Истечение жидкости через насадки.

Насадками называют короткие трубы, имеющие различные формы живого сечения и постоянные или меняющиеся размеры основного канала по длине. Длину насадков обычно принимают равной трем – пяти характерным размерам живого сечения. Насадки применяют для измерения расхода жидкости, организации направленного слива, создания струй фонтанных, пожарных, гидромониторных и др. Воздействием струй воды приводят во вращение колеса ковшовых гидротурбин, струями высокого давления разрушают твердые горные породы, режут металлы и т.д.

Поток жидкости, поступающий в насадок, в большинстве случаев отрывается от стенки насадка у входа, сужается, расширяется и вновь касается у выхода. Область отрыва заполнена завихренной массой жидкости. В этой области создается пониженное давление, что увеличивает действующий напор, и поэтому коэффициент расхода насадков выше, чем отверстий (рис.).

Рис. Виды насадков: а - внешний цилиндрический (Вентури); б - внутренний цилиндрический (Борда); в – конически расходящийся; г - конически-сходящийся; д - коноидально-расходящийся; е – коноидальный.

Насадок с хорошо закругленными краями (мерное сопло) – наиболее распространенная форма насадка, применяемого для определения расхода жидкости. Фланец насадка заподлицо с днищем устанавливают в мерную емкость. Это мерное устройство называют данаидой. Радиус закругления в насадках принимают равным R=(З...4)d; протяженность цилиндрической части составляет l=0,25d. Такое очертание насадка обеспечивает выход струи без сжатия, т.е. e=1. Коэффициент расхода калиброванного насадка, изготавливаемого из металла, не подвергающегося коррозии, вполне стабилен.

Расход жидкости при помощи данаиды определяют по формуле:

Для насадка Вентури после соответствующих преобразований получим следующие соотношения.

Рис. Схема насадка Вентури.

Скорость потока при выходе из насадка

где j - коэффициент скорости для насадка,

Расход жидкости, проходящей через цилиндрический насадок,

Так как в области выхода потока насадок работает полным сечением, то коэффициент сжатия e=1. Поэтому коэффициент расхода жидкости через насадок равен коэффициенту скорости: mн=j.

Следует заметить, что увеличение длины патрубка приводит к возрастанию V и, соответственно, к уменьшению коэффициента расхода насадка. Поэтому для цилиндрических насадков обычно принимают длину l=(3...4)d, при которой насадок еще работает полным сечением с образованием вакуума, причем величиной V пренебрегают. В случае меньшей длины насадка струя не успевает расширяться до полного её сечения и истечение будет происходить как из отверстия в тонкой стенке. Значения коэффициентов для насадков различных типов можно принимать по табл.

Последняя формула справедлива для насадков всех типов, а также для отверстий в толстой стенке.

Увеличение пропускной способности насадка в сравнении с отверстием происходит за счет образования вакуума в сжатом сечении.

Расход жидкости, проходящей через насадок ,

Заменив в зависимости (I2) hвак на 0,75H0 получим

Сравнивая эти формулы для расхода жидкости через малое отверстие, можно сделать вывод, что в результате образования вакуума пропускная способность цилиндрического насадка увеличивается по сравнению с малым отверстием того же диаметра в тонкой стенке.

В конически расходящихся насадках в области сжатого сечения создается вакуум, как и в цилиндрических насадках, но большей величины. При этом величина вакуума возрастает с ростом угла конусности. При большом угле конусности возможен отрыв струи от стенок насадки и, следовательно, срыв вакуума. Опытом установлено, что оптимальный угол конусности составляет 5-7°. Конически расходящиеся насадки из-за расширения потока отличаются от всех других насадков значительными потерями напора. Расходящиеся насадки имеют малые скорости выхода вследствие увеличения площади поперечного сечения потока.

Конически сходящиеся насадки используют для увеличения скорости выхода жидкости, т.е. создания струй, обладающих большой удельной кинетической энергией. Струи, выходящие из таких насадков, отличаются компактностью и способностью на длительном расстоянии сохранять свою форму, не распадаясь на отдельные капли. Коэффициент расхода насадка зависит от угла конусности и достигает своего максимального значения при угле 13°24', так как в этом случае площадь сжатого сечения оказывается равной площади выходного сечения. При дальнейшем увеличении угла конусности затрачивается энергия на сжатие струи при выходе из насадка и в связи с этим уменьшается коэффициент расхода.

Коноидальный насадок представляет собой усовершенствованный сходящийся насадок. Он выполняется по форме струи жидкости, вытекающей из отверстия, что устраняет сжатие струи и сводит до минимума потери напора.

Явления, происходящие во внутреннем и внешнем цилиндрическом насадке (насадке Борда), аналогичны. Условия входа жидкости в нём несколько хуже вследствие большего изгиба линий тока, поэтому коэффициент расхода внутреннего насадка несколько меньше, чем внешнего.