Глава 3. Течение жидкости через отверстия и щели

В гидравлических приводах машиностроительного оборудования часто встречаются случаи течения жидкости через местные сопротивления, которые представляют собой резкое, внезапное сужение трубопровода на небольшой его длине, или малые по поперечному сечению каналы или щели. К первому типу относятся сопротивления в виде отверстий в тонких стенках. К второму типу относятся гидравлические устройства с малыми зазорами, что часто встречается в уплотнительных конструкциях. Рассмотрим указанные оба случая течения.

1. Течение через отверстия в тонкой стенке.Такими отверстиями называют те, у которых длина отверстия меньше его диаметра (рис. 3.1). Это может быть шайба, у которой длинаl отверстия и толщина самой шайбы меньше диаметраd(рис. 3.1,а), или шайбы, в которых их толщина больше диаметра, но отверстия выполнены с конической частью, в которой угол14(рис. 3.1,б,в).

В таких сопротивлениях при течении жидкости происходит отрыв струи от острой кромки и ее деформирование (сжатие) до размера d_c<d. Степень сжатия струи определяют как отношение площади поперечных сечений струиs_cк площади отверстияs:

. (3.1)

Составим уравнение Бернулли для сечений потока на входе в отверстие 1–1и на выходе из отверстия2–2, приняви:

. (3.2)

После преобразований, с учетом, что , получим

. (3.3)

Последнее выражение не изменится, если в правой части мы введем площади поперечных сечений:

. (3.4)

Из уравнения неразрывности потока имеем . Тогда

. (3.5)

Поскольку , то, т. е. влияниеочень незначительно и мы пренебрегаем им. Тогда можно записать

. (3.6)

Отсюда получим, что

. (3.7)

Площадь поперечного сечения струи с учетом степени сжатия

,

где s₀– площадь поперечного сечения отверстия.

Тогда выражение (3.7) примет вид

. (3.8)

Соотношение коэффициентов обозначают черези называюткоэффициентом расхода сопротивления.

Окончательно поток, проходящий через отверстие в тонкой стенке,

. (3.9)

Разность давлений на входе и выходе сопротивления называютперепадом давления. Поэтому можно заключить, что поток, проходящий через сопротивление, линейно зависит от площади поперечного сечения сопротивления и нелинейно от перепада давления на нем.

Коэффициент расхода устанавливают экспериментально. Для сопротивлений, работающих в минеральных маслах, коэффициент = 0,6–0,7. Он учитывает форму проходного отверстия, неравномерность распределения скорости по поперечному сечению, род жидкости и число РейнольдсаRe.

2. Течение через щели.К этому случаю истечения жидкости относят течение жидкости через плоскую щель (в зазоре между двумя плоскими поверхностями) и кольцевую щель (зазор между двумя цилиндрическими поверхностями) (рис. 3.2).

Поток жидкости, проходящий через плоскую щель,

, (3.10)

где – перепад давления на щели;– динамическая вязкость жидкости;a,bиl– соответственно высота, ширина и длина зазора (щели).

В кольцевом зазоре его высота аобычно значительно меньше диаметраd, поэтому такой зазор можно считать плоским, у которого ширинаb=d,aвысота .

Тогда поток жидкости, проходящий через кольцевой зазор,

. (3.11)

Если же кольцевой зазор не концентричен, то высота зазора

, (3.12)

где е– эксцентриситет; φ – угол определяемый эксцентриситетом на длинеl.

Если ввести понятие относительного эксцентриситета , где , то зазор

.

Поэтому поток жидкости через неконцентрический кольцевой зазор

. (3.13)

Интересно отметить, что если эксцентриситет , т. е. если плунжерlконтактирует со втулкой2(см. рис. 3.2,б) и относительный эксцентриситете= 1, то через такой неконцентричный кольцевой зазор будет идти поток, в 2,5 раза превышающий поток в концентричном зазоре:

. (3.14)

Течение жидкости через малые (микронных размеров) плоские или кольцевые зазоры (капилляры) сопровождается облитерацией, под которой понимают явление уменьшения с течением времени величины потока, проходящего через малый зазор. Облитерация объясняется тем, что при течении жидкости через капиллярные щели на ее стенках откладываются поляризованные молекулы рабочей жидкости. Толщина их слоя может достигать 10 мкм. Кроме того, на стенках щелей могут откладываться также смолоподобные частицы загрязнения рабочей жидкости. Поэтому с течением времени уменьшаются площадь проходного сечения зазора и поток, проходящий через него.

