4 Гидравлические струи

Поток жидкости, не ограниченный твердыми стенками, называется свободной гидравлической струей. Структура гидравлических струй такова, что если в трубе, насадке или отверстии поток был ламинарным, то и покинув их он остается ламинарным, если был турбулентным, то и в дальнейшем остается турбулентным.

Различают затопленные и незатопленные свободные гидравлические струи. Если струя вытекает в среду однородную или имеющую большую плотность, то такая струя называется затопленной свободной струей. Если же струя вытекает в среду с меньшей плотностью, или в газовую среду, ее называют незатопленной свободной струей.

Свободные гидравлические струи применяют для дробления угля и горных пород, в гидромониторах землесосных установок, при тушении пожаров и др.

Устройствами, формирующими свободные струи, чаще всего служат насадки. Тип насадка зависит от назначения струи. Так например, в дождевальных установках применяют конически расходящиеся насадки; в пожарных брандспойтах и гидромониторах – сходящиеся конические и коноидальные насадки.

4.1 Незатопленные струи

Незатопленная струя, вытекающая из насадка с круглым отверстием в атмосферу, имеет следующую структуру (по длине): l₁ – компактная,l₂ – раздробленная иl₃ – распыленная части струи (рисунок 4.1,а).

В компактной части струи обеспечивается сплошность потока, и струя имеет правильную цилиндрическую форму. В раздробленной части струи обнаруживается нарушение сплошности потока, струя как бы разрывается на крупные части, поперечное сечение ее увеличивается, и она расширяется по отношению к компактной части. Распыленная часть струи состоит из множества отдельных капель, в которые превратился весь поток. При движении струи на нее действуют сила тяжести, силы сопротивления воздушной среды и внутренние силы, вызываемые турбулентным движением жидкости. В момент раздробления струи на мелкие капли начинают проявляться силы поверхностного натяжения. Под воздействием всех указанных сил и происходит разрушение струи.

Рисунок 4.1

В зависимости от назначения струи можно изменять и ее структуру. Например, для разработки грунтов, добычи угля гидравлическим способом или для воздействия на лопатки активной гидравлической турбины требуется струя с хорошо развитой компактной частью, обладающая большой кинетической энергией.

Для образования наиболее эффективной компактной части необходимо уменьшить турбулентность и устранить винтовое движение струи, выходящей из насадка, при помощи выправителей, размещаемых в сопле. Если мы установим распылитель в виде насадка, то струя будет иметь большую компактную часть и большую раздробленную.

На основании опытов с гидромониторными струями Н.П. Гавырин предлагает формулу для определения осевой скорости струи в пределах ее компактной части

, (4.1)

где u– осевая скорость струи;

u_н– скорость струи при выходе из насадка;

d– диаметр струи при выходе из насадка;

­=145 – постоянный опытный коэффициент.

Для вертикальных струй (рисунок 4.1, б)

, (4.2)

где Н_в– высота вертикальной струи;

Н– напор;

 - коэффициент, равный

, (4.3)

где d– диаметр насадка в метрах.

Высота компактной струи Н_кбудет меньше общей высоты струи (рисунок 4.2,б)

Н_к=Н_в.

Величина зависит от высоты струиН_в. Значения в зависимости от высоты струи приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1- Значения  в зависимости от высоты струи Н_в

Нв		Нв		Нв		Нв		Нв	
7.0	0.840	12.0	0.835	17.2	0.815	22.9	0.790	26.8	0.760
9.5	0.840	14.5	0.825	20.0	0.805	24.5	0.785	30.5	0.725

Для наклонных струй расстояния от насадка до границы распыленной части струи приближенно можно определить по формуле (рисунок 4.1,в)

, (4.4)

где ₂– коэффициент, зависящий от угланаклона струи.

Значения ₂при различныхприведены в таблице 4.2.

Таблица 4.2 - Значения ₂при разныхч

, град	2	, град	2	, град	2	, град	2
0	1.40	30	1.20	60	1.07	90	1.00
15	1.30	45	1.12	75	1.03

Для определения дальности боя (дальности полета) гидромониторной струи (рисунок 4.1, в) пользуются опытной формулой Н.П. Гавырина

, (4.5)

где L– дальность боя струи, м;

 - угол вылета струи, град;

d_н– диаметр насадка, мм;

Н– напор при выходе из насадка, м.

Величина L_maxполучается при­=35дляН=10 м и при­=30дляН=35 м.