Тема 5 Истечение жидкости через отверстия и насадки

Цель: Ознакомить с видами истечения жидкости через насадки различных видов, областью их применения методами расчета.

План:

1. Истечение жидкости через малое отверстие.

2. Виды насадок.

3. Коэффициенты расхода, скорости, сжатия струи.

4. Использование насадок в практике.

Виды истечения жидкости. Истечение жидкости через отверстия является одной из наиболее «старых» задач практической гидравлики. Над ее решением работали многие ученые, среди которых наибольший вклад внесли Торричелли и Бернулли. Эта задача не утратила актуальности и сегодня. Истечение жидкости из баков, котлов и других резервуаров через отверстия и насадки (короткие трубки) — процесс, характерный для многих технических устройств. Например, течение бензина через жиклеры различных топливных систем двигателей внутреннего сгорания — это также истечение жидкости через отверстия и насадки.

Работа гидравлических амортизаторов, широко используемых в различных конструкциях мотоциклов и автомобилей, в шасси современных самолетов, а также работа тормозных противооткатных систем орудийных стволов производится в основном в результате истечения жидкости через малые отверстия. В авиационной и ракетной технике истечение жидкости через насадки происходит при подаче топлива в камеры сгорания газотурбинных и жидкостно-реактивных двигателей.

Задача об истечении жидкости сводится главным образом к определению скорости истечения и расхода жидкости при разнообразных формах отверстий и насадок. При этом условия истечения могут быть различными.

Вытекающая струя на выходе из отверстия и насадка может попадать в атмосферу, и тогда она будет находиться под атмосферным давлением; возможны случаи, когда струя вытекает под уровень жидкости, находящейся в другом сосуде или водохранилище. Как в первом, так и во втором случаях на скорость и расход жидкости будут оказывать влияние сила тяжести и напор Н (при истечении в атмосферу) или разность уровней z (при истечении из затопленного отверстия или насадка).

Напор Н или разность уровней z могут в процессе истечения оставаться постоянными, а могут изменяться, что, безусловно, будет влиять на параметры истечения. Характер истечения жидкости также зависит от вида отверстия или насадка.

Различают отверстия малые и большие, а также отверстия в тонкой и в толстой стенке. Отверстие называют малым, если его диаметр d (для круглых отверстий) или высота а (для прямоугольных) весьма малы по сравнению со значением напора Н, т. е. d ≤ 0,l Н. Отверстие считают большим, если d ≥ 0,l Н. Под тонкой стенкой подразумевают стенку такой толщины, которая не оказывает влияния на характер истечения. Опытами установлено, что толщина такой стенки δ не должна превышать (1,5 — 3) d — диаметра отверстия. В этом случае вытекающая из отверстия струя не касается стенки в пределах ее толщины, а острые края стенки не оказывают влияния на форму струи и ее гидравлические характеристики.

Рисунок 21 - Истечение жидкости через отверстие в атмосферу (слева) и через затопленное отверстие (справа)

При увеличении толщины стенки больше 3d (δ > 3d) характер истечения меняется и такое отверстие начинает работать как насадок, где стенки оказывают направляющее влияние на струю. Таким образом, насадком называется короткая труба (патрубок), присоединенная к отверстию для изменения характеристик истечения. Наиболее распространенными типами насадков являются цилиндрические, конические и коноидальные насадки криволинейного очертания, повторяющие форму сжатой струи.

В процессе истечения жидкости из отверстий и насадков на расстоянии l ≅ (0,5 —1,0) d от плоскости отверстия образуется так называемое сжатое сечение струи. Это объясняется тем, что струйки жидкости внутри сосуда подходят к отверстию по плавным криволинейным траекториям и согласно первому закону механики стремятся сохранить свои траектории в дальнейшем. В результате частицы жидкости сталкиваются, давят друг на друга, вызывая сжатие струи. Сжатие характеризуется коэффициентом е, который представляет собой отношение площади сжатого сечения струи S_c к площади сечения отверстия S_o:

Сжатие может быть совершенным и несовершенным, полным и неполным.

Полное сжатие струи — сжатие всестороннее, равномерное по всему периметру отверстия. Неполное сжатие происходит в том случае, если струя не испытывает сжатия по одной или нескольким сторонам, т.е. если часть периметра отверстия совпадает с боковой стенкой или днищем сосуда. Совершенное сжатие будет в том случае, если боковые стенки и днище сосуда удалены от ближайшей точки контура отверстия и не влияют на характер истечения, т. е. l₁ ≥ 3а, l₂ ≥ 3b . Если это условие не соблюдается, то сжатие называют несовершенным. При несовершенном сжатии коэффициент сжатия увеличивается.

Рисунок 22 - Различные типы насадков: а-цилиндрический внешний, б-цилиндрический внутренний, в-конический сходящийся, г-конический расходящийся, д-коноидальный

Литература: 1, с.106-118; 3, с.107-119.

Контрольные вопросы:

1. Объясните понятие тонкой стенки.

2. Расскажите, когда отверстие находится в условиях неполного и несовершенного сжатия.

3. Какая связь между коэффициентами ,,,? Приведите их числовые значения в случае истечения жидкости из цилиндрического насадка и истечения из отверстий в тонкой стенке при полном совершенном сжатии.

4. Почему коэффициент расхода при истечении через насадок больше, чем коэффициент расхода отверстия той же площади?

5. Где используются на практике насадки? Привести примеры различных типов насадок.