Истечение жидкости через отверстия и через насадки.

Задача об истечении жидкости через отверстия одна из основных в гидродинамике и сводится к определению скорости истечения и расхода вытекающей жидкости.

В зависимости от размеров и формы различают малые и большие отверстия в тонкой и толстой стенках.

В зависимости от расположения отверстия и условий протекания жидкости различают совершенное и несовершенное, полное и неполное сжатие струи, истечение из затопленного и незатопленного отверстия при постоянном и переменном напоре.

Малым отверстием называется такое отверстие, у которого поперечный размер a <0,1 Н, где Н - действующий напор.

Большим отверстием называется такое отверстие у которого поперечный размер (a)> 0,1Н ( при круглом отверстии a = d).

Стенка считается тонкой, когда отверстие в ней не оказывает влияния на форму и условия истечения струи (толщина стенки δ < 3а).

Стенка считается толстой, когда ее толщина больше в 3 раза поперечного размера отверстия, т.е. δ >3а.

Совершенное сжатиебудет тогда, когда боковые стенки и дно резервуара не влияет на истечение жидкости, т.е. удалены от отверстия на расстояние, превышающее утроенный поперечный размер отверстия ( l > 3а).

Сжатие будет несовершенным, когда одна из боковых стенок резервуара или несколько стенок будут удалены от отверстия на расстояние, меньше утроенного поперечного размера отверстия (l < 3а).

Сжатие струи может быть полным (по всему периметру) и неполным, если отверстия частью периметра совпадают с боковыми стенками или дном резервуара.

С целью увеличения пропускной способности отверстия, уменьшения или увеличения кинетической энергии вытекающей струи применяют насадки.

Насадками называются короткие трубы длиной, равной 3-4 диаметра, присоединенные к отверстию в тонкой стенке какого - либо резервуара. Насадки бывают трех типов: цилиндрические внешние (а), внутренние (б), конические исходящиеся (в) и расходящиеся (г), и конусоидальные (д). Все насадки, как и отверстия, могут работать в затопленном и незатопленном режиме, истечение жидкости через них может быть как при постоянном напоре, так и при переменном.

Насадки применяются в технике для различных целей. Для выпуска жидкости из резервуара и водоемов применяют различные цилиндрические насадки.

Для получения больших выходных скоростей и дальности полета струи жидкости применяют конические сходящиеся насадки в виде пожарных брандспойтов, форсунок для подачи топлива, фонтанных сопел, сопел гидравлических турбин. Наоборот, для замедления течения жидкости и увеличения давления во всасывающих трубах гидравлических турбин, для замедления подачи смазочных масел применяют конически расходящиеся насадки.

 

Рис. 1.46. Типы насадков:

а — внешний цилиндрический насадок (насадок Вентури);

б—внутренний цилинд­рический насадок (насадок Борда);

в — конически расходящийся насадок;

г — ко­нически сходящийся насадок;

д — коноидальный насадок.

 

Внешний цилиндрический насадок (насадок Вентури). Струя жидкости после входа в такой насадок сжимается по периметру, образуя сжатое сечение ω_c. Между стенкой насадка и транзит­ной струей образуется кольцевая вихревая водоворотная зона. Находящийся в этой зоне воздух быстро уносится транзитной струей, давление понижается и образуется вакуум. Значение ва­куума по длине водоворотной зоны изменяется, достигая макси­мального значения в сжатом сечении.

Внутренний цилиндрический насадок (насадок Борда). Этот насадок условием протекания жидкости через него похож на внешний цилиндри-ческий насадок. Отличие заключается лишь в большем сопротивлении при входе в насадок.

Конически сходящийся насадок имеет форму усеченного ко­нуса, суживающегося по направлению выходного сечения, при­чем с изменением угла конусности β изменяются и коэффициенты φ, ε, μ. Так, например, при угле β = 13°24' коэффициент расхода μ достигает максимального значения 0,94, а затем уменьшается с увеличением угла конусности. Коэффициент скорости φ непрерыв­но растет с увеличением угла конусности и при угле β = 49° ра­вен 0,98.

При угле конусности β = 13°24' потери на расширение струи после сжатия практически ничтожны, т. к. в этом случае площа­ди в сжатом и выходном сечении примерно равны. При увеличе­нии угла β сжатие на выходе из насадка увеличивается, а коэф­фициент сжатия ε и коэффициент расхода μ соответственно уменьшаются. Выходящая из конически сходящегося насадка струя характеризуется большой кинетической энергией.

Конически расходящийся насадок способствует отрыву потока от стенок насадка, поэтому величина вакуума, возникающего в сжатом сечении, больше, чем в сжатом сечении внешнего ци­линдрического насадка. С увеличением угла конусности увеличи­вается и значение вакуума в сжатом сечении. Поэтому, чтобы не было срыва вакуума, угол конусности расходящегося насадка принимают в пределах 5°...7°.

В коноидальных насадках вход выполняют по форме вытека­ющей через отверстия струи, а выход — цилиндрическим. За счет такой формы сжатие струи отсутствует, ε = 1 и коэффициента φ = μ = 0,98.

 

Применение насадков. Насадки применяются в технике для различных целей. Для выпуска жидкости из резервуара и водое­мов применяют различные цилиндрические насадки. Для получе­ния больших выходных скоростей и дальности полета струи жид­кости применяют конически сходящиеся насадки в виде пожар­ных брандспойтов, форсунок для подачи топлива, гидромониторов для размыва грунта, фонтанных сопел, сопел гидравлических турбин. Наоборот, для замедления течения жидкости и увеличе­ния давления во всасывающих трубах гидравлических турбин, для замедления подачи смазочных масел применяют конически расходящиеся насадки.