Исследование истечения жидкости из отверстий и насадки

Исследование  истечения жидкости из отверстий  и насадки 

Распространенная  в инженерной практике задача расчета  истечения жидкости из резервуара через  отверстия и насадки, состоит  в установлении связи между напором  в резервуаре и расходом или скоростью  струи, вытекающей через отверстия или насадки, присоединенные к отверстию в стенке или в днище резервуара.

Малым называется такое отверстие, при расчете  истечения через которое пренебрегают скоростью подхода жидкости и  считают местные скорости жидкости во всех точках сжатого сечения практически одинаковыми, что наблюдается при d= 0,1H, где d - диаметр отверстия, H -напор над центром отверстия.

Стенка считается  в гидравлическом смысле тонкой, если ее толщина (22,5). В этом случае толщина стенки не влияет на истечение жидкости и в расчет принимается только местное сопротивление, возникающее при сжатии струи. В частном случае края отверстия могут иметь заостренную форму (рис.1). Условия истечения жидкости в этих случаях будут совершенно одинаковыми: частицы жидкости приближаются к отверстию из всего прилежащего объема, двигаясь ускоренно по различным плавным траекториям. Струя отрывается от стенки у кромки отверстия и затем несколько сжимается. Узкое сечение С - С, в котором течение имеет параллельно - струйный характер и кривизна тока незначительна, находится на расстоянии (0,51)d от плоскости отверстия. 

Сжатие струи  обусловлено необходимостью плавного перехода от различных направлений  движения жидкости, в том числе  от радиального движения по стенке к осевому движению в струе. Степень сжатия струи характеризуется коэффициентом сжатия, представляющим собой отношение площади сжатого поперечного сечения струи SС к площади отверстия: 

Истечение через  отверстие может происходить  при постоянном или переменном напоре. Если истечение жидкости через отверстие происходит в атмосферу или другую газовую среду, то такое отверстие называется незатопленным. Если истечение жидкости через отверстие происходит под уровень жидкости, а не в атмосферу, то такое отверстие называется затопленным. 

При истечении  жидкости через отверстие различают  полное и неполное сжатие струи. 

Полное сжатие происходит тогда, когда струя сжимается по всему периметру. Неполное сжатие - когда в определенной части периметра отверстия сжатие струи не происходит вследствие примыкания этой части периметра струи к стенке сосуда. 

Полное сжатие струи разделяется на совершенное  и несовершенное. 

Совершенным сжатием  называется такое сжатие, при котором  стенки не оказывают влияния на степень  сжатия струи. Экспериментальные исследования показали, что совершенное сжатие струи образуется при выполнения условия: 

При несовершенном сжатие. 

Запишем уравнение  Бернулли для сечения свободной  поверхности жидкости 0-0 в резервуаре, где давление РА, а скорость можно  считать равной нулю, до сжатого сечения струи С-С где она уже приняла цилиндрическую форму, а давление в ней, следовательно, сделалось равным давлению окружающей среды РА. 

В случае идеальной  жидкости , следовательно, и скорость истечения идеальной жидкости (теоретическая скорость): 

Тогда из формулы  можно заключить, что коэффициент скорости есть отношение действительной скорости истечения к скорости истечения идеальной жидкости (теоретической скорости): 

Действительная  скорость истечения V всегда несколько  меньше идеальной из-за наличия сопротивления, следовательно, коэффициент скорости всегда меньше единицы. 

Это значит, что  коэффициент расхода есть отношение  действительного расхода к теоретическому расходу QТ, который имел бы место  при отсутствии сжатия струи и  сопротивления (теоретический расход). Величина QТ не является расходом при истечении идеальной жидкости, так как сжатие струи будет иметь место и при отсутствии гидравлических потерь. 

Действительный  расход всегда меньше теоретического и, следовательно, коэффициент расхода всегда меньше единицы. 

Как показали результаты экспериментальных исследований, при  истечении через малые круглые  отверстия в тонкой стенке при  совершенном сжатии и турбулентном режиме 

маловязких жидкостей (воды, бензола, керосина и др.) коэффициенты истечения мало изменяются и при расчетах можно принимать следующие их значения: 

Насадком называют короткую трубку длиной (34)d, прикрепленную  к отверстию. Существуют следующие  виды насадков: цилиндрические - внешний  и внешний; конические - сходящиеся и расходящиеся коноидальные диффузорные или комбинированные 

Цилиндрический  внешний насадок, называемый еще  насадком Вентури, широко применяется  на практике, например, в гидротехнических сооружениях. На практике такой насадок  часто получается в тех случаях, когда выполняется сверление в толстой стенке и не обрабатывается входная кромка. Истечение через такой насадок показано на рис. 3а. При входе жидкости в отверстие насадка вследствие изгиба линий токов происходит сжатие струи и на некотором расстоянии от входа в насадке образуется замкнутая отрывная зона. Затем струя постепенно расширяется до размеров отверстия и из насадка выходит полным сечением. Если струя истекает в среду с атмосферным давлением, то в зоне сжатия струи устанавливается (согласно уравнению Бернулли) абсолютное давление меньшее атмосферного, то есть вакуум, так как скорость истечения из насадка меньше скорости в сжатом сечении С-С. Вакуум можно замерить жидкостным вакуумметром, подключенным к сжатой зоне струи 