Явление облитерации может наблюдаться также и при прохождении жидкости через отверстия малого диаметра. Для некоторых типов минеральных масел минимальный диаметр отверстия, при котором не наблюдается облитерация, составляет 0,5 мм. Причем замечено, что облитерация идет интенсивнее при возрастании перепада давления на сопротивлении.

Удалить слой молекул со стенок можно путем относительного смещения стенок щели, что достигается созданием осциллирующих движений (с высокой частотой и малой амплитудой) или за счет резкого увеличения перепада давления на зазоре.

Интересно также с точки зрения практической эксплуатации гидроприводов рассмотреть распределение давлений в кольцевых зазорах. При соосном или параллельном расположении втулки 1и плунжера2(см. рис.3.3,а) эпюра давлений в нижнем и верхнем зазорах представляет собой одинаковую трапецию.

Поэтому такое расположение плунжера и втулки не приводит к защемлению плунжера, увеличению сил на перемещение плунжера вдоль оси.

Если же плунжер установлен во втулке с перекосом (см. рис. 3.3, б), то эпюры давлений будут различны по форме: в верхнем зазоре (конфузорном) эпюра выпуклая, в нижнем (диффузорном) — вогнутая. Вследствие этого появится результирующая сила, которая еще больше прижмет плунжер к втулке, увеличит силы страгивания плунжера, т. е. может произойти защемление плунжера. Например, для плунжера диаметром 16 мм при перепаде давления 25 МПа необходимо приложить к плунжеру силу 500 Н, чтобы сдвинуть его.

Гидравлические струи жидкости.Поток жидкости, не ограниченный твердыми стенками, называется струей жидкости.

Различают струи затопленные и незатопленные. Затопленной струей называется струя, окруженная жидкостью. Незатопленной, свободной струей жидкости называется струя, округленная газом, в частности воздухом. К этим струям относятся водяные струи: пожарные, фонтанные, гидромониторные, дождевальные и др.

Рассмотрим структуру затопленной струи (рис. 3.4). Вылетая из специального насадка при очень больших скоростях и давлениях, гидравлическая струя имеет свою определенную структуру.

Рассматривая струю, мы должны различать её границу, т. е. поверхность раздела, отделяющую саму струю от окружающей среды.

Струя– это конус, образующие которого пересекаются в точкеО, называемой полюсом. СечениеI–I, совпадающее с выходным сечением насадка, называется начальным сечением. У начального сеченияI–Iскорости по сечению струи почти одинаковые.

На расстоянии L– распределение скоростей, типичное для однородного потока. СечениеI–Iназывается переходным. Участок длинойLмежду сечениямиI–IиII–IIназывается начальным участком.

Если до переходного сечения скорость на оси струи постоянна, то, начиная от переходного сечения, эта скорость вдоль оси потока падает.

Участок струи за переходным сечением II–IIназывается основным. Основной участок (II–IIиIII–III) характеризуется компактностью струи, уменьшением скорости на оси струи, уменьшением пропорционально длине поля скоростей.

Конечный участок – после сечения III–III, где струя распадается.

Практический интерес представляют величины, определяющие изучаемую струю: расстояние x₀, дающее положение полюса струи; длинаLначального участка; угол, равный половине угла расхождения прямолинейных лучей, ограничивающих струю; радиусR(x) струи на заданном расстоянииRот начального сечения; скоростьV_maxна оси основного участка струи.

Все эти величины могут быть найдены по формулам, имеющимся в технической литературе. В них, кроме радиуса насадка R₀, скорости истечения из отверстияV₀входит экспериментальный коэффициентa, называемый коэффициентом структуры. Он учитывает структуру потока в выходном сечении.