Тема 7. Истечение жидкости через отверстия и насадки

7.1 Классификация отверстий и насадков. Основные характеристики истечения

В практической деятельности часто приходится сталкиваться с многообразными случаями истечения жидкости из отверстий и протеканием ее через короткие патрубки, называемые насадками (в эжекторах – водоструйных насосах, в гидромониторах, гидротурбинах, гидрокарбюраторах, пожарных устройствах и т.д.) Также в инженерной практике встречаются задачи создания водяных завес, быстрого опорожнения резервуаров, конструирования сопел и форсунок. Их решение невозможно без знания процессов истечения жидкостей из отверстий и насадков.

О тверстием в тонкой стенке называется такое отверстие, для которого соблюдается условие δ < 0,2d (рис. 7.1).

Такое отверстие не влияет на форму струи и условия истечения, а создает лишь местные потери энергии, аналогичные потерям при внезапном сужении потока.

Рисунок 7.1 – Схема отверстия в тонкой стенке

На некотором расстоянии от отверстия (обычно равном половине диаметра струи) образуется так называемое сжатое сечение (С-С), в котором заканчивается сжатие струи.

Коэффициентом сжатия струи ε называется отношение площади сечения струи S_c к площади отверстия S:

. (7.1)

Значения коэффициента сжатия струи обычно лежат в пределах [0,64 – 0,60].

Отверстием с полным сжатием струи называется такое отверстие, в котором струя испытывает сжатие со всех сторон.

Отверстием с неполным сжатием струи называется такое отверстие, когда вытекающая из него струя не имеет сжатия с одной или нескольких сторон.

Отверстием с совершенным сжатием называется такое отверстие, при котором стенки резервуара не влияют на условия сжатия струи (кромка отверстия находится на расстоянии более 2 – 3 диаметров отверстия от стенки).

Отверстием с несовершенным сжатием называется такое отверстие, когда не соблюдается условие отверстия с совершенным сжатием.

Для увеличения расхода вытекающей из резервуара жидкости или для увеличения скорости струи применяются разной формы насадки.

Н асадком называется присоединенная к отверстию в тонкой стенке короткая труба, через которую вытекает жидкость (рис. 7.2).

Рисунок 7.2 – Схема насадка

Насадки делятся на три основные группы: цилиндрические (внешние и внутренние), конические (расходящиеся и сходящиеся) и коноидальные с закругленными краями по форме сжатия струи.

В насадке поток состоит из двух самостоятельных частей: центральной, где частицы жидкости перемещаются только поступательно, и окружающей ее водоворотной зоны, где частицы жидкости совершают вращательное движение, а вся зона представляет завихренное пространство (рис. 7.2). Минимальная площадь живого сечения поступательного потока в центральной части S_c называется сжатым сечением.

В водоворотной зоне находятся жидкость и выделившиеся из нее пары и растворенные газы. Завихренная зона образуется в результате изгиба линий токов, вызванного условиями входа жидкости в отверстие. Струя заполняет все сечение насадка не сразу, а лишь на некотором расстоянии от входного отверстия. Зажатый в завихренной зоне воздух довольно быстро увлекается потоком, и на входном участке насадка образуется вакуум, величина которого зависит от скорости движения жидкости или по существу от напора. Вследствие разряжения (вакуума) жидкость подсасывается из резервуара; скорость протекания жидкости в отверстии возрастает ввиду увеличения полного напора, слагающегося из напора над центром тяжести входного отверстия и величины вакуума в сжатом сечении. Вакуум в свою очередь несколько расширяет сжатое сечение. Увеличение скорости протекания жидкости через входное отверстие и увеличение площади сжатого сечения вызывают увеличение расхода через насадок по сравнению с истечением через отверстие в тонкой стенке. Однако наличие насадка ведет к некоторым дополнительным потерям напора, что несколько снижает скорости в выходном сечении. Как будет показано далее, при сравнительно коротком насадке подсасывание жидкости в связи с образованием вакуума оказывает большое влияние на протекание жидкости, чем в какой-то мере возрастающие гидравлические сопротивления в насадке; в конечном итоге расход жидкости через насадок увеличивается. При насадках длиной больше 40 – 50 диаметров эффект подсасывания не компенсирует возрастающие гидравлические потери по длине насадка и расход жидкости через такой насадок оказывается равным или меньшим расхода через отверстие в тонкой стенке.

Следует помнить, что насадок может работать полным сечением (за входным участком) только после предварительного заполнения жидкостью, это необходимо для того, чтобы прекратить поступление воздуха в сжатое сечение.

Цилиндрические насадки бывают внешние (рис. 7.3,а) и внутренние (рис. 7.3,б). Гидравлические сопротивления во внутреннем насадке больше гидравлических сопротивлений внешнего насадка. В нем меньше и вакуум, а следовательно, меньше и расход жидкости. Поэтому, как правило, внешние насадки предпочитают внутренним.

Конический расходящийся насадок (рис. 7.3,в) характеризуется значительными потерями напора ( по сравнению с внешним цилиндрическим насадком) и большим вакуумом в сжатом сечении, вследствие наличия конусности. Но угол конусности должен быть достаточно мал и у таких насадков он составляет 5 – 7⁰. Таким образом, конические расходящиеся насадки применяются при необходимости иметь большую пропускную способность (большой расход) при относительно малых выходных скоростях или при необходимости иметь значительный вакуум (например, в водоструйных и пароструйных насосах).

Конический сходящийся насадок получается путем придания насадку формы конуса, сходящегося по направлению к его выходному сечению (рис. 7.3,г). Применяется насадок данной формы в соплах гидравлических турбин, пожарных брандспойтах, гидромониторах, инжекторах и т.д. Пропускная способность такого насадка имеет наибольшее значение при угле конусности примерно равном 13⁰, т.к. при таком угле площадь сжатого сечения струи примерно равна площади выходного сечения насадка. В применяемых на практике конических сходящихся насадках вакуума не обнаруживается, т.к. скорость струи в их сжатом сечении не больше выходной скорости. Поэтому подсасывания жидкости в таком насадке нет. Также нет увеличения расхода даже по сравнению с истечением жидкости из малого отверстия в тонкой стенке. Струя, выходящая из конического сходящегося насадка, обладает большой удельной кинетической энергией вследствие малой величины гидравлических сопротивлений (∑ξ=0,06 – 0,09), в чем и заключается смысл его применения.

К оноидальный насадок представляет собой усовершенствованный конический сходящийся насадок (рис. 7.3,д). Этот насадок очерчивается по форме струи, вытекающей из отверстия: его входной участок выполняется по сложной поверхности двоякой кривизны, а выходной – имеет цилиндрическую форму, что устраняет недостаток конического сходящегося насадка, заключающийся в сжатии струи жидкости при выходе из насадка. Струя, выходящая из коноидального насадка, обладает еще большей, чем в сходящемся насадке, удельной кинетической энергией, т.к. гидравлические сопротивления в нем очень малы, а расход (в результате отсутствия сжатия) повышен.

Рисунок 7.3 – Виды насадков