文丘里效應(yīng)（Venturi effect）又稱“文氏效應(yīng)”，是一種關(guān)于受限流體在通過縮小的過流斷面時，流體會出現(xiàn)流速增大的現(xiàn)象。該現(xiàn)象是由意大利物理學(xué)家吉?dú)W瓦尼·巴提斯塔·文丘里（Giovanni Battista Venturi）提出并以其命名的。
基于1726年由瑞士數(shù)學(xué)家丹尼爾·伯努利（Daniel Bernoulli）發(fā)現(xiàn)了伯努利定律（Bernoulli's principle），1797年意大利物理學(xué)家文丘里在此基礎(chǔ)上提出了文丘里效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)了收縮通道對流體流動的影響，并據(jù)此研發(fā)了文丘里管。
文丘里效應(yīng)廣泛的應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，因為狹窄部分內(nèi)的壓力降低既可用于測量流體流量，又可用于移動其他流體（例如在真空噴射器中）：如加油氣壓設(shè)備中的準(zhǔn)備單元的加油嘴應(yīng)用了文丘里效應(yīng)；某些機(jī)械構(gòu)件及建筑物的通風(fēng)也都用到了文丘里效應(yīng)；基于文丘里效應(yīng)制造的設(shè)備設(shè)施也有很多，如文丘里水膜除塵器、文丘里擴(kuò)散管、文丘里收縮管等。
簡史
文丘里效應(yīng)是基于伯努利原理的基礎(chǔ)上被發(fā)現(xiàn)的；吉?dú)W瓦尼·巴提斯塔·文丘里（Giovanni Battista Venturi）于1797年首先注意到收縮通道對流體流動的影響。如果流體水平流動，在重力勢能不發(fā)生變化的情況下，那么流體壓力的降低與流體速度的增加有關(guān)；因此如果流體流過橫截面積不同的水平管道，則流體在狹窄區(qū)域加速，從而使流體施加的壓力在橫截面最小的地方最小。
原理
文丘里效應(yīng)的原理為：流體在直徑不同的導(dǎo)管內(nèi)流動時的表現(xiàn)不同，在最寬處所產(chǎn)生的跨壁壓最大而流量最小，動能也最小；在最窄處的跨壁壓最小，但流量最大，動能也越大。超過狹窄點(diǎn)，當(dāng)直徑恢復(fù)到初始水平時，跨壁壓也恢復(fù)至初始值。而拉瓦爾噴管則是一種氣體或蒸汽在其中作超臨界膨脹的噴管，即其出口處的速度比音速要大。
如下圖所示為流體密度，A為面積，為速度。流體在入口和出口的參數(shù)為（，，），而在收縮處為（，，）。由于能量守恒，收縮處的壓力會下降，如圖中容器水柱高度所示。流體在進(jìn)入收縮處時動能增加、壓力下降。
而伯努利原理推導(dǎo)過程如下：假設(shè)理想流體在重力場中沿著一根流管作穩(wěn)定流動，如圖所示，取管中的任意一 段流體為研究對 象，在經(jīng)過一個非常短的時間后，這段流體由流動到了；則有這段時間內(nèi)段流體總的機(jī)械能的增量
兩側(cè)外力對所研究液體所做的功為
根據(jù)功能原理，
則
用替換，將上式消掉V并移項可得
也可以表述為（式中C為常數(shù)）。
適用條件
伯努利原理最為著名的推論為：只有對定常流動不可壓縮的無粘流體，且在同一條流線上，才會有流速大的地方壓強(qiáng)小。
測量
文丘里水槽
1910年美國開始研制測量明溝中水流量的槽式流量計；1922年帕歇爾將原文丘里水槽改革為帕歇爾水槽。
矩形的量水槽
如圖所示，在矩形水路中，水路中途的寬度狹小，而且在水路的底部設(shè)置隆起物。流量為的水流過此水路時，取水路的底部為基準(zhǔn)面，當(dāng)伯努利方程適用時，可得（19）
這里為比能量（單位重量的水具有的總能量）；為重力加速度；在水流截面1和截面2處的截面積為和。將上式整理可得；
如圖所示的水路中，，，因此可得（20）
在實(shí)際水路中，由于下流側(cè)的水位影響上流側(cè)，所以測量精度不高。
