Истечение жидкости через отверстия и насадки при постоянном напоре

Этот случай движения жидкости характерен тем, что в процессе истечения запас потенциальной энергии источника переходит в кинетическую энергию струи. Законы истечения находят применение при подаче топлива через форсунки, образовании рабочей смеси в карбюраторе, течение жидкости в жиклерах, в системах управления.

Основной вопрос раздела – определение скорости истечения и расхода жидкости для различных форм отверстий и насадков.

Отверстие, вертикальный размер которого не превышает 0, 1 H, называется малым. Напор Н измеряется от центра тяжести отверстия до свободной поверхности жидкости.

На расстоянии (0, 5 ÷ 1, 0) d устанавливается сжатое сечение, где движение будет плавно изменяющимся. Если ни дно, ни стенки сосуда не оказываю влияния на истечение, то такое сжатие называют совершенным, если одна из кромок отверстия совпадает с направляющей, то сжатие неполное.

Степень сжатия струи характеризуется коэффициентом сжатия:

(1)

где ω _c – площадь сжатого сечения;

ω – площадь отверстия.

Скорость и расход определяются из уравнения Бернулли, записанного для сечений 1–1 и 2–2, относительно плоскости сравнения 0 – 0, проходящей через центр тяжести отверстия:

(2)

(3)

где φ – коэффициент скорости;

– коэффициент расхода.

При турбулентном режиме:

- коэффициент сопротивления для малого отверстия равен ζ = 0, 05;

- коэффициент расхода μ = 0, 6 ÷ 0, 62;

- коэффициент скорости φ = 0, 97 ÷ 0, 98;

- коэффициент сжатия ε = 0, 64.

При числах Рейнольдса Re < 10⁵ коэффициенты истечения зависят от величины Re и определяются по справочным данным.

Насадком называется короткая напорная труба длиной l = (3 ÷ 4) d, присоединенный к отверстию. При гидравлическом расчете насадка учитываются только местные потери напора (потерями напора по длине пренебрегают ввиду их малости).

Насадки делятся на 3 основных типа:

1. цилиндрические – внутренние и внешние

2. конические – расходящиеся и сходящиеся

3. коноидальные

Насадки увеличивают пропускную способность отверстия и придают вытекающей струе определенные свойства.

Скорость на выходе из насадка и расход определяются по формулам (2) и (3). Так как насадок работает обычно полным сечением, то коэффициент сжатия ε = 1, 0, а коэффициент расхода μ = φ. Коэффициент истечения μ, φ, ε и ζ для различных насадков определяются по справочным данным в зависимости от типа насадка.

При некотором критическом напоре Н _кр абсолютное давление внутри насадка p ₁ становится равным давлению парообразования или при p ₂ > > p_n ≈ 0. Тогда

При Н = Н _кр происходит изменение режима истечения. Второй режим характеризуется тем, что струя после сжатия уже не расширяется, а сохраняет цилиндрическую форму и перемещается в насадке, не соприкасаясь с его стенками. Истечение становится таким же, как из отверстия в тонкой стенке.

Если истечение воды происходит в атмосферу, то

При истечении под уровень при Н > Н _кр начинается кавитационный режим истечения, при котором расход перестает зависеть от p ₂, т.е. получается эффект стабилизации расхода.

Основные недостатки цилиндрического насадка:

1. двойственность режима, а, следовательно, двузначность расхода.

2. возможность кавитации

Методы улучшения: закругление входной кромки.