Насадками называются присоединенные к отверстию в стенке резервуара или трубе короткие трубки определенной длины, в которых имеется напорное движение. Для определения скорости истечения и расхода жидкости через насадки применяют те же формулы, что и для малого отверстия в тонкой стенке, но коэффициенты , , в них имеют другие значения в зависимости от формы насадки. Основные типы насадков приведены на рис. 7.3.
Внешним цилиндрическим насадком (насадком Вентури) называется прямая цилиндрическая трубка длиной l = (3 - 4)d, присоединенная под прямым углом с внешней стороны резервуара к отверстию того же диаметра (рис.7.3,а).
При входе в такую короткую трубку кривизна линий тока (траекторий) значительна, благодаря чему во входной части трубки происходит сжатие потока подобное тому, что и при истечении через отверстие. Затем поток расширяется, заполняя все сечение насадки. Вокруг сжатого сечения образуется кольцевая вихревая водоворотная зона, подобно той, что имеет место при внезапном сужении трубопровода.
Содержащиеся в жидкости газы и выделившиеся из жидкости пары, зажатые в водоворотной зоне, довольно быстро уносятся транзитным потоком. В вихревой зоне понижается давление.
Рис. 7.3. Типы насадков
В связи с наличием вакуума в сжатом сечении действующий напор увеличивается на величину этого вакуума. Скорость в сжатом сечении увеличивается по сравнению с истечением через отверстие с острой кромкой. Насадок как бы "подсасывает" жидкость.
В то же время в насадке происходят и дополнительные по сравнению с отверстием с острой кромкой потери напора, связанные с внезапным расширением струи за сжатым сечением. Соотношение влияния "подсасывания" и указанных дополнительных потерь напора на пропускную способность и определяет степень изменения расхода через насадок по сравнению с отверстием.
Запишем уравнение Бернулли для участив между сечениями 1-1 и 2-2 (рис. 7.3,а).
Считая на выходе из насадка коэффициент Кориолиса =1 и пренебрегая скоростным напором в сечении 1-1 (1V1/2g = 0),получим при p1 = p2: ,
где V - скорость в выходном сечении насадка (в сечении 2-2).
В рассматриваемом случае сопротивление движению жидкости состоит из сопротивлений при сужении, аналогичных сопротивлениям в отверстии в тонкой стенке, и сопротивлений при внезапном расширении струи от площади сжатого сечения Sc до площади на выходе из насадка S, т.е.
.
Для расчетов удобнее все коэффициенты сопротивлений отнести к скорости V в выходном сечении насадка.
Определим численные значения коэффициентов сопротивлений при достаточно больших значениях числа Re, когда коэффициент сжатия струи не зависит от числа Re.
Коэффициент сопротивления при истечении через отверстие с острой кромкой, отнесенный к скорости в сжатом сечении Vc, равен o = 0,06.
С учетом = SC/S = 0,61 - 0,64 получим
При внезапном расширении струи в насадке от Sc до S, приняв получим
Коэффициент сопротивления при входе в насадок равен сумме коэффициентов сопротивлений на сужение и на расширение струи внутри насадка, равной при средних значениях соответствующих коэффициентов сопротивлений
.
Тогда , (7.11)
где .
Коэффициент расхода для насадка равен ц.н. = ц.н., так как =1, поскольку сжатия потока на выходе из насадка нет.
Опыты показали, что максимальные значения коэффициента расхода соответствуют длине насадка
1опт = (3 - 4)d, когда потери напора по длине малы и ими можно пренебречь.
При длине насадка 1н < 1опт (рис. 7.3,6) струя отжимается наружным давлением от стенок насадка, и истечение жидкости происходит аналогично истечению через отверстие. При 1н > 1опт к действующим сопротивлениям добавляются сопротивления на трение по длине, т.е.
,
где - коэффициент Дарси.
При некоторой относительной длине насадка 1/d коэффициент расхода при истечении через него равен коэффициенту расхода при истечении через отверстие с острой кромкой o. Эта длина составит
. (7.12)
При o = 0,6 и = 0,05 будет 1/d = 25.
Кроме цилиндрических наружных насадков в технике применяются цилиндрические внутренние насадки (рис.7.3,в) и насадки другой формы.
На рис.7.3,г показан конический сходящийся насадок, используемый в том случае, когда при данном полном напоре нужно максимально увеличить кинетическую энергию струи ради увеличения дальности полета струи и силы ее удара. Увеличение угла конусности приводит к уменьшению потерь на расширение струи после сжатия в пределах насадка. При углах конусности 13-14° эти потери практически ничтожны, т.к. в этом случае практически Sc = S.
Конический расходящийся насадок (рис.7,3,д) используют для преобразования части кинетической энергии потока в потенциальную, когда нужно уменьшить скорость выхода жидкости или увеличить давление (например, в выходных элементах насосов и вентиляторов).
Наиболее совершенным является коноидальный насадок (рис.7.3,е). Его форма соответствует форме вытекающей через отверстие струи. За счет этого сжатие струи на выходе из такого насадка отсутствует, т.е. = 1. Ниже в табл. 7.1 приведены для сравнения характеристики рассмотренных типов насадков.
Таблица 7.1.
Тип насадка или отверстия | Рисунок | | | |
Круглое отверстие в тонкой стенке | 7.1 | 0,98 | 0,64 | 0,62 |
Цилиндрический внешний насадок | 7.3,а | 0,82 | 1 | 0,82 |
Цилиндрический внутренний насадок | 7.3,в | 0,71 | 1 | 0,71 |
Конический сходящийся насадок ( = 13,4°) | 7.3,г | 0,984 | 0,98 | 0,946 |
Конический расходящийся насадок ( = 7°) | 7.3,д | 0,45 | 1 | 0,45 |
Коноидальный насадок | 7.3,е | 0,98 | 1 | 0,98 |