Истечение через насадки при постоянном напоре
Насадком называется короткий отрезок трубы длиной l = (3–4)d, соединенный с отверстием.
Расход при истечении через насадки вычисляется по формуле (3.52), которая выводится, как и в случае истечения через малое отверстие, путем применения уравнения Бернулли для сечений 1–1 и 2–2 (рисунок 3.16). Соотношения между коэффициентами, характеризующими истечение, такие же, как и для малых отверстий — см. формулы (3.50), (3.53), (3.54).
Рисунок 3.16 — Схема истечения жидкости через наружный цилиндрический насадок
Величина коэффициентов, характеризующих истечение через насадки, зависит от типа насадка и режима движения жидкости.
Средние значения этих коэффициентов при турбулентном режиме истечения приведены в приложении 12, где они даны для насадков, имеющих оптимальные соотношение размеров и отнесены к сечению на выходе.
При обтекании острой входной кромки насадка при турбулентном режиме частицы жидкости, двигавшиеся непосредственно у стенок резервуара, так же, как и при истечении из отверстия, в результате инерции отрываются у входной кромки от стенок насадка. Но в отличие от отверстия боковые стенки насадка оказывают воздействие на поток жидкости при истечении таким образом, что поток заполняет сечение насадка полностью и на выходе из него векторы местных скоростей становятся практически параллельными (рисунок 3.16). Это означает, что сжатое сечение струи жидкости совпадает с началом струи, площадь его равна площади выходного отверстия насадка, а коэффициент сжатия ε = 1. Исключение составляют конические сходящиеся насадки с большой конусностью, для которых коэффициент сжатия несколько меньше единицы. Например, при угле конусности 13˚ ε = 0,98.
В начале насадка, в месте отрыва потока от стенок, образуется вихревая зона, которая увеличивает гидравлическое сопротивление. Чем относительно больше объем этой зоны, тем больше коэффициент гидравлического сопротивления насадка. Округление входных кромок насадка уменьшает размеры вихревой зоны, и соответственно, уменьшает сопротивление движению, тем самым увеличивает пропускную способность. Поэтому наибольшее значение коэффициента расхода μ имеет коноидальный насадок, у которого вихревая зона отсутствует. Однако практическое применение коноидальных насадков ограничено ввиду сложности изготовления.
В пределах вихревой зоны у цилиндрических и конических расходящихся насадков площадь сечения потока меньше площади потока на выходе из насадка, поэтому в соответствии с уравнением Бернулли давление в вихревой зоне будет меньше давления среды, в которую происходит истечение. Для насадка Вентури наибольшее понижение давление наблюдается в сечении С–С (рисунок 3.16), где оно уменьшается на величину (0,75–0,8)γН.
Если давление в вихревой зоне насадка понизится до давления насыщенных паров жидкости при данной температуре, то поток оторвется от стенок насадка (так называемый второй режим истечения).
Наибольший коэффициент расхода μ имеют насадки при оптимальном соотношении размеров l = (3–4)d. Например, при меньшей длине цилиндрического насадка поток не всегда будет устойчиво заполнять все сечения насадка; при большей длине возрастает доля потерь напора по длине. В обоих случаях коэффициенты μ, φ уменьшатся.
Насадки, имеющие длину свыше оптимальной, рассчитываются как короткие трубопроводы.
При течении жидкости через весьма малые отверстия и капилляры в результате уменьшения действующего проходного сечения со временем снижается расход вплоть до полного его прекращения, физико-химическое явление заращивания канала слоем неподвижной жидкости называется облитерацией канала. По этой причине диаметр отверстия жиклеров и дросселей не должен быть меньше 0,2–0,4 мм.
Цилиндрические насадки применяются для увеличения пропускной способности отверстия. Конические расходящиеся — для уменьшения кинетической энергии потока на выходе (отсасывающие трубы гидротурбин). Конические сходящиеся, и в особенности коноидальные насадки, применяются в устройствах для получения компактной струи жидкости, имеющей большую кинетическую энергию: сопла активных турбин, дождевальных аппаратов, гидромониторов и т. п.