如圖所示水路的節(jié)流部位（把這里叫做喉管），若使水流由穩(wěn)定流變?yōu)樯淞鳎瑒t下流側(cè)的水位影響不向上流側(cè)傳去。因此只要測量上流側(cè)的水位就可以求流量。從穩(wěn)定流變?yōu)樯淞鲿r的流動叫做臨界流，臨界流處的水深叫做臨界水深，而在矩形截面的水路中，水力學(xué)中成立（21）
式中，為臨界流時的流速，它與波的傳播速度相等；為臨界水深；為重力加速度。
另一方面在臨界水深處的水流截面積若為，則得（22）
臨界水深處為截面2的話，。因此取為流量系數(shù)可得（23）
臨界流水槽
由于臨界水深的位置隨著除流量以外的其他條件而變，且不能限定在某個一定的位置上，因此正確測定臨界水深是很困難的。由式（19）和（20）可導(dǎo)出（24）
矩形截面的臨界流水槽
在ISO標(biāo)準(zhǔn)1438-1975中，（26）
將式（24）變形代入（23）可得
但（27）
以上數(shù)據(jù)
文丘里管
文丘里管是文丘里發(fā)明的用于測量管路中流體流量的儀表，它由漸縮管、喉管和漸擴(kuò)管組成，在文丘里管入口前的直管段和喉管處連接U形管壓差計，如圖所示，其后部的漸擴(kuò)段可使流體逐漸減速，減小了湍流度，從而可降低壓頭損失。
在水平基準(zhǔn)面上取1、2兩點(diǎn)，對于這兩點(diǎn)所在的有效截面列出伯努利方程（58）
根據(jù)不可壓縮管道流體的連續(xù)性方程式，兩個截面的面積與通過截面的流體流速關(guān)系為（59）
將式（59）代入式（58）得（60）
式（60）中的壓力差可用U形管中液柱的高度差表示（61）
式（61）中的和分別表示待測流體和U形管中的流體密度，所以（62）
通過管子的流體流量為（63）
以上數(shù)據(jù)
文丘里流量計
文丘里流量計是用來測量管路中流體的流量，它由漸縮管A、喉管B和漸擴(kuò)管C三部分組成。
流量
假定無黏性流體在此管路中作定常流動，在漸縮管和喉管上各按照一根測壓管，并設(shè)置水平基準(zhǔn)面O——O，取過流斷面1——1及2——2，列伯努利方程
代入上述伯努利方程，得
設(shè)，
則
k稱為儀器常數(shù)，對于某一固定尺寸的文丘里流量計，k為常數(shù)。故流體流量為
由于沒有考慮能量損失，上式計算得到的值將大于實(shí)際流量，加以修正后得
式中μ稱為文丘里流量計的流量系數(shù)，其值與管子的材料、尺寸、加工精度、安裝質(zhì)量、流體黏性及其運(yùn)動速度等因素有關(guān)，只能通過實(shí)驗來確定。一般情況下μ約在0.95-0.98之間。
壓差
文丘里流量計的流量與壓差的關(guān)系一般按流動方程推導(dǎo)后再用流量系數(shù)修正。在層流區(qū)( 雷諾數(shù)Re≤2000) ，阻力系數(shù)λ=，阻力損失hf=，即hf ∝ v。因Q ∝ v，hf ∝ Δp，所以Δp∝Q，即層流時壓差與流量理論上是一個線性關(guān)系。在湍流區(qū)，當(dāng)Re 增大到一定程度時，阻力系數(shù)λ 與Re的大小無關(guān)，阻力損失hf ∝ v2 ( 阻力平方區(qū)) ，或?qū)懗搔∝Q2，即湍流阻力平方區(qū)壓差與流量理論上是一個二次函數(shù)關(guān)系。因此，可假定壓差Δp 與流量Q 滿足冪次關(guān)系Δp ∝ Qm。
應(yīng)用
風(fēng)力發(fā)電機(jī)
其原理通過“文丘里效應(yīng)”實(shí)現(xiàn)風(fēng)速的提高，風(fēng)進(jìn)入文丘里管內(nèi)，隨著管道橫截面積逐漸縮小，從而使風(fēng)速迅速增加，使風(fēng)在內(nèi)部產(chǎn)生變化，聚集的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪快速轉(zhuǎn)動，從而使風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電功率大大增加，達(dá)到高效微風(fēng)發(fā)電的目的。當(dāng)風(fēng)通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)后，到達(dá)出風(fēng)口位置，同樣利用“文丘里效應(yīng)”增加風(fēng)通過的面積，從而降低出風(fēng)的速度，減少了內(nèi)部空氣與外部空氣的相對阻力，使得出風(fēng)口更容易排風(fēng)。
