ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего образования

“петербургский государственный университет путей сообщения ИМПЕРАТОРА АЛЕКСАНДРА I”

Факультет «Промышленное и гражданское строительство»

Кафедра «Водоснабжение, водоотведение и гидравлика»

Лабораторная работа «Истечение из внешнего цилиндрическОго насадкА при постоянном напоре»

Выполнил:
Студент группы
	курса					(ФИО студента)
Факультет:
Проверил:
						(ФИО преподавателя)

Санкт-Петербург, 2017

Лабораторная работа «Истечение из внешнего цилиндрическОго насадкА при постоянном напоре»

Цели работы:

1. Ознакомиться с с истечением воды через внешний цилиндрический насадок при постоянном напоре;

2. Опытным путём определить основные коэффициенты, применяемые в расчётах истечений из насадков;

3. Определить величину вакуума в насадке.

Основные теоретические сведения

Насадок - это короткая напорная труба, присоединённая к отверстию для истечения жидкости.

При гидравлическом расчёте насадков учитываются только местные потери напора в них. Очевидно, что это допустимо только для достаточно коротких труб.

На рис. (1) показаны наиболее распространенные виды насадков, которые применяются на практике: I - цилиндрический внешний насадок; II - цилиндрический внутренний; III - конический сходящийся; IV -конический расходящийся; V - коноидальный; VI - комбинированный.

Рис 1. Виды насадков

 Цилиндрические насадки встречаются в виде деталей гидравлических систем машин и сооружений.

Конические сходящиеся и коноидальные насадки применяют для увеличения скорости и дальности полета струи воды (пожарные брандспойты, стволы гидромониторов, форсунки, сопла и др.).

Конические расходящиеся насадки применяют для уменьшения скорости и увеличения расхода жидкости и давления на выходе во всасывающих трубах турбин и др.

В эжекторах и инжекторах также имеются конические насадки, как основной рабочий орган.

Длина цилиндрического насадка l_н обычно назначается в пределах (3…4)d, где d – внутренний диаметр насадка. При этом выходное отверстие насадка работает полным сечением, а потери напора по длине пренебрежимо малы по сравнению с местными потерями напора (h_l << h_м). Если длина насадка превысит (6…7)d, пренебрежение потерями напора по длине станет недопустимым. При этом насадок становится напорным трубопроводом, и расчет его следует выполнять по соответствующим формулам для трубопроводов. Если l_н < 3d, поток не заполняет выходное сечение. Такая труба тоже не является насадком.

Рис. 2. Истечение из цилиндрических насадков

Цилиндрические насадки делятся на:

• внешние (рис. 2,а) - насадок Вентури,

• внутренние (рис. 2,б). насадок Борда.

На рис. 2,а показан продольный разрез потока во внешнем цилиндрическом насадке. В начале насадка происходит резкое сжатие струи под действием сил инерции, действующих на частицы жидкости, движущиеся на подходе к насадку по криволинейным траекториям. Поэтому, так же как при истечении из отверстия в тонкой стенке (см. лабораторную работу «Истечение в атмосферу из круглого малого отверстия в тонкой стенке при постоянном напоре»), образуется сжатое сечение С – С.

После прохождения этого сечения поток расширяется и на выходе из насадка заполняет его поперечное сечение целиком. В кольцевом пространстве между сжатым потоком и стенками насадка образуется водоворотная область. Таким образом, поток в насадке состоит из двух принципиально отличных частей: транзитной струи 1, где частицы жидкости перемещаются только поступательно, и водоворотной области 2, в которой на фоне возвратного движения жидкости наблюдаются локальные пульсирующие завихрения.

Коэффициент сжатия транзитной струи в сечении С–С равен:

где ω_с – площадь живого сечения транзитной струи в сечении С – С; ω – площадь внутреннего поперечного сечения насадка.

Поэтому скорость в этом сечении v_c примерно в 1,6 раза больше, чем скорость на выходе из насадка v_в:

Соответственно удельная кинетическая энергия (скоростной напор) в сечении С – С примерно в 2,6 раза больше, чем на выходе:

Такое различие величин кинетической энергии потока в близко расположенных сечениях должно уравновешиваться соответствующим различием величин потенциальной энергии, т.е. давления. На выходе из насадка давление близко к атмосферному. Следовательно, в сжатом сечении должен быть вакуум, что и подтверждается экспериментально с помощью вакуумметра (обратного пьезометра) 3, присоединённого к насадку в сжатом сечении.

Вакуумметрическая высота в сжатом сечении составляет примерно 3/4 напора.

Расход и средняя скорость потока на выходе из насадка определяются по таким же формулам, как и расход и скорость в сжатом сечении при истечении из малых отверстий в тонкой стенке:

(1)

(2)

Но для цилиндрических насадков коэффициенты расхода и скорости равны, потому что для выходного сечения насадка коэффициент сжатия

(3)

Коэффициент местного сопротивления насадка определяется по формуле:

(4)

Очевидно, что при равных диаметрах насадка и отверстия в тонкой стенке, сопротивление истечению через насадок больше, чем через отверстие. Поэтому

(5)

Вакуум в насадке приводит к тому, что расход воды, вытекающей через внешний цилиндрический насадок, примерно на 33% больше, чем из отверстия:

(6)

Соответственно

Продольный разрез потока во внутреннем насадке в основных чертах такой же, как во внешнем (рис. 1, б).

Расчётные зависимости (1) – (4) справедливы и для внутреннего цилиндрического насадка. Вакуум во внутреннем насадке и коэффициент местного сопротивления больше, чем во внешнем. Суммарное влияние этих отличий приводит к тому, что коэффициент расхода внутреннего насадка становится несколько меньше, чем внешнего, но больше, чем отверстия в тонкой стенке.