Истечение жидкости через отверстия и насадки

Строительный институт

Кафедра гидравлики

Методические указания

по выполнению лабораторной работы № 6:

«Истечение жидкости через отверстия и насадки»

по дисциплине: ГИДРАВЛИКА

для студентов Строительного института (всех специальностей), Механико-машиностроительного института (специальностей «Наземные транспортно-технологические комплексы», «Технология машиностроения»), студентов ИВТБ специальности «Пожарная безопасность

Выполнил:

студент группы ММ-310001 ……………….

Проверил:

преподаватель Плешков С.Ю.

Подготовлено кафедрой гидравлики

Ó Уральский федеральный университет

имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», 2014

Екатеринбург

Лабораторная работа № 6

ИСТЕЧЕНИЕ ЖИДКОСТИ ЧЕРЕЗ ОТВЕРСТИЯ И НАСАДКИ

Основные положения теории истечения

Истечение жидкости из малого отверстия (рис.1, а) характеризуется следующими особенностями: струя жидкости на выходе из отверстия сужается, оставаясь сплошной и однородной, а затем происходит изменение формы ее поперечного сечения так называемая инверсия струи. Подобное явление происходит благодаря тому, что скорости подхода к отверстию оказываются неодинаковыми для различных участков периметра отверстия; а так же силы инерции движущейся жидкости и силы поверхностного натяжения. Максимальное сжатие происходит на расстоянии приблизительно равном 0, 5× d, где d - диаметр отверстия.

Отношение площади сжатого сечения струи w_c к площади отверстия w_o называется коэффициентом сжатия e.

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

(1)

где j - коэффициент скорости, равный отношению действительной скорости к скорости идеальной жидкости при том же напоре;

H – напор истечения,

g – ускорение свободного падения (рис.4).

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

где x и y - координаты произвольной точки струи.

Расход жидкости при истечении определяется по формуле: (3)

где является коэффициентом расхода, характеризующим пропускную способность отверстия или насадка. Он равен отношению действительного расхода к расходу идеальной жидкости при том же напоре.

1 – бак; 2 – жидкостный U-образный вакуумметр; 3 – вентиль;

4 – круглое отверстие; 5 – квадратное отверстие;

6 – насадок; 7 – зажим; 8 – бак с подкрашенной жидкостью.

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

(4) где j - коэффициент скорости, определённый по формуле (2).

Значения коэффициентов истечения через малое отверстие в тонкой стенке могут быть приняты в следующих пределах: e ₀=0, 64; j₀= 0, 94¸ 0, 96; m ₀=0, 61¸ 0, 62. Эти величины могут служить ориентиром при определении опытных значений коэффициентов истечения.

Насадком называется весьма короткая напорная труба (короткий патрубок для напоров менее 4-х метров его длина l_H ), присоединяемый к баку с целью увеличения расхода. При гидравлическом расчете потерями напора по длине насадка можно пренебречь.

Различают следующие основные типы насадков (рис. 3): внешний цилиндрический насадок (А); внутренний цилиндрический насадок (B); конические насадки: сходящиеся (C) и расходящиеся (D); так называемый коноидальный насадок (E), то есть насадок, имеющий форму струи жидкости, вытекающей из отверстия в тонкой стенке.

В работе испытывается внешний цилиндрический насадок (рис. 1, б). Истечение жидкости через такой насадок имеет ряд особенностей. При входе жидкости в насадок, вследствие сжатия струи, образуется область пониженного давления, так называемая вакуумная полость. Кроме того, струя выходит из насадка полным сечением (коэффициент сжатия струи на выходе из насадка равен единице), поэтому для насадка m_н= j_н и расход по сравнению с отверстием возрастает.

Измерив по вакуумметру (рис. 2) величину вакуума на входе в насадок , можно рассчитать степень сжатия струи внутри насадка:

(5)

Здесь z_ВХ ‑ коэффициент сопротивления входа (принимаем равным z_ВХ = 0, 05);

V ‑ средняя скорость истечения через насадок, вычисляемая по формуле (1) с учётом коэффициента скорости j_н.

Н – напор истечения.

h_CCl4 ‑ вакуум в насадке (показания U-образного вакуумметра 2 (рис. 2)).

r_CCl4 ‑ плотность четырёххлористого углерода.

r_H2O – плотность воды.

