Истечение ЛЕКЦИЯ. Истечение жидкости из отверстий, насадков
 Скачать 186 Kb.
|
ИСТЕЧЕНИЕ ЖИДКОСТИ ИЗ ОТВЕРСТИЙ, НАСАДКОВРассмотрим различные случаи истечения жидкости из резервуаров, баков, котлов через отверстия и насадки (коротки трубки различной формы) в атмосферу или пространство, заполненное газом или той же жидкость. В процессе такого истечения запас потенциальной энергии, которым обладает жидкость, находящаяся в резервуаре, превращается в кинетическую энергию свободной струи. 5.1. Истечение через малые отверстия в тонкой стенке при постоянном напоре Рассмотрим большой резервуар с жидкостью под давлением Р0, имеющий малое круглое отверстие в стенке на достаточно большой глубине Н0 от свободной поверхности (рис.5.1).  Рис. 5.1. Истечение из резервуара через малое отверстие Жидкость вытекает в воздушное пространство с давлением Р1. Пусть отверстие имеет форму, показанную на рис.5.2, а, т.е. выполнено в виде сверления в тонкой стенке без обработки входной кромки или имеет форму, показанную на рис.5.2, б, т.е. выполнено в толстой стенке, но с заострением входной кромки с внешней стороны. Струя, отрываясь от кромки отверстия, несколько сжимается (рис.5.2, а). Такое сжатие обусловлено движением жидкости от различных направлений, в том числе и от радиального движения по стенке, к осевому движению в струе.  Рис. 5.2. Истечение через круглое отверстие Степень сжатия оценивается коэффициентом сжатия.  где Sс и Sо - площади поперечного сечения струи и отверстия соответственно; dс и dо - диаметры струи и отверстия соответственно. Скорость истечения жидкости через такое отверстие  где Н - напор жидкости, определяется как  φ- коэффициент скорости  где α - коэффициент Кориолиса; ζ- коэффициент сопротивления отверстия. Расход жидкости определяется как произведение действительной скорости истечения на фактическую площадь сечения:  Произведение ε и φ принято обозначать буквой и называть коэффициентом расхода, т.е. μ = εφ. В итоге получаем расход  где ΔР - расчетная разность давлений, под действием которой происходит истечение. При помощи этого выражения решается основная задача - определяется расход. Значение коэффициента сжатия ε, сопротивления ζ, скорости φ и расхода μ для круглого отверстия можно определить по эмпирически построенным зависимостям. На рис.5.3 показаны зависимости коэффициентов ε, ζ и μ от числа Рейнольдса, подсчитанного для идеальной скорости  где ν - кинематическая вязкость.  
При истечении струи в атмосферу из малого отверстия в тонкой стенке происходит изменение формы струи по ее длине, называемое инверсией струи (рис.5.4). Обуславливается это явление в основном действием сил поверхностного натяжения на вытекающие криволинейные струйки и различными условиями сжатия по периметру отверстия. Инверсия больше всего проявляется при истечении из некруглых отверстий.
