ЛР-7 Федорова В. Т-910

Лабораторная работа «ИСТЕЧЕНИЕ ИЗ НАСАДКОВ»

Цели работы:

1.Ознакомиться 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

Н а с а д о к - это короткая напорная труба, присоединённая к отверстию для истечения жидкости.

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

Длина цилиндрического насадка lн 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 (hl << hм). Если длина насадка превысит (6…7)d, пренебрежение потерями напора по длине станет недопустимым. При этом насадок становится коротким трубопроводом, и расчет его следует выполнять по соответствующим формулам для трубопроводов. Если lн < 3d, поток не заполняет выходное сечение, такая труба тоже не является насадком.

На рис.1 показаны наиболее распространенные виды насадков, которые применяются

Рис 1. Виды насадков

Большое влияние на скорость истечения и расход из насадков оказывает форма входной кромки. Например, плавное закругление на входе (рис.1., V, VI) может полностью устранить внутреннее сжатие струи, что вызывает увеличение скорости и расхода.

Цилиндрические насадки встречаются в виде насадок в фонтанах, а также в виде деталей гидравлических систем машин и сооружений.

Предпочтительнее применение насадков коноидального профиля, однако из-за трудности его практического выполнения чаще применяют конические или цилиндрические насадки, или же комбинированные. Конические сходящиеся и комбинированные насадки применяют для увеличения скорости и дальности полета струи воды (пожарные брандспойты, стволы гидромониторов, форсунки, сопла и др.).

Конические расходящиеся и комбинированные насадки применяют для уменьшения скорости струи и для увеличения площади охвата на выходе (раструбы огнетушителей), а также для увеличения расхода (всасывающие трубы турбин и др.)

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

орган.

Истечение жидкости из цилиндрических насадков представлено на рис.2.

Рис. 2. Истечение из цилиндрических насадков

а – внешний цилиндрический насадок (насадок Вентури);

б – внутренний цилиндрический насадок (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:

= с

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

= с ≈ 0,63, поэтому скорость в этом сечении Vc примерно в 1,6 раза больше, чем скорость на выходе из насадка Vв:

Соответственно, удельная кинетическая энергия (скоростной напор) в сечении С – С будет 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: вак ≈ 3⁄4 Н

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:

Вакуум в насадке приводит к тому, что расход воды, вытекающей через внешний

цилиндрический насадок, примерно на 33% больше, чем из отверстия: н ≈ 1,33 ∙ отв. (6) Соответственно н ≈ 1,33отв.

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.

Выполнение лабораторной работы

Лабораторная установка (рис. 3) предназначена для изучения процессов истечения жидкости в атмосферу. Она представляет собой стальной резервуар 1 с вертикальными стенками, имеющий в плане прямоугольную форму. В одной из стенок имеется устройство 2 для установки внешнего цилиндрического насадка. Специальный затвор, который на рис. 3 не показан, позволяет закрывать и открывать отверстие насадка. Вода в установке циркулирует по замкнутому контуру при помощи насоса 3 и напорного трубопровода 4. Постоянный напор в резервуаре Н поддерживается сливной трубой 5, из которой вода стекает в систему нижних резервуаров.

Рис. 3. Схема установки для изучения работы внешнего цилиндрического насадка.

Для измерения напора Н установлен стеклянный пьезометр 7, снабженный измерительной шкалой. Струя воды, вытекающая из насадка, падает в бак 6.

Для определения расхода воды, вытекающей из внешнего цилиндрического насадка, используется ведро 9, которое наполняется с помощью переносной гибкой трубы 8. Время наполнения ведра замеряется с помощью секундомера. Масса воды в ведре измеряется с помощью весов 10, после чего пересчитывается в объём.

Величина вакуума в насадке определяется вакуумметром 11.

Порядок выполнения лабораторной работы

1.Установка заранее наполняется водой.

2.Включается насос 3, о наполнении резервуара 1 свидетельствует вытекание воды из сливной трубы 5.

3.В устройство 2 вставляется фланец с круглоцилиндрическим внешним насадком, имеющим внутренний диаметр d = 2 см.

4.Открывается затвор, через который вода поступает в насадок, и начинается истечение. При этом насадок должен работать полным сечением. Если этого не наблюдается, следует закрыть затвор и вновь открыть его резким движением рычага.

5.Измеряется напор Н по шкале пьезометра

6.К насадку присоединяется вакуумметр, измеряется вакуумметрическая высота hвак по шкале вакуумметра.

7.На весах 10 определяется масса М0 пустого ведра 9.

8.Струя направляется в ведро 9 с помощью трубы 8. Одновременно включается секундомер. После достаточного наполнения ведра труба убирается и одновременно выключается секундомер.

9.Определяется масса М ведра с водой на весах 10.

10.Закрывается затвор, через который вода поступает в насадок.

11.Результаты всех измерений записываются в табл. 1.

Обработка результатов измерений

ω – площадь поперечного сечения насадка,см2, = 42; Н – напор перед насадком, см; g – ускорение свободного падения, g = 9,82 м/с2 = 982 см/с2;

4.Определить коэффициент местного сопротивления насадка, учитывая, что при ε=1 коэффициенты скорости и расхода равны между собой (φ = μ) по формуле:

Лабораторная работа

«ИСТЕЧЕНИЕ ИЗ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ НАСАДКОВ ПРИ ПОСТОЯННОМ НАПОРЕ»

Вопросы к защите лабораторной работы

1.Что такое насадок? Какие потери напора учитываются/не учитываются при гидравлическом расчете насадков? Напишите соотношение d/l для насадка.

2.Классификация насадков, их применение.

3.Нарисуйте схему продольного разреза струи во внешнем цилиндрическом насадке и поясните ее. Почему происходит сжатие струи в насадке?

4.Как определить величину вакуума в насадке?

5.Напишите, чему равен расход жидкости, проходящий через насадок. Поясните входящие в нее величины и единицы их измерения.

6.Назовите основные коэффициенты, применяемые при расчёте истечения из насадков.

7.Для чего применяется формула н = н √2? Поясните входящие в нее величины и единицы их измерения.

8.Почему расход жидкости, истекающий из насадка, больше, чем расход жидкости, истекающий из малого отверстия такого же диаметра (при прочих равных условиях)?

Литература

1)Чугаев, Р. Р. Гидравлика (техническая механика жидкости): учеб.для вузов – изд. 6-е, репринтное – М. : ООО «ИД «БАСТЕТ», 2013. – 672 с.: ил.

2)Моргунов, К.П. Гидравлика. [Электронный ресурс] — Электрон. дан. —

СПб.: Лань, 204. — 288 с. — Режим доступа: http://e.lanbook.com/book/51930

— Загл. с экрана.

3)Гидравлика [Текст] : методические указания к лабораторным работам / , ФГБОУ ВПО ПГУПС, каф. "Водоснабжение, водоотведение и гидравлика"; сост. А. Б. Пономарев, Е.В. Русанова [и др.] ; под общ. ред. В. И. Штыкова. - Санкт-Петербург : ФГБОУ ВПО ПГУПС, 205. - 56 с. : ил