Схемы различных примеров истечения газа показаны на рис. 9.1.
Рис. 9.1. Схемы истечения несжимаемого газа: через отверстие с острыми кромками (а); через сопло с острыми кромками на входе (б); через сопло с переменным поперечным сечением входа (в); через сопло со скругленным входом (г); при переходе к соплу в виде конфузора (д)
Истечение газа из отверстия в тонкой стенке с острыми кромками (рис. 9.1, а) для условий р н = р 0 и u н = 0 подробно рассмотрено в гл. 4.
В случае, когда u н ¹ 0, р н ¹ р 0, зависимости для определения скорости истечения и расхода получим, применив уравнение Бернулли к сечениям I—II и положив потери давления равными нулю:
(9.1)
Имея в виду, что полное давление газа получим
Из уравнения газового состояния поэтому
(9.2)
Объемный расход истекающей среды V c, равен произведению скорости истечения на площадь самого узкого поперечного сечения струи
(9.3)
Массовый расход истекающей среды М, кг/с, равен произведению объемного расхода на плотность газа, т. е.
(9.4)
При истечении газа через сопло с острыми кромками на входе (рис. 9.1, б) процесс сужения и расширения струи происходит внутри сопла. В результате между стенками сопла и ядром потока образуется вихревая зона. В этом случае скорость истечения газа и его расход рассчитываются с учетом потерь давления в сопле на образование вихревой зоны и потерь на трение. Напишем уравнение Бернулли для сечений I - II:
|
|
(9.5)
где — полное давление газа в сечении I; l - длина сопла, м; d -диаметр сопла, м; - площадь поперечного сечения канала, из которого происходит истечение, м2; F - площадь поперечного сечения сопла, м2; x - коэффициент потерь на сужение потока; x0 - общий коэффициент сопротивления сопла
(9.6)
Для случая, изображенного на рис. 9.1,б, Обычно при расчетах потерями на трение в сопла пренебрегают, предполагая, что В практике поэтому приближенно можно считать тогда .
Решая уравнение (9.5) относительно скорости истечения u, получаем
(9.7)
где коэффициент расхода при x = 0,5 a = 0,817.
Таблица 8. Значения коэффициента расхода при оформлении входа в сопло под углом j°
j° | ||||||
0,025 | 0,817 | 0,825 | 0,833 | 0,835 | 0,840 | 0,845 |
0,05 | 0,817 | 0,83 | 0,843 | 0,857 | 0,870 | 0,875 |
0,075 | 0,817 | 0,84 | 0,860 | 0.875 | 0,890 | 0,90 |
0,10 | 0,817 | 0,847 | 0,87 | 0,895 | 0,905 | 0,92 |
0,15 | 0,817 | 0,855 | 0,89 | 0,913 | 0,93 | 0,935 |
0,60 | 0,817 | 0,89 | 0,92 | 0.94 | 0,952 | 0,945 |
Массовый расход протекающей среды
(9.8)
где rн и Т н - плотность и температура газа при полном давлении р н.
Потери статического давления в сопле могут быть значительно уменьшены, если вход в сопло выполнить под углом j° (рис. 9.1, в). В табл. 9.1 приведены значения коэффициента расхода a при и Как видно из таблицы, коэффициент расхода a может изменяться от 0,817 до 0,95.
|
|
При округлении перехода из широкого канала в сопло (рис. 9.1, г) потери давления в сопле могут быть существенно снижены. В этом случае коэффициент расхода a зависит от отношения радиуса округления r к диаметру сопла d. Если r / d ³ 20, то коэффициент расхода близок к единице. Значения коэффициента расхода a в зависимости от при приведены ниже.
r / d...... | 0,01 | 0,02 | 0,03 | 0,04 | 0,05 | |
a.. …. | 0,82 | 0,835 | 0,86 | 0,875 | 0,89 | 0,91 |
r / d.. …. | 0,06 | 0,08 | 0,12 | 0,16 | 0,20 | |
a.. …. | 0,915 | 0,935 | 0,96 | 0,97 | 0,99 |
Если переход к соплу оформить в виде плавного конфузора, сужающегося по форме струи (рис. 9.1,д), то потерями давления при истечении вообще можно пренебречь, предположив a = 1, тогда формулы (9.7) и (9.8) существенно упрощаются.