Внешний цилиндрический насадок может быть значительно улучшен путем закругления входной кромки или устройства конического входа. На рисунке даны различные типы насадков и указаны значения соответствующих коэффициентов.  а - расширяющиеся конические; б - сужающиеся конические; в - коноидальные; г - внутренние цилиндрические Конически сходящиеся и коноидальные насадки применяют там, где необходимо получить хорошую компактную струю сравнительно большой длины при малых потерях энергии (в напорных брандспойтах, гидромониторах и т.д.). Конически сходящиеся насадки используют для увеличения расхода истечения при малых выходных скоростях. Другие виды насадков применяются для того, чтобы увеличить скорость вытекающей струи или расход (см. рис. 4.24). Конический расходящийся насадок применяется для увеличения расхода жидкости, т.к. отверстие на выходе из насадка больше, чем на входе. Коэффициенты истечения насадка также зависят от угла расширения. При угле расширения α = 6º, μ = φ = 0,47. Эти насадки работают при небольших напорах, т.к. при увеличении напора больше 3 м может быть отрыв струи от стенок насадка. Конический сходящийся насадок применяется для увеличения скорости истечения струи, ее кинетической энергии. Коэффициенты истечения насадка зависят от угла сужения. При угле сужения β = 14º, μ = φ = 0,95. В коноидальном насадке вход изготавливается по форме естественно сжимаемой струи, что обеспечивает уменьшение зоны отрыва и уменьшение сопротивления насадка. Коэффициент расхода μ = φ = 0,98. Комбинированный насадок представляет собой комбинацию коноидального и конического расходящегося насадка. Давление в насадке искусственно снижается, что увеличивает расход через насадок. Использовать такой насадок можно лишь при небольших напорах от 1 до 4 метров, т.к. при больших напорах в насадке возникает кавитация, в результате чего увеличивается сопротивление насадка. Длительная кавитация приводит к разрушению насадка. Насадком называется короткий патрубок, присоединенный к отверстию в тонкой стенке. Длина патрубка  , где d – диаметр отверстия.Насадки делятся на три основных типа: цилиндрические, конические, коноидальные. Цилиндрические насадки (рис.1) делятся на внешние и внутренние.  Рис. 1. Цилиндрические насадки: а – внешний; б – внутренний При движении жидкости внутри насадка образуется сжатое сечение с–с, в области которого наблюдается вакуум. Образование вакуума объясняется тем, что скорость в сжатом сечении больше, чем скорость в месте выхода струи из насадка. Как показывает опыт, при применении цилиндрических насадков пропускная способность увеличивается по сравнению с отверстием в тонкой стенке того же диаметра. Увеличение пропускной способности и является основным назначением этих насадков. Конические насадки (рис. 2) бывают двух типов – расходящиеся и сходящиеся. В конических расходящихся насадках также создается вакуум. При большом угле конусности возможен отрыв потока от стенок и насадок будет работать как обычное отверстие. Конические расходящиеся насадки имеют самые большие потери энергии. Отличительные особенности расходящихся насадков: значительный вакуум, большая пропускная способность, малые скорости выхода. Они применяются там, где требуется значительный вакуум, например в инжекторах, а также там, где требуется малая скорость, например в дождевальных аппаратах.  Рис. 2. Конические насадки: а – расходящийся; б – сходящийся Основным назначением конических сходящихся насадков является увеличение скорости выхода потока с целью создания большой кинетической энергии в струе. Конические сходящиеся насадки применяются в качестве сопел гидромониторов и активных гидротурбин, наконечников пожарных брандспойтов и в других устройствах. Коноидальные насадки представляют собой усовершенствованные конически сходящиеся насадки (рис. 2). Они выполняются по форме струи, выходящей из отверстия, и поэтому потери энергии в них минимальные.  Рис. 3. Коноидальный насадок Коэффициент расхода коноидального насадка является наивысшим. Гидравлический расчет насадков ведется по тем же формулам, что для отверстия в тонкой стенке:  где  и  . Только вместо коэффициента местных потерь следует поставить в формулу для суммарный коэффициент сопротивления где l – длина, d – диаметр входного отверстия насадка. Конические и коноидальные насадки имеют значительно большие расходы по сравнению с цилиндрическими при одинаковом диаметре отверстия, что связано с меньшими сопротивлениями при истечении. В связи с этим конические насадки имеют значительно большие коэффициенты расхода   | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
– заглубление центра отверстия под 
, при
,
– отношение площади струи в сжатом сечении к площади отверстия.
,
– коэффициент сопротивления отверстия.
или 
,
.
,
, тогда
и 
.
,
– площадь сечения отверстия.
,
.
,
– площадь сечения насадка.
Давление на свободной поверхности жидкости –
. Расчетный напор – 
. В сжатом сечении струи 
<
. Разность давления
. При некотором значении Н, которое называется