КАТЕГОРИИ: Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748) |
Истечение жидкости через отверстия и насадки
В инженерной практике довольно часто приходится рассматривать вопросы, связанные с истечением жидкости через отверстия и насадки. Истечение может происходить либо при переменном, либо при постоянном напоре, а также из затопленных и незатопленных отверстий и насадков. Незатопленным называют отверстие (насадок), если истечение жидкости происходит в атмосферу или в другую газовую среду, а затопленным такое, истечение из которого происходит под уровень жидкости. Истечение через отверстия. Отверстия делят по толщине стенки (отверстие в толстой и тонкой стенке), по размеру отверстия (большое и малое). Отверстие в толстой стенке— это такое отверстие, когда истечение струи жидкости происходит из отверстия диаметром do < 3l более 0,1H (где l —толщина стенки; H—действующий напор). Струя, прежде чем получить возможность свободного падения, движется вдоль стенки отверстия, при этом наблюдаются не только потери энергии, аналогичные потерям при внезапном сужении потока, но и потери энергии по длине. Отверстие в тонкой стенке. Отверстие, края которого имеют острую кромку, благодаря чему исключается влияние толщины стенки на форму и условия течения струи, размер (диаметр do), которых меньше 0,1H (H —действующий напор), называют отверстием в тонкой стенке. Струя, протекая через отверстие в тонкой стенке, будет испытывать только местные потери энергии xм. К большим отверстиям относят такие, у которых поперечный размер отверстий do > 0,1H, к малым — такие, у которых do < 0,1H. При протекании жидкости через отверстие do (рис.) до сечения 2—2 жидкость претерпевает сжатие под действием сил инерции частиц жидкости, движущихся при подходе к отверстию по криволинейным траекториям. При этом в струе возникают центробежные силы, вследствие действия которых струя сужается до dc, достигая наименьших размеров в сечении 2—2.
Рис. Схема истечения жидкости из резервуара через малое (а) и затопленное (б) отверстия В сечении 2—2 диаметр струи dc = 0,8do. Пропускная способность отверстия So и степень сжатия струи Sc оцениваются коэффициентом сжатия струи: Отметим, что для круглого отверстия сжатое сечение находится на расстоянии, примерно равном половине диаметра отверстия 0,5do. Если струя сжимается по всему периметру, то сжатие называют полным, а если отверстие находится на значительном расстоянии от стенки и составляет не менее трех диаметров отверстия, т. е. l > 3do, такое сжатие называют совершенным. Совершенное сжатие характеризуется наименьшими значениями коэффициентов сжатия и расхода. Коэффициент совершенного сжатия на основании опытов для круглых и прямоугольных отверстий составляет e = 0,60... 0,64 (большим отверстиям соответствуют меньшие значения e, а меньшим — большие значения этого коэффициента). Наиболее часто применяют значения e = 0,64 при практических расчетах для малых отверстий в тонкой стенке. Несовершенное сжатие возникает в том случае, если расстояние от края стенки до контура отверстия находится на более близком расстоянии, т. е. l < 3do. Чтобы вывести основные расчетные зависимости для определения скорости и расхода при истечении жидкости через малые незатопленные отверстия в тонкой стенке при постоянном напоре Н, составим уравнение Бернулли от произвольной горизонтальной плоскости сравнения О—О, проходящей через центр тяжести отверстия для двух сечений: сечения 1—1 на свободной поверхности жидкости в сосуде и сечения 2—2 по отверстию — там, где движение потока близко к плавно изменяющемуся движению (сжатое сечение струйки). Отметим, что основное уравнение гидравлики — уравнение Бернулли — было получено именно в результате одного из подобных опытов (опубликовано в труде «Гидродинамика» в 1738 г.): В этом уравнении z1 = Н; z2 = z c = 0. Если давление на свободной поверхности в сосуде равно атмосферному, то p1 = p с, причем V1 и V2 — средние скорости в соответствующих сечениях; a1 и a2 — коэффициенты Кориолиса в сечениях 1—1 и 2—2; hs — потери напора между рассматриваемыми сечениями 1—1 и 2—2; как было показано выше, потери hs обусловлены только местными сопротивлениями самих отверстий, т. е. где xо — коэффициент сопротивления отверстия. При истечении с большими числами Рейнольдса Re>105 значение ^о = 0,06. С учетом сделанных замечаний можно получить:
Обозначим , где Но — напор над центром тяжести отверстия с учетом скорости подхода.
Тогда Отсюда получим скорость истечения в сжатом сечении 2—2.
