Основные определения истечения через насадки

Насадки широко применяются в различных областях техники для увеличения расхода, вытекающего из отверстия в тонкой стенке, получения струи большой кинетической энергии, создания эффекта инжекции, увеличения расхода с одновременным уменьшением кинетической энергии вытекающей струи и т.д.

Наибольшее распространение получили следующие типы насадок: внешняя цилиндрическая, конически сходящаяся, конически расходящаяся, коноидальная.

Расход и скорость истечения жидкости из насадок определяются по тем же формулам, что и при истечении из отверстий, то есть:

где: m - коэффициент расхода насадки,

w - площадь выходного сечения насадки,

j - коэффициент скорости насадки.

Рассмотрим основные гидравлические показатели различного типа насадок и особенности истечения жидкости из них по сравнению с истечением из малого отверстия в тонкой стенке.

Характеристики насадок

Внешняя цилиндрическая насадка (рис. 3.1).

По опытным данным истечение из внешней цилиндрической насадки характеризуется следующими гидравлическими показателями:

e = 1,00; j = 0,82; m =0,82; z = 0,50.

Сравнивая их с соответствующими показателями при истечении из малого отверстия в тонкой стенке, видим, что при всех прочих равных условиях, наблюдается увеличение расхода на 32%(увеличение коэффициента расхода m от 0,62 до 0,82).

Это обусловлено следующими особенностями истечения жидкости из насадки. Струя жидкости при входе в насадку, обтекая входную кромку, сжимается до сечения w_с, как и при истечении из отверстия. Затем она расширяется, заполняя все сечения насадки, и выходит из насадки без сжатия (e = 1,00). Сжатие, а затем расширение струи на коротком участке насадки вызывает, с одной стороны, увеличение гидравлических сопротивлений (возрастание коэффициента сопротивления), связанное с этим уменьшение скорости истечения жидкости (уменьшение коэффициента скорости). С другой стороны, сжатие струи и возрастание скорости в сжатом сечении вызывает понижение давления в начале насадки - возникновение вакуума, т.е. области, в которой давление ниже атмосферного. Наличие вакуума h_в в насадке обусловливает подсасывание жидкости из резервуара, что равносильно повышению напора над центром отверстия на указанную величину. Это и является причиной существенного увеличения коэффициента расхода

Рис. 3.1

Коническая сходящаяся насадка (рис.3.2, а)

Гидравлические показатели насадки зависят от угла конусности a и по опытным данным являются наилучшими при a = 13°24’, имея следующие значения

Рис. 3.2

e = 0,98; j = 0,96; m = 0,95; z =0,08.

Струя, вытекающая из насадки, обладает большим запасом кинетической энергии, отличается компактностью и способностью сохранять свою форму на значительном расстоянии, не распадаясь на отдельные капли. Это обуславливает широкое применение конически сходящихся насадок в пожарных брандспойтах, моечных установках, гидромониторах, водоструйных насосах (эжекторах) и т. п.

Коническая расходящаяся насадка (рис. 3.2,б)

Истечение из насадки характеризуется наличием значительного вакуума во входной части. Величина вакуума зависит от угла конусности a. Во избежание отрыва струи от стенок насадки угол конусности не должен превышать 5…7°. Сжатие струи в выходном сечении отсутствует. Гидравлические показатели имеют следующие значения:

e = 1,0; j = 0,46; m = 0,46; z = 3,75.

Гидравлические потери в насадке значительны и скорость вытекающей струи более чем в два раза меньше, чем при истечении из отверстия в тонкой стенке. Благодаря наличию значительного вакуума, насадка интенсивно "подсасывает" жидкость из резервуара, увеличивая расход. Если отнести коэффициент расхода m не к выходному, а к входному сечению насадки он резко возрастет и будет иметь значение большее единицы. Конические расходящиеся насадки широко применяются в гидравлических системах для получения больших разрежений (эжекторы, карбюраторные устройства, водоструйные насосы и пр.), пропуска больших расходов при относительно малых выходных скоростях.

Коноидальная насадка (рис. 3 – 2,в)

Коноидальная насадка имеет очертание по форме струи, вытекающей из отверстия в тонкой стенке. В связи с плавным входом жидкости в насадку гидравлические потери в ней незначительны, а коэффициенты скорости и расхода велики. Насадка характеризуется следующими гидравлическими показателями:

e = 1,0; j = 0,98 (до 0,99); m = 0,98 (до 0,99); z = 0,06.

Струя, вытекающая из коноидальной насадки, обладает кинетической энергией большей, чем у конически сходящейся насадки.

4.4. ИСТЕЧЕНИЕ ЖИДКОСТИ ИЗ ОТВЕРСТИЙ ПРИ ПЕРЕМЕННОМ НАПОРЕ.

Основная задача расчета – определение времени понижения или повышения уровня жидкости в резервуаре.

Рис. 3.3

В случае, когда сечение резервуара постоянно - W = const, можно получить формулу в конечном виде (при постоянном Q_пр= Q₁ < Q_ист= Q₂):

Здесь H_пр – напор, при котором отверстие или насадка пропускает расход жидкости Q_пр

При отсутствии притока (Q_пр = 0) и H_пр = 0. Тогда

При полном опорожнении (H₂ = 0)

4.5. СТРУЙНЫЕ ТЕЧЕНИЯ

Классификация струй

Струями называют конечные потоки жидкости или газа неограниченные твёрдыми стенками. Струйные течения (струи) широко распространены как в природе, так и в технике. Теория струй является одной из базовых в таких отраслях как судостроение, авиация, реактивные аппараты, пожаротушение, разработке полезных ископаемых.

Струйные течения сильно отличаются как по структуре движения, так и величине параметров, их определяющих. Учитывая различные признаки, струи можно классифицировать так:

по плотности вещества струи и среды:

- незатопленные свободные,