Расход через насадок вычисляется по формуле (3) с учетом коэффициента расхода насадка m_н= j_н.

Цель работы

1. Произвести наблюдение за особенностями истечения жидкости через круглое отверстие с острой кромкой и внешний цилиндрический насадок, а также за инверсией струи в квадратном отверстии.
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 4 отверстия, а также через цилиндрический насадок 6, расположенные на стенке бака 1.

Вода заливается в бак через вентиль 3 до уровня свободного перелива, что обеспечивает постоянный напор над отверстием и насадком Н= 0, 62 м. Координата струи х измеряется с помощью подвижного устройства, установленного на горизонтальной линейке. Координата y - расстояние между горизонтальной осью отверстия или насадка и осью струи - в данной работе является величиной постоянной y =0, 525 м (рис.4).

Для определения вакуума внутри насадка используется жидкостный U-образный вакуумметр, заполненный четыреххлористым углеродом с плотностью r _CCl4=1586 кг/м³.

Порядок выполнения работы

1. Открыть вентиль 3 и заполнить бак 1 до начала перелива, то есть установления постоянного уровня .

2. Провести наблюдения истечения жидкости через квадратное отверстие. Зарисовать сечение струи в трех точка, расположенных от отверстия ориентировочно на расстоянии 3 см.; 8 см.; 14 см. Закрыть квадратное отверстие.

3. Открыть клапаны на круглом отверстии и насадке, измерить координаты , установив координатное устройство по возможности в центр струи. (Примечание: из измеренного значения координаты струи, вытекающей через насадок, вычесть длину насадка l_H =8 см.).

4. Измерить с помощью вакуумметра разряжение на входе в насадок h_CCl4.

5. Ослабив зажим на трубке, присоединенной к насадку в месте образования вакуума и соединяющей бачок с подкрашенной жидкостью, наблюдать окрашивание струи краской. Краска подсасывается в насадок вследствие образования вакуума в сжатом сечении. После наблюдений зажим закрыть.

6. Закрыть вентиль 3 и клапаны отверстия и насадка.

ТАБЛИЦА ДЛЯ ЗАПИСИ ИЗМЕРЕНИЙ И РАСЧЁТОВ

Величины	Размерность	Отверстие Кругл. Квадр.	Насадок
Диаметр,	мм	20 20 – сторона квадр.
Площадь,	м2
Напор истечения,	м	0, 62 0, 72	0, 62
Координата,	м
Координата,	м	0, 525 ……	0, 525
Вакуум в насадке,	мм	­
Коэффициент скорости,
Скорость истечения,	м/с
Коэффициент расхода,
Расход истечения,	м3/с
Коэффициент гидравлического сопротивления,
Коэффициент сжатия струи внутри насадка,		­
Число Рейнольдса,

Обработка результатов измерений

1. Рассчитать площадь сечения.

2. Определить коэффициент скорости и скорость истечения для отверстия и насадка.

3. Вычислить коэффициент расхода , принимая - для отверстия и – для насадка.

4. Определить коэффициент расхода и расход жидкости для отверстия и насадка.

5. Определить значения коэффициентов сопротивления для отверстия и насадка по формуле (4)

6. Вычислить степень сжатия струи внутри насадка по формуле (5).

7. Определить число Рейнольдса и режим течения жидкости по формуле

,

т.е. используем скорость без учета коэффициента скорости j, считаем через напор.

Контрольные вопросы для подготовки

1. Что называется инверсией струи? Почему она происходит?

2. Почему действительный расход истечения меньше теоретического (для идеальной жидкости)?

3. Почему образуется и какую роль играет вакуум на входе в насадок?

4. Охарактеризуйте насадки различных типов с точки зрения их пропускной способности и гидравлического сопротивления

5. Почему коэффициент скорости в отверстии больше, по отношению к коэффициенту скорости при истечении через насадок?

6. Почему коэффициент расхода для отверстия меньше, по отношению к коэффициенту расхода при истечении через насадок?

7. Как определяется в работе коэффициент скорости истечения?

8. Как определяется в работе расход жидкости?

9. Как определяется в работе коэффициент сжатия струи внутри насадка?

10. Как можно визуально убедиться в наличии вакуума на входе в цилиндрический насадок?

11. Какова должна быть длина патрубка, чтобы он работал как насадок?