Name: continuity and velocity in pipe flow
Uploaded: 2025-02-13T15:43:21.000Z
Duration: 1 min 7 s
Channel: JoVE

Das Prinzip der Massenerhaltung besagt, dass innerhalb eines festen Kontrollvolumens jede Änderung der Masse im Laufe der Zeit durch den Massenfluss über die Steuerflächen ausgeglichen werden muss.
Betrachten Sie ein Abwasserrohr als Beispiel für ein festes, nicht verformendes Kontrollvolumen, bei dem die eintretende Masse der austretenden Masse entspricht.
In diesem Fall stellt das Regelvolumen den Abschnitt des Abwasserrohrs zwischen seinem Einlass und Auslass dar, mit Steuerflächen an jedem Ende.
Da die Strömung stetig und inkompressibel ist, ändert sich die Masse im Laufe der Zeit nicht, was bedeutet, dass der Massendurchfluss der Flüssigkeit über die Steuerflächen konstant ist.
Wenn Wasser durch das Rohr fließt, kann sich die Geschwindigkeit je nach Querschnittsfläche des Rohrs am Ein- und Auslass ändern.
Wenn die Querschnittsfläche am Auslass abnimmt, erhöht sich die Geschwindigkeit des Wassers, um den gleichen Massendurchfluss zu gewährleisten
Ingenieure nutzen dieses Prinzip, um Durchflussraten und -geschwindigkeiten zu analysieren und so ein korrektes Systemdesign zu gewährleisten, ohne die Massenerhaltung zu verletzen.

massenerhaltung in einem festen, sich nicht verformenden kontrollvolumen

Das Prinzip der Massenerhaltung ist grundlegend für die Strömungsdynamik und entscheidend für die Analyse von Strömungen innerhalb von festen Kontrollvolumina wie Rohren oder Kanälen. Dieses Prinzip besagt, dass die Gesamtmasse innerhalb eines Kontrollvolumens konstant bleibt, sofern sie nicht durch den Zufluss oder Abfluss von Masse durch die Kontrollflächen verändert wird. Daraus ergibt sich eine wichtige Beziehung für eine gleichmäßige, inkompressible Strömung, bei der die in ein System eintretende Masse der Masse entspricht, die es verlässt.

Im Fall eines Abwasserrohrs, das als festes, sich nicht verformendes Kontrollvolumen modelliert werden kann, schreibt die Massenerhaltung vor, dass die Massendurchflussrate des Einlasses der Massendurchflussrate des Auslasses entsprechen muss. Die Kontrollflächen befinden sich in diesem Szenario am Einlass und Auslass des Rohrs und umschließen den Strömungsbereich. Da die Strömung inkompressibel ist, bleibt die Dichte der Flüssigkeit konstant. Dies bedeutet, dass die Beziehung zwischen Geschwindigkeit und Querschnittsfläche kritisch wird.

Massendurchflussrate und Querschnittsfläche

Die Massendurchflussrate (ṁ) wird in Bezug auf die Flüssigkeitsdichte (P) und die Durchflussrate (Q) ausgedrückt. Hier wird die Durchflussrate durch Multiplikation der Geschwindigkeit (V) mit der Querschnittsfläche (A) bestimmt.

<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/18049/18049_Equation_1.svg" style="text-align: center; height: 12px;">

Bei gleichmäßigem Durchfluss, bei dem die Dichte konstant bleibt, vereinfacht sich diese Gleichung dahingehend, dass jede Geschwindigkeitsänderung einer Änderung der Querschnittsfläche des Rohrs entsprechen muss. Wenn die Querschnittsfläche des Rohrs abnimmt, wie es am Auslass eines Abwasserrohrs passieren kann, muss die Geschwindigkeit der Flüssigkeit zunehmen, um die Massendurchflussrate beizubehalten. Die Kontinuitätsgleichung beschreibt dieses Phänomen:

<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/18049/18049_Equation_2.svg" style="text-align: center; height: 12px;">

Wobei V1​ und A1​ die Geschwindigkeit und die Querschnittsfläche am Einlass und V2 und A2​ am Auslass bezeichnen. Diese Beziehung sagt das Durchflussverhalten voraus und konstruiert Systeme, die angemessene Durchflussraten aufrechterhalten und gleichzeitig das Prinzip der Massenerhaltung einhalten.

Massenerhaltung in einem festen, sich nicht verformenden Kontrollvolumen

Das Prinzip der Massenerhaltung besagt, dass innerhalb eines festen Kontrollvolumens jede Änderung der Masse im Laufe der Zeit durch den Massenfluss über ...

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Bauingenieurwesen

Unit 1

Einheit 1

Finite Control Volume Analysis

Finite-Kontrollvolumen-Analyse

KEY TERMS AND CONCEPTS

WICHTIGE BEGRIFFE UND KONZEPTE

Conservation of Mass in Fixed, Nondeforming Control Volume

continuity and velocity in pipe flow

Conservation of mass explains how fluid moves through a fixed control volume such as a pipe or duct. In a fixed, nondeforming control volume, the total mass stays constant unless mass enters or leaves through the control surfaces. For steady, incompressible flow, the mass entering the system equals the mass leaving it.

A sewer pipe is a useful example of this idea. It can be treated as a fixed control volume with inlet and outlet control surfaces around the flow region. Because the fluid is incompressible, its density stays constant as it moves through the pipe.