где коэффициент скорости. Численное значение j = 0,96...0,98. Часто приходится иметь дело с истечением жидкости из закрытого резервуара с давлением на свободной поверхности жидкости p1 в среду с давлением p2; в данном случае скорость и расход жидкости определяют по формулам где m — коэффициент расхода отверстия. Если истечение происходит через затопленное отверстие (под уровень), т. е. не в газовую среду, а в смежный резервуар с той же жидкостью, то в качестве геометрического параметра принимают разность уровней жидкости в резервуарах H= H1 — H2, а скорость и расход определяют соответственно по формулам Числовые значения коэффициентов сжатия и расхода при истечении под уровень те же, что и при истечении через незатопленное отверстие, т. е. скорость и расход не зависят от высоты расположения отверстия. При изучении истечения жидкости в атмосферу из малого отверстия в тонкой стенке представляет интерес явление, названное инверсией струи — изменение формы поперечного сечения струи по ее длине под действием сил поверхностного натяжения на вытекающие криволинейные струйки и различных условий сжатия по периметру отверстия. Больше всего инверсия проявляется при истечении из некруглых отверстий.
Уравнение движения свободной струи жидкости, вытекающей из насадка, можно записать следующем образом: |где q —угол между направлением истечения и осью абсцисс (рис.); начальная скорость истечения; у — высота падения струи; х— дальность падения струи. При q=0 получаем координаты осевой линии струи жидкости, вытекающей из малого вертикального отверстия в тонкой стенке: Свободная струя жидкости, направленная вертикально вверх с начальной скоростью и, без учета сопротивления воздуха, сложных колебательных явлений, приводящих к раздроблению и в дальнейшем к распылению струи, поднимется на высоту
а — вертикальная; б — наклонная.
В незатопленных свободных струях различают компактную раздробленную и распыленную части. Компактная часть струи имеет форму отверстия, из которого, она вытекает, чаще всего цилиндрическую или близкую в ней. В раздробленной части происходит дробление струи на Отдельные крупные частицы. Распыленная часть струи состоит из отдельных мельчайших частиц жидкости. Высота вертикальной струи /t/, включая распыленную часть, всегда меньше напора Н на величину потерь напора АА (рис. 1.48):
где d— диаметр насадка; k — коэффициент, получаемый опытным путем.
Истечение через насадки. Насадком называют короткую трубу (l = 3..4d), присоединенную к отверстию с целью изменения характеристик истечения жидкости. Наиболее распространенными типами насадков являются: · внешний цилиндрический насадок (насадок Вентури); · внутренний цилиндрический насадок (насадок Борда); · конические насадки (сходящийся и расходящийся); · коноидальный насадок (насадок криволинейного очертания); · комбинированный или диффузорный насадок Скорость и расход для всех видов насадков определяют по тем же зависимостям, что и для отверстия в тонкой стенке, т. е. для незатопленных насадков при постоянном напоре а для затопленных насадков при постоянном напоре где m — коэффициент расхода, зависящий от типа насадка; Но — напор над центром тяжести выходного отверстия с учетом скорости подхода; h — разность уровней верхнего и нижнего бьефов с учетом скорости подхода. Рассмотрим истечение жидкости через внешний цилиндрический насадок. При входе во внешний цилиндрический насадок в случае безотрывного режима истечения струя жидкости сжимается, а затем расширяется, заполняя все сечение насадка. При этом на выходе из насадка диаметр струи равен диаметру отверстия и, следовательно, коэффициент сжатия e = 1. Тогда коэффициент расхода Коэффициент скорости для выходного сечения насадка
гдекоэффициент сопротивления насадка. Здесь x вх — коэффициент сопротивления входа; x в.р — коэффициент сопротивления внезапного расширения; l — коэффициент гидравлического трения в насадке; l, d — соответственно длина и диаметр насадка. В результате расширения струи после сжатия и потерь по длине насадка коэффициент сопротивления при истечении из насадка значительно увеличивается по сравнению с истечением из отверстия. При турбулентном режиме движения, когда число Рейнольдса достаточно велико, коэффициенты истечения для внешнего цилиндрического насадка m = f = 0,82; x = 0,5; e = 1. Возрастание коэффициента сопротивления x до 0,5 приводит к увеличению потерь напора и уменьшению скорости истечения. Несмотря на это, расход жидкости при истечении через насадок превышает расход из отверстия» на 35%, что объясняется наличием вакуума в зоне сжатого сечения. По этой причине в сжатом сечении насадок работает как своеобразный насос, дополнительно подсасывая жидкость. Величина вакуума может быть определена по формуле Применение насадков. Насадки применяются в технике для различных целей. Для выпуска жидкости из резервуара и водоемов применяют различные цилиндрические насадки. Для получения больших выходных скоростей и дальности полета струи жидкости применяют конически сходящиеся насадки в виде пожарных брандспойтов, форсунок для подачи топлива, гидромониторов для размыва грунта, фонтанных сопел, сопел гидравлических турбин. Наоборот, для замедления течения жидкости и увеличения давления во всасывающих трубах гидравлических турбин, для замедления подачи смазочных масел применяют конически расходящиеся насадки. Гидравлический удар. Комплекс явлений, возникающих в трубопроводе в связи с резким изменением скорости течения жидкости и сопровождающихся резким изменением давления Н. Е. Жуковский в 1898 г. назвал гидравлическим ударом. При гидравлическом ударе повышение или понижение давления в трубопроводе объясняется инерцией массы жидкости. При быстром закрытии крана или задвижки частицы жидкости, со прикасающиеся с краном, мгновенно остановятся, что повлечет за собой значительное повышение ударного давления р вследствие уменьшения скорости до нуля (рис. ). Скорость движения частиц жидкости непосредственно у крана будет погашена, а кинетическая энергия потока будет израсходована на работу деформации сжатия жидкости и растяжения стенок трубы. В результате сжатия жидкости давление в ней увеличится, величину DР. Тогда возникшая у крана ударная волна (сечения п—п) отделит поток жидкости с давлением Р + DР и скоростью v = 0 от потока с давлением Р и скоростью v.
