Истечение жидкости через насадки при постоянном напоре

Насадки широко применяются в различных областях техники для увеличения расхода, вытекающего из отверстия в тонкой стенке, получения струи большой кинетической энергии, создания эффекта инжекции, увеличения расхода с одновременным уменьшением кинетической энергии вытекающей струи и т.д.

Наибольшее распространение получили следующие типы насадок: внешняя цилиндрическая, конически сходящаяся, конически расходящаяся, коноидальная.

Расход и скорость истечения жидкости из насадок определяются по тем же формулам, что и при истечении из отверстий, то есть:

где: m - коэффициент расхода насадки, w - площадь выходного сечения насадки, j - коэффициент скорости насадки.

Рассмотрим основные гидравлические показатели различного типа насадок и особенности истечения жидкости из них по сравнению с истечением из малого отверстия в тонкой стенке.

Внешняя цилиндрическая насадка (рис. 3 – 1).

По опытным данным истечение из внешней цилиндрической насадки характеризуется следующими гидравлическими показателями:

e = 1,00; j = 0,82; m =0,82; z = 0,50.

Сравнивая их с соответствующими показателями при истечении из малого отверстия в тонкой стенке, видим, что_; несмотря на уменьшение скорости истечения более, чем на 15%(уменьшение коэффициента скорости j с 0,97 до 0,82) и увеличение гидравлических сопротивлений в насадке более, чем в 8 раз (увеличение коэффициента сопротивления z от 0,06 до 0,50), приставление к малому отверстию в тонкой стенке внешней цилиндрической насадки вызывает, при всех прочих равных условиях, увеличение расхода на 32%(увеличение коэффициента расхода m от 0,62 до 0,82).

Это обусловлено следующими особенностями истечения жидкости из насадки. Струя жидкости при входе в насадку, обтекая входную кромку, сжимается до сечения w_с, как и при истечении из отверстия. Затем она расширяется, заполняя все сечения насадки, и выходит из насадки без сжатия (e = 1,00). Сжатие, а затем расширение струи на коротком участке насадки вызывает, с одной стороны, увеличение гидравлических сопротивлений (возрастание коэффициента сопротивления), связанное с этим уменьшение скорости истечения жидкости (уменьшение коэффициента скорости). С другой стороны, сжатие струи и возрастание скорости в сжатом сечении вызывает понижение давления в начале насадки - возникновение вакуума, т.е. области, в которой давление ниже атмосферного. Наличие вакуума h_в в насадке обусловливает подсасывание жидкости из резервуара, что равносильно повышению напора над центром отверстия на указанную величину. Это и является причиной существенного увеличения коэффициента расхода, т.е. величины вытекающего расхода по сравнению с истечением из малого отверстия в тонкой стенке. Величина вакуума в сжатом сечении может достигать

h_в = 0,75. Но. При прохождении через зону вакуума из жидкости происходит интенсивное выделение растворенного в ней воздуха - аэрация струи. Поэтому струя, вытекающая из внешней цилиндрической насадки, в отличив от струи, вытекающей из отверстия, непрозрачна.

Коническая сходящаяся насадка (рис.3 – 2, а)

Гидравлические показатели насадки зависят от угла конусности a и по опытным данным являются наилучшими при a = 13°24’, имея следующие значения e = 0,98; j = 0,96; m = 0,95; z =0,08.

Струя, вытекающая из насадки, обладает большим запасом кинетической энергии, отличается компактностью и способностью сохранять свою форму на значительном расстоянии, не распадаясь на отдельные капли. Это обуславливает широкое применение конически сходящихся насадок в пожарных брандспойтах, моечных установках, гидромониторах, водоструйных насосах (эжекторах) и т. п.

Коническая расходящаяся насадка (рис. 3 – 2,б)

Истечение из насадки характеризуется наличием значительного вакуума во входной части. Величина вакуума зависит от угла конусности a. Во избежание отрыва струи от стенок насадки угол конусности не должен превышать 5…7°. Сжатие струи в выходном сечении отсутствует. Гидравлические показатели имеют следующие значения: e = 1,0; j = 0,46; m = 0,46; z = 3,75.

Гидравлические потери в насадке значительны и скорость вытекающей струи более чем в два раза меньше, чем при истечении из отверстия в тонкой стенке. Благодаря наличию значительного вакуума, насадка интенсивно "подсасывает" жидкость из резервуара, увеличивая расход. Если отнести коэффициент расхода m не к выходному, а к входному сечению насадки он резко возрастет и будет иметь значение большее единицы. Конические расходящиеся насадки широко применяются в гидравлических системах для получения больших разрежений (эжекторы, карбюраторные устройства, водоструйные насосы и пр.), пропуска больших расходов при относительно малых выходных скоростях.

Коноидальная насадка (рис. 3 – 2,в)

Коноидальная насадка имеет очертание по форме струи, вытекающей из отверстия в тонкой стенке. В связи с плавным входом жидкости в насадку гидравлические потери в ней незначительны, а коэффициенты скорости и расхода велики. Насадка характеризуется следующими гидравлическими показателями:

e = 1,0; j = 0,98(до 0,99); m = 0,98 (до 0,99); z = 0,06.

Струя, вытекающая из коноидальной насадки, обладает кинетической энергией большей, чем у конически сходящейся насадки.