Если принять  атмосферное давление равным 0,1 МПа, что соответствует 10 м вод. ст., то максимальное (теоретическое) значение вакуума hВАК = 10 м. Это значение вакуума  получится при теоретическом (критическом) значении напора: 

При заданном напоре Н за счет вакуума в зоне сжатия скорость истечения получается больше, чем при истечении из отверстия в тонкой стенке. Вместе с тем присоединение насадка к отверстию дает дополнительные потери по сравнению с истечением жидкости через отверстие без насадка, вызываемые внезапным расширением жидкости внутри насадка и трением потока о его внутреннюю поверхность. Обычно длина насадка Вентури LН = (34)d. При меньших LН зона отрыва может стать незамкнутой (рис. 3ж) и истечение будет происходить как через малое отверстие в тонкой стенке. 

Результаты экспериментальных  исследований в зоне турбулентного  течения показали, что для насадка Вентури 

Таким образом, коэффициент расхода насадка  Вентури примерно на 30% больше, чем  для отверстия в тонкой стенке, соответственно больше будет и расход жидкости при прочих равных условиях. 

Цилиндрический  внутренний насадок имеет большие  гидравлические сопротивления, что  приводит к уменьшению коэффициентов  скорости и расхода. 

Конические сходящиеся насадки применяются для увеличения дальнобойности истечения (пожарные брандспойты, гидромониторы, фонтаны, эжекторы). 

Оптимальный угол конусности 13О24'. 

Конические расходящиеся насадки применяются в случаях, когда нужно за счет уменьшения скорости значительно увеличить давление, например, в реактивных гидротурбинах, центробежных насосах и др. Оптимальное значение угла конусности 5 - 7О. В коническом расходящемся насадке сжатие струи и вакуум больше, чем у цилиндрического внешнего. Потери энергии на внезапное расширение в нем значительно больше потерь в других насадках, что ведет к уменьшению коэффициентов скорости и расхода (коэффициент расхода определяется относительно площади выходного отверстия насадка). 

Коноидальный  насадок имеет входную часть, выполненную по форме струи, что  снижает потери и увеличивает коэффициенты скорости и расхода. Коноидальный насадок еще называется соплом. 

Диффузорный насадок  представляет собой комбинацию коноидального насадка (сопла) и диффузора. Приставка диффузора к соплу влечет за собой снижение давления в узком месте насадка, а, следовательно, увеличение скорости и расхода жидкости через него (увеличение расхода до 2,5 раз по сравнению с соплом). 

Непрерывно увеличивать  расход жидкости через насадки нельзя, так как с ростом расхода увеличивается  скорость в сжатом сечении и, как следствие этого, уменьшается давление. Если абсолютное давление при этом достигает значения, равного упругости насыщенных паров протекающей жидкости при данной температуре, то в данном сечении наступает интенсивное парообразование и выделение растворенных в жидкости газов, то есть местное кипение жидкости. 

Типы насадок. 

В расширяющейся  части струи скорость падает, давление растет и кипение жидкости прекращается (выделившиеся пары конденсируются, а  газы постепенно растворяются). Так  как объем образовавшейся при конденсации жидкости значительно меньше объема, который занимал пар, то в образовавшуюся пустоту устремляется с большой скоростью жидкость, окружающая объемчик пара. Двигающиеся навстречу друг другу частицы жидкости соударяются, образуется гидравлический удар, то есть местное повышенное давление. Такое явление называется кавитацией. Кавитация сопровождается характерным шумом и эрозионным разрушением стенок канала, а также снижением пропускной способности гидравлических систем, так как часть поперечного сечения канала занимает выделившийся пар и растворенные в жидкости газы. 

Описание экспериментальной  установки. 

Вода из напорного  бака подается через вентиль в горизонтально расположенный трубопровод со сменными насадками. В напорный бак вода непрерывно подается из водопровода через вентиль  и успокоительную сетку. Постоянство уровня жидкости в напорном баке осуществляется с помощью переливной трубы  с вентилем. Для определения напора Н служит пьезометрическая трубка со шкалой, имеющей нулевое деление на уровне центра отверстия. 

Для измерения  координат точек вытекающей струи  жидкости используется щит 9 из оргстекла  с нанесенной на нем шкалой. Жидкость стекает в мерный бак 10, а из него в систему слива.

Для контроля температуры  воды в напорном баке имеется термометр 11. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Список литературы 

1. Осипов П.Е.  Гидравлика, гидравлические машины  и гидропривод. М.: Лесная промышленность, 1981, 424 с.

2. Идельчик И.Е.  Справочник по гидравлическим  сопротивлениям. - М.: Машиностроение, 1975, 559 с.

3. Башта Т.М.  и др. Гидравлика, гидромашины и  гидроприводы. - М.: Машиностроение, 1982, 423 с.

4. Лабораторный  практикум по гидравлике, гидромашинам  и гидроприводу / Под ред. Вильнера  Я.М.: Минск, Высшая школа, 1980, 224 с.

5. Лабораторный  курс гидравлики, насосов и гидропередач / Под ред. Руднева С.С. и Подвидза Л.Г. - М.: Машиностроение, 1974, 415 с.