'effet Venturi.

Applications de l'effet Venturi

L'explosion (implosion) des fenêtres lors d'une tornade est due à l'effet Venturi. Parce que le vent soufflant à grande vitesse crée une basse pression, l'air à l'intérieur de la maison se précipite pour occuper ce vide.

Dans la vie de tous les jours, le principe du venturi se retrouve dans de nombreux petits moteurs tels que les tondeuses à gazon, les scooters à essence, les motos et les automobiles plus anciennes. À l'intérieur du carburateur, il y a un petit tube à travers lequel l'air filtré s'écoule de l'admission. À l'intérieur de ce tube se trouve un court rétrécissement.

Lorsque l'air est contraint de se contracter, sa vitesse augmente et crée un vide. Ce vide aspire le carburant et se mélange au flux d'air, provoque son atomisation. Au fur et à mesure que le papillon des gaz est ouvert davantage, plus de carburant est forcé dans le moteur. Cela augmente le RPM (tours/minute) et crée plus de puissance.

Les ailes des avions sont conçues de manière à augmenter la vitesse du vent qui les survole. Selon le principe de Bernoulli, une vitesse rapide se traduit par une zone de basse pression. L'air sous les ailes se précipite vers le haut pour occuper ce vide, ce qui entraîne la production d'une portance vers le haut, permettant ainsi le vol.

Dans un pistolet à peinture, une pression sur la buse entraîne la libération d'air sous pression à travers un étranglement (buses de pulvérisation). Un récipient de peinture est relié à cette chambre et la basse pression qui en résulte provoque l'expulsion de la peinture avec l'air.

Dans les flacons de parfum, le fait d'appuyer sur la buse provoque l'éjection d'air comprimé par une ouverture étroite à grande vitesse. La chambre de parfum est reliée à cette zone, et la basse pression développée provoque le mélange des molécules liquides avec l'air et leur expulsion.

Les pompes d'aération (pompes à air d'aquarium) maintiennent des niveaux appropriés d'oxygène dissous dans les aquariums, ce qui est vital pour la survie des poissons. Ils fonctionnent en faisant passer l'eau à travers un tuyau, qui a une constriction ou une ouverture étroite. Ce tuyau est relié à un tuyau qui est ouvert à l'atmosphère. Lorsque l'eau passe à travers l'étranglement, elle développe un vide temporaire. Cela aspire l'air du tuyau dans le tuyau, le délivrant dans le réservoir.

Un carburateur aide à fournir un mélange de carburant et d'air dans un moteur à combustion interne. Il ne peut, en effet, contrôler directement le débit de livraison du carburant. Ce qu'il fait, c'est qu'il contrôle la vitesse à laquelle l'air est aspiré dans le moteur via un tuyau, qui est relié à une conduite de carburant. La basse pression développée en raison de l'aspiration rapide de l'air aspire également le carburant et le mélange à l'air. Ce mélange air-carburant est ensuite envoyé au moteur pour combustion.

Le Venturimètre est un compteur Venturi qui permet de mesurer la vitesse d'écoulement des fluides. C'est un simple tube avec un étranglement qui est relié à un manomètre. Un manomètre est un tube de verre en forme de U contenant un liquide comme de l'eau ou du mercure. Chaque bras du manomètre est relié à un côté du tube. Pour vérifier la vitesse, le compteur Venturi est inséré dans un liquide ou un gaz en écoulement.

Lorsque ce fluide atteint la section étroite du tube, sa pression diminue. Cette baisse de pression fait remonter le liquide du manomètre dans le bras relié à l'étranglement. Le niveau dans l'autre bras baisse. La variation des niveaux permet de mesurer le débit du fluide.

Les cuisinières à gaz fonctionnent à l'aide d'un inspirateur, qui est un tube Venturi qui a une constriction et une entrée d'air. Lorsque l'alimentation en gaz est ouverte, le gaz sous pression pénètre dans le tube et passe à travers l'ouverture étroite. A cet étranglement, un vide se forme en raison d'une augmentation de la vitesse du gaz. Pour combler ce vide, l'air s'engouffre par l'entrée et se mélange au gaz qui est acheminé vers le poêle.

Une cale est une section d'un navire ou d'un bateau qui se trouve sous le niveau de l'eau et qui est la plus susceptible d'être inondée en raison de fuites. Ceci est dangereux et peut même faire couler le navire. Certaines pompes de cale fonctionnent par effet Venturi. Ces pompes de cale Venturi contiennent un tuyau qui relie la cale à une ouverture de la coque située au-dessus du niveau de la mer. Lorsque le navire navigue à grande vitesse, l'eau pénètre dans le tuyau à cause de l'inertie (tendance à rester immobile). Comme le tuyau a une ouverture étroite, le débit de l'eau augmente, ce qui crée une zone de basse pression. Cela amène l'air dans le compartiment de cale à exercer une pression sur l'eau dans la cale, la forçant à entrer dans le tuyau et à quitter le navire

Histoire

L'effet venturi porte le nom du célèbre physicien italien Giovanni Battista Venturi. Venturi était professeur à l'Université de Modène et historien passionné des sciences. Il a été le premier à souligner Léonard de Vinci en tant que scientifique plutôt qu'en tant qu'artiste. En 1797, il publie une étude sur l'écoulement de l'eau dans de courts tubes cylindriques.

Ce n'est qu'en 1888 que la conception de Venturi a été appliquée à quelque chose de pratique lorsqu'un homme du nom de Clemens Herschel a reçu un brevet pour le premier tube venturi commercial. L'objectif initial du tube venturi était de mesurer la quantité d'eau utilisée dans les moulins à eau individuels et est encore utilisé à ce jour comme moyen de mesurer les débits de fluide.

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