2.6.2. Истечение через насадки при постоянном напоре

Насадками называются короткие трубки, длиной 34 диаметра, различной формы, присоединенные к отверстию. Насадки бывают длинные и короткие; внешние и внутренние; по виду отверстия - цилиндрические, конические сходящиеся и расходящиеся, коноидальные насадки.

Коноидальный насадок, или сопло, близок по форме естественно сжимающейся струе. Он очень распространен, так как имеет очень малые потери и поэтому коэффи-циент расхода близок к единице.

Рассмотрим истечение через внешний цилиндрический насадок.

Возможны два режима истечения жидкости через цилиндрический насадок: со сжатием и без сжатия струи.

1-й режим. При входе в насадок струя слегка сжимается, а затем постепенно расширяется до размеров отверстия и выходит полным сечением.

В – область завихренности потока.

Так как коэффициент сжатия струи  = 1, тогда коэффициент скорости равен коэффициенту расхода  = ..

2-й режим. При некотором соотношении l/d и Re наступает 2-й режим истечения, когда струя сжимается и выходит из насадка сжатым сечением.

Напор, при котором происходит переход от одного режима к другому, называется критическим. При напоре, равном критическому, происходит внезапное изменение режима истечения. При Н  Н_кр. 1-й режим истечения невозможен.

Таблица коэффициентов истечения отверстий и насадков

в квадратичной области истечения

Тип отверстия или насадка					Применение
1. Малое отверстие	0,62	0,97	0,64	0,06	В гидравлических системах
2. Внешний цилиндрический насадок	0,82	0,82	1,0	0,5	Для увеличения расхода. Дренаж под дорогами. Водовыпуск из плотин
3. Внутренний цилиндрический насадок	0,71	0,71	1,0	1,0	-  -
4. Конический сходящийся насадок Ө = 15°	0,94	0,96	0,98	0,060,09	Сопла турбин, гидромониторы, брандсбойты
5. Конический расходящийся насадок Ө = 6°1°	0,55	0,55	1,0	34	Отсасывающие каналы гидротурбин
6. Коноидальный насадок	0,98	0,98	1,0	0,030,1	Сопла турбин, гидромониторы, брандсбойты

2.6.3. Истечение при переменном напоре

Рассмотрим истечение жидкости в атмосферу при переменном напоре через донное отверстие сосуда.

sdh = Qdt; sdh =  s_odt; dt = ,

где h – переменная высота уровня жидкости;

dh – изменение высоты жидкости за время dt.

Рис. Схема опорожнения сосуда

Найдем время полного опорожнения сосуда, проинтегрировав выражение dt = f (h):

T ===.

В полученном выражении в числителе – двойной объем сосуда, в знаменателе - расход жидкости в начальный момент истечения при напоре Н.

Вывод: время полного опорожнения сосуда в два раза больше, чем время истечения того же объема жидкости при постоянном напоре Н, равном первоначальному.

2.7. Кавитация в потоке жидкости

2.7.1. Физика явления

Рассмотрим трубу, имеющую зауженный участок.

Запишем уравнение Бернулли в давлениях для сечений 1-1 и 2-2, приняв за плоскость сравнения ось трубы:

р₁ + v₁ ² /2 = р₂ + v₂ ² /2 = р₀ = const – полное давление

В узком сечении скорость резко увеличивается, т.е. увеличивается динамическое давление. Следовательно, статическое давление р уменьшается. Если абсолютное давление р уменьшается до давления насыщенного пара р_н.п. , т.е. при р = р_н.п. , возникает явление кавитации.

Кавитацией называется нарушение сплошности потока жидкости вследствие образования в ней пустот (пузырьков, пузырей, полостей), заполненных паром или газом. При снижении давления до давления насыщенного пара из жидкости выделяются ее пары и растворенные в ней газы. Сначала образуются кавитационные пузырьки, которые при заполнении их газами и парами растут. Они перемещаются потоком жидкости, увеличиваются в размерах, образуют круп-ные пузыри и полости.

Для воды при t = 20С р_н.п. = 2400 Па (для сравнения р_атм = 101320 Па).

Кавитация – это холодное «кипение» жидкости. За зоной кавитации давление растет, рост пузырей прекращается и они мгновенно «схлопываются».

Запишем уравнение Бернулли в напорах для двух произвольных сечений потока реальной жидкости:

z₁ + р₁ /g + v₁ ² /2g = z₂ + р₂ /g + v₂ ² /2 + h_пот = Н = const.

Из уравнения видно, что снижение давления может произойти не только при увеличении скорости движения жидкости, но и по другим причинам. Например. при значительном увеличении геометрической высоты (при чрезмерном поднятии трубопровода), при больших потерях напора (если на трубопроводе много местных сопротивлений), что также может привести к кавитации.