This makes cross-sectional area an important part of the analysis. Mass flow rate, written as m-dot, depends on fluid density and flow rate. The flow rate is found by multiplying velocity by cross-sectional area, so a change in area must be matched by a change in velocity when density stays the same.

The continuity equation describes this relationship. At the inlet and outlet, V1 and A1 at one end must balance V2 and A2 at the other end for steady flow. If the pipe becomes narrower, the fluid speed increases to keep the mass flow rate constant. This relationship helps predict flow behavior and supports the design of systems that maintain the right flow rate while following mass conservation.

Continuity and Velocity in Pipe Flow

conservation of mass in finite cotrol volume

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Continuity Equation for a Fixed Control Volume

The continuity equation describes conservation of mass for a fixed control volume. In fluid mechanics, a system is a collection of the same contents over time, and its mass stays constant. That idea is the starting point for deriving the equation. To analyze flow, a fixed, non-deforming control volume is chosen so it matches the system at one instant. The Reynolds transport theorem then links the system to the control volume. It shows that the rate of change of system mass has two parts: mass...

conservation of mass in fixed, nondeforming control volume

Conservation of mass explains how fluid moves through a fixed control volume such as a pipe or duct. In a fixed, nondeforming control volume, the total mass stays constant unless mass enters or leaves through the control surfaces. For steady, incompressible flow, the mass entering the system equals the mass leaving it. A sewer pipe is a useful example of this idea. It can be treated as a fixed control volume with inlet and outlet control surfaces around the flow region. Because the fluid is...

conservation of mass in moving, nondeforming control volume

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Stormwater Detention Basin Mass Balance

Stormwater detention basins use mass balance to manage runoff during heavy rainfall. These basins are especially important in urban areas, where impervious surfaces can increase flooding risk. Engineers use the conservation of mass to track how water enters, is stored in, and leaves the basin. In a detention basin, the control volume is the water inside the basin. Its boundaries are the basin walls, the inflow pipes, and the outflow structures. During a rain event, water comes in through the...

linear momentum in control volume

Momentum Balance for Fluid Control Volumes

Linear momentum balance for a fluid control volume links Newton’s second law to moving fluid. The law says that the rate of change of linear momentum equals the sum of the external forces acting on the system. In a fluid system, this idea helps explain how motion and force are related. A control volume can match the fluid system at a specific moment. When that happens, the forces on the control volume and the system are the same. Reynolds transport theorem explains this connection by splitting...

application of the linear momentum equation

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Forces in a 180° Pipe Bend

Forces in a 180-degree pipe bend can be found by applying the linear momentum equation to flowing water. The pipe has a constant cross-sectional area of 0.01 square meters, and the water moves at 15 meters per second. The pressure at the inlet is 0.2 megapascals, and the pressure at the outlet is 0.16 megapascals. The goal is to find the force components in the x and y directions that hold the bend in place. In this case, the flow is only in the y direction at both the entrance and the exit.

moment-of-momentum equation

Wind Turbine Torque and Angular Momentum

The moment-of-momentum equation helps explain how wind turbine blades create torque. Torque is the turning effect of a force around an axis. In rotating systems, this equation links the motion of the wind with the force acting on it. The equation begins with Newton's second law for a fluid particle. That law says the rate of change of linear momentum equals the external force on the particle. To find torque, the position of the particle relative to the rotation axis is combined with that force.

conservation of energy in control volume

Turbine Work from Energy Changes

A turbine can turn fluid energy into shaft work when flow passes through a control volume. The fluid enters the turbine at one point and leaves at another. Under steady-flow conditions, there is no energy buildup inside the control volume, so the stored energy does not change with time. This steady-flow setup makes the energy equation simpler. The turbine is treated as doing mechanical work, and heat transfer is taken as negligible, so Q̇ is approximately zero. The flow at the inlet and outlet...

application of the energy equation

Centrifugal Pump Flow Rate Calculation

Centrifugal pump flow rate can be calculated with the energy equation. In this problem, water moves between two reservoirs at different elevations, and the pump provides the energy needed for the transfer. The pump input is 7500 joules per second, the elevation difference is 10 meters, and the head loss from friction and other resistances is 5 meters. Both reservoirs are open to the atmosphere, so the pressure at the inlet and outlet is the same. That means the pressure terms in the energy...

design example: forces in sluice gate

Sluice Gate Water Pressure and Reaction Force

Sluice gates control water flow in channels, reservoirs, and irrigation systems. They work as vertical barriers with an opening that can be raised or lowered. Changing the opening height changes the water velocity and pressure below the gate. The forces on a sluice gate depend on the water depths upstream and downstream, written as z1 and z2. When the gate is closed, the upstream water depth is greater. That creates a strong pressure difference across the gate and a net force toward the...

key terms and concepts

Learn how mass conservation links pipe area and fluid speed. See why steady, incompressible flow follows the continuity equation in a fixed control volume.

Continuity and Velocity in Pipe Flow | JoVE K12

JoVE Core Civil Engineering provides a foundational exploration of essential construction materials in civil engineering, focusing on bricks, stones, steel, wood, and concrete through easy-to-understand animated videos. This collection covers the properties, manufacturing processes, and practical applications of these materials. Additionally, the accompanied science-in-action videos demonstrate the research experiments performed in laboratories.

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Continuity and Velocity in Pipe Flow

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