鉆井工具
文丘里效應(yīng)在井下自循環(huán)粒子射流鉆井中的作用：鉆井液通過鉆柱到達(dá)上噴嘴，經(jīng)過噴嘴加速產(chǎn)生高速射流，由于卷吸作用，在噴嘴出口處的進(jìn)液腔內(nèi)形成低壓區(qū)，環(huán)空中帶有巖屑的鉆井液通過進(jìn)液口被吸入到工具內(nèi)；射流外圍的液體與吸入的鉆井液發(fā)生動量交換，這2 股流體在喉管入口段及喉管內(nèi)混合，進(jìn)行能量和質(zhì)量傳遞，從噴嘴噴出的鉆井液速度降低，被吸入流體的速度增大，兩者的速度在喉管某一部位趨于一致；從喉管噴出的液體流經(jīng)擴(kuò)散管，最后從下噴嘴噴出。工具可以利用環(huán)空中的巖屑作為沖擊粒子，省去外加粒子的設(shè)備，其結(jié)構(gòu)簡單，不易發(fā)生井下事故。部分鉆井液被吸入工具內(nèi)部，可降低鉆頭的壓持效應(yīng)。文丘里管特殊的結(jié)構(gòu)，可降低壓耗損失，減少液體回流。
醫(yī)療應(yīng)用
文丘里管道可能適用于腔靜脈血液對沖以及下腔靜脈吻合口在上腔靜脈左側(cè)的患者，而對于下腔靜脈吻合口在右側(cè)的患者，文丘里管道可能會干擾靜脈血回流，造成腔靜脈壓力升高；文丘里管可以降低腔靜脈壓力，輔助靜脈血回流，形成右心室樣作用，說明該文丘里管道具有一定的臨床應(yīng)用潛力。
流量計
依據(jù)伯努利定律可知流速的增大伴隨流體壓力的降低，即受限流動在通過縮小的過流斷面時流體出現(xiàn)流速增大的文丘里效應(yīng)，根據(jù)該效應(yīng)，可通過河段文氏等效，獲得估算的天然河流水體流量；特別對于高洪期間各種測流儀器設(shè)備無法施測的情況下，利用該方法對洪峰流量進(jìn)行估算比較方便和精準(zhǔn)。
霧化噴頭
農(nóng)用氣液兩相噴頭是基于文丘里原理設(shè)計的，噴頭出口平面中心區(qū)域的氣流速度達(dá)到亞音速和超音速，噴頭出口的氣流速度隨著兩相壓力的增加而增加；當(dāng)氣相入口壓力一定時，液相入口壓力的增大可使噴頭下方兩側(cè)氣流朝噴頭軸向集中，噴口中心區(qū)域氣流速度的實(shí)測值與仿真值的相對偏差≤10％，仿真結(jié)果真實(shí)可靠。所設(shè)計的噴頭霧化性能優(yōu)異，可獲得煙霧級霧滴，適用于在設(shè)施農(nóng)業(yè)中進(jìn)行整棚彌散性噴霧防治病蟲害。
類似現(xiàn)象
“昌”字效應(yīng)
“昌”字效應(yīng)用于平面上沿軸線鋪開的建筑體量之間一一在建筑物采用兩個或多個天井相連接的模式下，當(dāng)風(fēng)向從南天井吹向北天井時，天井之間的自然通風(fēng)量增加；反之，自然通風(fēng)量減少。應(yīng)用于建筑布局，通常冬季主導(dǎo)風(fēng)向和夏季主導(dǎo)風(fēng)向相反，那么把較大的天井布置在夏季主導(dǎo)風(fēng)方向（南），則夏天氣流增強(qiáng)，冬天氣流減緩，室內(nèi)環(huán)境因此冬暖夏涼。
煙囪效應(yīng)
在建筑內(nèi)，空間中高差產(chǎn)生的溫度差、密度差會引起的空氣向上流動，這種現(xiàn)象通常被稱為煙囪效應(yīng)；它在建筑中主要起到拔風(fēng)作用。當(dāng)“煙囪”迎著當(dāng)?shù)刂鲗?dǎo)風(fēng)向時，風(fēng)會被引入建筑內(nèi)，這時空氣流動方向會與拔風(fēng)時的方向相反，常被稱為捕風(fēng)。
參考資料 >
Venturieffect.Britannica.2024-01-28
文丘里管.四川科技館.2024-01-28
venturi tube.britannica.2024-01-31
加油槍中的物理學(xué).網(wǎng)易.2024-01-31
當(dāng)大運(yùn)建筑遇上傳統(tǒng)文化，這些設(shè)計巧思你get到了嗎？.今日頭條.2024-01-31
Bernoulli’s theorem.Britannica.2024-01-29