Истечение жидкости из отверстия и насадка

Лабораторная работа № 6

 

основные положения

 

истечение жидкости из малого отверстия характеризуется следующими особенностями (рис.1): струя жидкости на выходе из отверстия сужается, оставаясь сплошной и однородной. а затем происходит изменение формы ее поперечного сечения (инверсия струи) Максимальное сжатие наблюдается на расстоянии около 0,5d

отношение площади сжатого сечения струи ω_с к площади отверстия ω_о называется коэффициентом сжатия ε

Применив уравнение Бернулли для сечений 1-1 и 2-2 (рис. 1 б) можно получить формулу для расчета скорости истечения V -

 

V = φ

 

где φ- коэффициент скорости. равный отношению действительной скорости к теоретически возможной (для идеальной жидкости). H – напор истечения,

g - гравитационная постоянная.

 

Коэффициент скорости в работе определяется по траектории струи (рис. 2 а):

φ = x /(2 )

 

где x- и y- - координаты произвольной точки струи

 

Действительный расход жидкости при истечении определяется по формуле

Q = μω

 

где μ = φε является коэффициентом расхода, характеризующим пропускную способность отверстия или насадка. Очевидно, что он равен отношению действительного расхода к теоретически возможному

Q_т = ω

 

 

Уменьшение действительного расхода жидкости при истечении по сравнению с расчетным вызвано наличием гидравлического сопротивления отверстия или насадка. Величина коэффициента гидравлического сопротивления ξ может быть найдена по формуле

ξ = 1/φ² -1

 

 

где _φ_ - коэффициент скорости, определенный по формуле (2).

 

Насадком называется короткий патрубок (длина = 3,5-6,5 d), присоединяемый к баку с целью увеличения расхода. Насадки бывают цилиндрические, конические (конфузорные и диффузорные), коноидальные, внутренние и внешние и т.д. Наиболее простыми и распространенными являются внешние цилиндрические насадки (рис. 1 б).

Истечение жидкости через такой насадок имеет ряд особенностей. ПРри входе жидкости в насадок, вследствие сжатия струи, образуется область пониженного давления, так называемая вакуумная полость. Она вызывает подсос жидкости из бака. что приводит к увеличению расхода жидкости через насадок по сравнению с отверстием.

Кроме того, коэффициент сжатия струи на выходе из насадка равен единице, поскольку струя выходит полным сечением, поэтому для насадка μ_н =.φ_н

Измерив величину вакуума на входе в насадок p_v=p_атм -p_c можно рассчитать степень сжатия струи внутри насадка

 

ε_c =ω_c/ω_{о =} V

 

 

Здесь ξ- коэффицитент сопротивления входа (принимаем равным ξ = 0,05)

- V - среднерасходная скорость истечения, вычисляемая по формуле (1) с учетом коэффициента скорости _φ_.

Расход через насадок вычисляется по формуле (3) с заменой соответствующим коэффициентом расхода через насадок.

 

Цель работы

 

1. Произвести визуальное наблюдение за особенностями истечения жидкости через круглое отверстие с острой кромкой и внешний цилиндрический насадок. а также за инверсией струи в квадратном.
2. Определить опытное значение коэффициентов скорости, расхода и гидравлического сопротивления для отверстия и насадка.

 

 

Описание лабораторной установки

 

Схема установки приведена на рис. 2. Истечение жидкости происходит через квадратное 5 и круглое 6 отверстия, а также через цилиндрический насадок 7, расположенный на торцевой стенке бака 1.

При открытии вентиля 3 вода поступает из сети в бак и под напором Н вытекает через насадок или отверстие свободной струей. Координата _x_ измеряется с помощью подвижного устройства. установленного на горизонтальной линейке; координата _y_ - расстояние между горизонтальной осьюотверстия или насадка и осью струи -- в данной работе является величиной постоянной = 0,518 м.

Напор истечения принимается 0,62 м

Для определения вакуума внутри насадка применяется жидкостный U- образный вакуумметр, заполненный четыреххлористым углеродом с плотностью ρ_ccl4 = 1586 кг/м3

 

Порядок выполнения работы

 

1. Открыть заглушку на отверстии 5. Постепнно открывать вентиль 3, одновременно

 

Величина	Отверстие	Насадок
Диаметр d? мм
Площадь, ω см2	3,14	3,14
Напор истечения H, м	0,62	0,62
Координата x, м
Вакуум в насадке, мм C Cl4	--------
Напор истечения, м	0,62	0,62
Коэффициент скорости, φ
Скорость истечения, м/с V
Коэффициент расхода
Расход истечения, м3/с
Коэффициент гидравлического сопротивления,
Коэффициент сжатия струи
Коэффициент сжатия струи внутри насадка
Число Рейнольдса
Погрешность определения коэффициента

 

Обработка результатов измерений

1. Определить коэффициент скорости и скорость истечения для отверстия и насадка.
2. Вычислить коэффициент расхода , принимая =0,64 для отверстия и = 1 – для насадка. Определить расход жидкости по зависимости (3)
3. Определить значения коэффициентов сопротивления для отверстия и насадка по формуле (4)
4. Вычислить степень сжатия струи внутри насадка по формуле (5). Использовать соотношение (6)
5. Определить число Рейнольдса и режим течения жидкости
6. Сравнить полученные опытные значения коэффициентов с табличными стандартными значениями. Вычислить относительную ошибку измерения коэффициентов расхода

 

(7)

 

Здесь - абсолютная погрешность, определяемая точностью прибора. В работе можно принять H = 0,5 цены наименьшего деления шкалы прибора (линейки, пьезометра и т.д.) y = 0,1 мм.

 

 

Контрольные вопросы для подготовки

1. Как определяется в работе напор истечения?
2. Что называется инверсией струи и почему она происходит?
3. Почему действительный расход меньше теоретического?
4. Почему образуется и какую роль играет вакуум на входе в насадок?
5. Охарактеризуйте насадки различных типов с точки зрения их пропускной способности и гидравлического сопротивления
6. Почему ?
7. Как определить в работе коэффициент скорости истечения?
8. Как определить степень сжатия струи внутри насадка?
9. Как можно визуально убедиться в наличии вакуума на входе в цилиндрический насадок?