Классификация отверстий и основные характеристики истечений

Вопросы теории истечения жидкости из различного вида отверстий и насадок имеют большое практическое значение. Знание их необходимо при расчетах подачи топлива через жиклеры и форсунки, проектировании и эксплуатации гидроприводов, гидравлических амортизаторов и других устройств, установок водоснабжения, водоструйных насосов, эжекторов, гидромониторов, брандспойтов и т. д.

Основной задачей гидравлического расчета отверстий и насадок является определение скорости истечения жидкости и вытекающего расхода.

В теории истечения жидкости из отверстий в зависимости от толщины стенки принято различать:

1. Истечение из отверстия в тонкой стенке.

2. Истечение из отверстия в толстой стенке.

3. Истечение из насадки.

Тонкой называется такая стенка резервуара, толщина которой не влияет на истечение жидкостииз отверстия (на скорость истечения и расход). В этом случае вытекающая струя соприкасается только с внутренней кромкой отверстия. Стенку считают тонкой, если ее толщина d не превышает 2,0-2,5 диаметров отверстия d (рис.1 - 1,а).

Толстой называется стенка, толщина которой влияет на истечение жидкости из отверстия. В этом случае вытекающая струя постоянно или периодически соприкасается с боковой поверхностью отверстия или частью ее, что влияет на величину вытекающего расхода. Стенку считают толстой, если ее толщина d находится в пределах (2…2,5) .d < d < (3…4). d (рис. 1– 1,б).

Насадкой называется короткий отрезок трубы, присоединенный к отверстию в тонкой стенке. Длина насадки d принимается равной 3…5 диаметрам отверстия (рис. 1 – 1, в). Если толщина стенки резервуара равна 3,0…5,0 диаметрам отверстия, то в гидравлическом отношении такое отверстие представляет собой насадку.

В зависимости от изменения напора во времени различают истечение при постоянной и переменном напоре. При постоянном напоре H (измеряемом над центром отверстия) расход, скорость и траектория струи не изменяются во времени, при истечении будет наблюдаться установившее движение жидкости. При переменном напоре H, например, в случае опорожнения резервуара, расход, скорость и траектория вытекающей струи изменяются во времени, при истечении будет наблюдаться неустановившееся движение жидкости.

В зависимости от соотношения напора и вертикального размера отверстия различают гидравлически малые и большие отверстия.

Малым (в гидравлическом смысле) называется отверстие, высота h (диаметр d) которого незначительна по сравнению с напором H (h (или d) <= 0,1. H).

Для малых отверстий для всех точек отверстия напоры и скорости истечения могут быть приняты практически одинаковыми (равными, соответственно, напору и скорости в центре отверстия).

Большим (в гидравлическом смысле) называется отверстие, высота h (диаметр d) которого имеет величину одного порядка с напором H. В этом случае в различных точках отверстия напоры и скорости истечения существенно различаются и не могут быть приняты равными средним значениям в центре отверстия.

При истечении из отверстия в тонкой стенке (рис. В – 1,а) вследствие обтекания жидкостью острой кромки отверстия, наблюдается сжатие струи - уменьшение площади живого сечения струи при выходе из отверстия по сравнению с площадью отверстия. Наименьшее живое сечение струи, расположенное на расстоянии, равном примерно 0,5. d от внутренней кромки отверстия, в котором движение является плавно изменяющимся и близким к параллельноструйному, называется сжатым сечением.

Сжатие струи может быть полным, т.е. по всему периметру отверстия (рис. 1- 2, I) или неполным, т.е. на части периметра отверстия (рис. 1 – 2, III, IV). Сжатие струи может быть совершенным, если дно и стенки резервуара не влияют на величину (степень) сжатия струи, что наблюдается, когда A >= 3 a и B>= 3 b (рис. 1 - 2, I), и несовершенным при несоблюдении приведенных условий (рис. 1 – 2, II). Полнота и степень сжатия влияет на расход, вытекающий из отверстия.

Истечение жидкости может происходить из незатопленного и затопленного отверстий. Отверстие считают незатопленным, если уровень жидкости за отверстием находится ниже центра отверстия. Если уровень жидкости за отверстием расположен выше центра отверстия, имеет место истечение из затопленного отверстия или истечение под уровень (рис.2 - 2).