Глава 6. Истечение жидкости через отверстия и насадки
6.1. Общие сведения и основные характеристики истечения
Истечение жидкости из какого-либо резервуара может происходить через отверстия различных размеров и форм, насадки и короткие трубы в различных условиях.
На рис. 6.1 изображен
резервуар, в вертикальной боковой стенке
его имеется малое отверстие. Истечение
из отверстия может быть при постоянном
напоре Н
и давлении
на поверхности
жидкости в резервуаре.
Рис. 6.1. Истечение жидкости из малого отверстия
Н
- заглубление
центра отверстия диаметром d
под уровень
свободной поверхности. Если Н
и
являются
переменными во времени, истечение будет
переменным, а движение жидкости станет
неустановившимся.
Струя из отверстия может истекать в атмосферу или под уровень жидкости, когда вытекающая струя будет распространяться в каком-то другом резервуаре или сосуде, в котором находится жидкость.
При истечении в атмосферу отверстие будет незатопленным, так же как и струя, вытекающая из него. Когда истечение происходит под уровень жидкости, отверстие является затопленным.
Отверстие в резервуаре называется малым, если во всех точках отверстия давление можно считать практически постоянным. Поэтому скорости в разных точках живого сечения струи будут одинаковыми.
Обычно к малым
отверстиям относятся такие, если диаметр
или гидравлический диаметр
для других
форм отверстий.
Отверстием в тонкой
стенке называется отверстие, когда
толщина стенки резервуара
не влияет на условия истечения струи.
При истечении жидкости потери напора
в этом случае практически аналогичны
местным потерям в результате внезапного
сужения потока. Обычно к отверстиям в
тонкой стенке относят случаи, когда
.
Струя жидкости
при истечении из отверстия на расстоянии
от входа резко сжимается. На этом
расстоянии возникает сжатое сечениеС-С
(см. рис. 6.1),
площадь живого сечения
.
Как показали опыты, расстояние до сжатого
сечения составляет
.
Сжатие струи происходит в результате
сил инерции, действующих на частицы
жидкости, движущиеся по разным траекториям
к самому отверстию. Частицы жидкости,
обтекая кромки отверстия, имеют плавную
траекторию движения и образуют поверхность
струи на участке длиной
,
на котором имеет место резкое изменение
течения. В сеченииС-С
происходит
практически параллельноструйчатое
течение, т.е. движение, когда линии тока
жидкости параллельны друг другу. Эпюра
скоростей в этом сечении весьма близка
к прямоугольной форме. За сжатым сечением
струя попадает под действие силы тяжести.
Коэффициент сжатия
струи
. (6.1)
На сжатие струи
влияют границы стенок, которые могут
находиться достаточно близко к отверстию.
Опытами установлено, что если расстояние
от кромок
и
,
то боковые
стенки и дно резервуара не будут влиять
на степень сжатия струи. Такое сжатие
получило название совершенного сжатия.
При истечении воды
из малых отверстий, как было установлено
опытами, в случае совершенного сжатия
.
Несовершенное сжатие происходит при несоблюдении условия, и сжатие струи уменьшается.
Большие отверстия - отверстия, в которых давления в пределах живого сечения существенно отличаются от давления на его границах. В связи с этим скорости в разных точках различны.
Насадками называют
короткие трубы, присоединенные к стенке
резервуара, если их длина
(d
- диаметр
отверстия).