Истечение через насадки

Выше были рассмотрены случаи истечения жидкости из отверстия в тонкой стенке (если толщина стенки d<0,2d). При значительной толщине стенки характер явлений существенно меняется вследствие влияния, оказываемого на струю толстой стенкой (или короткой трубкой такого же диаметра, что и отверстие). Такие трубки длиной L= (3...5)d называют насадками и они имеют широкое применение.

Наиболее распространены следующие типы насадок: цилиндрический внешний (1), цилиндрический внутренний (2), конический сходящийся (3), конический расходящийся (4) и коноидальные (5), имеющие форму сжатой струи (рис.2.29.).

Рис.2.30.

Рис.2.29.

Рассмотрим (рис.2.30.) истечение жидкости через внешний цилиндрический насадок, представляющий собой короткую цилиндрическую трубку длиной L=(3...4)d, приставленную к отверстию в стенке сосуда. Струя жидкости после выхода из сосуда и входа в такой насадок подвергается некоторому сжатию, затем постепенно расширяется и заполняет все поперечное сечение насадка. Сжатие происходит только внутри насадка, выходное же сечение насадка работает полностью, поэтому коэффициент сжатия, отнесенный к выходному сечению e=1. Многочисленными опытами установлено значение коэффициента расхода m=0,82. Сопоставляя это значение со значением m=0,62 при истечении из отверстия в тонкой стенке: , т.е. расход увеличился примерно на 30%. Т.к. в этом случае e=1, то коэффициент скорости j = m =0,82. Таким образом внешний насадок, увеличивая расход жидкости, значительно снижает скорость истечения. Это объясняется тем, что в месте сжатого сечения струи образуется кольцевая зона a, заполненная жидкостью, находящейся в вихреобразном движении. Наличие вихревой области в сочетании с явлениями сжатия и последующего расширения струи является основной причиной увеличения потерь напора и, следовательно, уменьшения скорости истечения.

Если истечение происходит в атмосферу, то вследствие сжатия струи в начале насадка, давление в вихревой области оказывается меньше атмосферного и в ней создается разрежение (вакуум). Решая уравнение Бернулли для сечений 1-1 и 2-2, можно определить величину вакуума в сжатом сечении:

(при истечении воды в атмосферу через цилиндрический насадок.

При истечении воды предельное значение вакуума равно 10,33 м.в.ст., что соответствует наибольшему возможному напору H=13,7 м. При больших напорах в насадке возможен разрыв струи, и насадок перестает работать полным сечением. Наличием вакуума в насадке можно объяснить увеличение расхода при истечение через насадок по сравнению с истечением из отверстия в тонкой стенке. Благодаря вакууму насадок работает как насос, дополнительно подсасывая жидкость, и расход жидкости возрастает. Аналогичные явления (т.е. сжатие струи на входе и образование вакуума.) происходят и при истечение через другие типы насадок.

Контрольные вопросы

1. Перечислете виды и основные характеристики движения жидкости.

2. Как рассчитать критерий Рейнольдса?

3. Сформулируйте уравнение неразрывности потока жидкости.

4. Чем отличаются уравнения Бернулли для реальной и реальной жидкости?

5. Какие виды гидравлических сопротивлений различают при движении жидкости?

6. Как рассчитать потери напора в местных сопротивлениях?

7. От каких величин зависит коэффициент гидравлического сопротивления при турбулентном режиме движения жидкости?

8. Как рассчитать скорость и расход жидкости при истечении через отверстия и насадки?

Насосы