У крана на остановившиеся частицы жидкости набегают другие, при этом они также теряют свою скорость, вследствие чего сечение п—п передвигается от крана к резервуару трубопровода Когда ударная волна достигнет резервуара, вся жидкость в трубе будет остановлена и сжата, т. е. во всей трубе скорость буде равна нулю, а давление увеличится и составит Р + DР. Этот период называют периодом повышения давления, причем скорость распространения ударной волны определяется по формуле а = l/Dt где Dt — время, за которое сечение п—п пройдет по длине трубопровода l от крана до резервуара. Вышеописанное состояние не является равновесным. В следующий момент времени жидкость начинает поступать из трубы в резервуар, причем сначала начнет двигаться обратно слой жидкости, ближайший к резервуару. Постепенно вся жидкость придет в движение по направлению от трубы к резервуару. Сечение п—п теперь перемещается в обратном направлении — к крану с той же скоростью v, оставляя за собой выравненное давление P и скорость v, направленные в сторону резервуара. При достижении ударной волной крана (конец второго периода — периода восстановления) расположенный непосредственно у крана слой жидкости будет стремиться оторваться от него, в результате чего давление понизится на DР, жидкость расширится, а стенки трубопровода сожмутся. Вследствие этого возникнет отрицательная ударная волна непосредственно у крана, распространяющаяся со скоростью v по направлению от крана к резервуару и оставляющая позади себя давление Р — DР, причем скорость v = 0. Этот третий период называют периодом понижения давления. Четвертый период характеризуется восстановлением давления и после прихода ударной волны к резервуару — возобновлением движения жидкости к крану. Такое движение жидкости продолжается до тех пор, пока колебания не затухнут из-за потерь энергии на трение и деформацию стенки трубы. Время, необходимое для того, чтобы ударная волна, исходящая из крана, вернулась к нему, называют временем фазы. В зависимости от соотношения времени закрытия крана и времени фазы удара различают прямой и непрямой гидравлические удары. Гидравлический удар называют прямым, если время закрытия крана меньше времени фазы (tз < tф), и непрямым, если время закрытия крана больше времени фазы (tз > tф), т.е. при возвращении ударной волны к крану он еще полностью не закрыт. Повышение давления в трубе определяют по формуле Жуковского: при прямом ударе где r— плотность жидкости, кг/м3; а — скорость распространения ударной волны м/с; v — скорость движения жидкости в трубе до закрытия крана, м/с; при непрямом ударе где vo — скорость движения жидкости в трубе до частичного закрытия крана. Для устранения причин, вызывающих гидравлический удар в трубопроводах, применяют постепенно закрывающиеся гидравлические задвижки разных конструкций, а также устанавливают различного рода компенсаторы ударного давления. Примером использования гидравлического удара для полезных целей является гидравлический таран или водяной насос (рис.).
ДВИЖЕНИЕ ЖИДКОСТИ В КАНАЛАХ И БЕЗНАПОРНЫХ ВОДОВОДАХ. ФИЛЬТРАЦИЯ Особенность движения жидкости в каналах и безнапорных водоводах состоит в том, что оно безнапорное (свободная поверхность потока соприкасается с атмосферой) и равномерное (живые сечения, средняя и местная скорости движения потока одинаковы). Каналы и безнапорные водоводы применяют во многих отраслях народного хозяйства: сельском хозяйстве, гидроэнергетике, водном транспорте, в промышленности. Многие каналы и водоводы имеют комплексное назначение.
Каналы бывают (рис.) прямоугольного сечения (а), трапецеидального (б), полукруглого (в) и параболического (г). Водоводы выполняются замкнутыми (рис.) и имеют стандартные профили круглого (а), шатрового (б), овоидального (в) и лоткового сечения (г) Типы поперечных сечений водоводов:
Дата добавления: 2014-01-03; Просмотров: 4651; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы! Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет |