Urenkov_istzh

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»

Факультет энергетический Кафедра «Теплотехника, гидравлика и водоснабжение, водоотведение»

В.Н. Юренков

Истечение жидкости через отверстия и насадки

Практикум к лабораторной работе № 7

Барнаул-2015

1

УДК 532 + 621.22 (075.5)

Юренков В.Н. Истечение жидкости через отверстия и насадки: практикум к лабораторной работе № 7 для студентов всех форм обучения. /АлтГТУ им. И.И. Ползунова, Барнаул: Б.И. 2015.- 14 с., 9 рис., 2 табл.

Изложены краткие теоретические сведения по истечению жидкости через малые отверстия в тонкой стенке и через насадки с разной геометрией проточного канала, рассмотрены особенности истечения через них. Дано описание лабораторной установки, указан порядок выполнения работы и обработки экспериментальных данных.

В конце работы приведён перечень контрольных вопросов для подготовки к выполнению работы и её защиты после выполнения.

Практикум предназначен для самостоятельной работы при подготовке

клабораторному занятию по курсам:

-«Гидравлика и гидропневмопривод» для студентов специальности

23.05.01 «Наземные транспортно-технологические средства» и бакалавров направлений: 23.03.03 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов»

-«Гидравлика» для бакалавров направлений: 15.03.05 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств»

-«Механика жидкости и газа» для бакалавров направления 15.03.01 «Машиностроение»

Рассмотрено и одобрено на заседании кафедры ТГи ВВ Протокол № 5 от 23.01.15

Рецензент д.т.н., профессор О.Д. Черепов

2

Лабораторная работа № 7 Истечение жидкости через отверстия и насадки

1. Цель работы

Освоение методики экспериментального определения коэффициентов скорости, расхода и сопротивления при истечении жидкости через отверстия и насадки различной геометрической формы, получение численных значений этих коэффициентов и сопоставление их со значениями из литературных источников.

2.Теоретические основы истечения капельных жидкостей

2.1Классификация отверстий и насадок

Отверстием в тонкой стенке (рисунок 1) называют отверстие, толщина стенки которого δ не превышает диаметра отверстия d и поэтому не влияет на характер истечения. При истечении жидкости из отверстия имеют место только местные потери напора, связанные с изменением скорости тока с состоянием входной кромки отверстия. Отверстием в толстой стенке считают отверстие при истечении, через которое струя кроме местного сопротивления испытывает сопротивление трения по длине. Чтобы это происходило, длина отверстия ℓ должна быть больше трех диаметров отверстия d. При ℓ ≥ 3d отверстие в толстой стенке можно классифицировать как насадок.

Насадком называют короткий внутренний или наружный патрубок, приставленный к отверстию в тонкой стенке с целью изменения скорости или расхода жидкости.

3

коноидальные. Кроме указанных применяется комбинация коноидального и конического расходящегося насадка – диффузорный насад к (рисунок 2).

Типы насадков: а) цилиндрический внешний; б) цилиндрический внутренний; в) конический сходящийся; г) конический расходящийся; д) коноидальный; е) диффузорн ый.

Рисунок-2 Различные виды насадков

2.2Истеч ение жидкости через трубопровод из бака с постоянным уровнем жидкости

4

Скорость течения и расхода жидкости через трубопровод будут являться основными параметрами при изучении истечения жидкости через трубопровод. Рассмотрим истечение жидкости в атмосферу из большого резервуара, имеющего отверстие в тонкой стенке на достаточно большой глубине от свободной поверхности Hот к которому приставлен (приварен) трубопровод (рисунок 3) с длиной ℓ значительно большей диаметра отверстия (внутреннего диаметра трубопровода) dот. Должно соблюдаться условие ℓ > 3,5dот.

Рисунок 3. Истечение жидкости через трубопровод.

Опыт показывает, что частицы жидкости приближаются к отверстию из всего прилежащего объема, двигаясь ускоренно по различным плавным траекториям. У кромки отверстия струя открывается от стенки и сжимается. Сжатие струи обусловлено центробежными силами частиц жидкости, движущихся при подходе к отверстию по криволинейным траекториям. Степень сжатия струи оценивается коэффициентом сжатия , равным отношению площади поперечного сечения струи в сжатом сечении к площади отверстия. Принято считать, что сжатие находится на расстоянии 0,5 dот от входного сечения, совпадающего с внутренней стенкой бака, а входная кромка является острой.

с.

от

За пределами плоскости сжатия сечения поток расширяется, заполняя всё поперечное сечение трубопровода.

Найдём среднюю скорость и расход Q жидкости, протекающей по трубопроводу длиной ℓ. Для этого запишем уравнение Д. Бернулли для сечений 1-1 и 2-2 (рисунок 3), приняв за плоскость уравнения осевую линию трубопровода и, имея в виду, что резервуар открыт, жидкость маловязкая (вода) и вытекает в конечном сечении 2-2 в атмосферу.

При написании уравнения использованы общепринятые обозначения параметров и поэтому здесь их смысл не раскрывается. Потери на трение и на местных сопротивлениях определяем по формулам Дарси – Вейсбаха и Вейсбаха

виде их малости. Расход жидкости через трубопровод определится как произведение скорости движения на площадь поперечного сечения трубопровода.

Для трубопроводов коэффициенты φ тр и µтр совпадают.

2.3 Истечение жидкости через насадки

Насадки представляют из себя частный случай трубопровода без местных сопротивлений, укороченного до размера ℓн ≈ (3 ÷ 3,5)dот. (рисунок 4).

Рисунок 4. Схема истечения жидкости через насадок

При истечении жидкости через насадки возможны два вида сжатия потока: внутреннее (внутри насадка) и внешнее (в выходном сечении). Расчёты режимных параметров насадков производят по выходному сечению.

Скорость и расход жидкости определяют по тем же формулам (3) и (5), что и для течения жидкости через трубопровод, отличие состоит лишь в численном значении коэффициентов скорости φ и µ

6

которые по своим численным значениям совпадают.

Истечение жидкости через насадки характеризуется двумя особенностями:

-за входным сечением внутри большинства насадков образуется вакуум, который увеличивает действующий напор;

-жидкость, протекающая через насадок, испытывает потери на местных сопротивлениях при входе в насадок и расширение в насадке.

Действие этих двух факторов противоположно: за счёт первого увеличивается расход жидкости, за счёт второго уменьшается скорость в выходном сечении. Следовательно, для коротких насадков коэффициенты скорости φ и расхода µ будут больше, чем для длинных. Численные значения φ и µ для насадков совпадают, т.е. φн = µн.

Наличие сжатого сечения внутри насадка в случае истечения в атмосферу приводит к образованию вакуума в сжатом сечении. Если давление в этом сечении станет меньше давления насыщенных паров при данной температуре, т.е. Pсж ≤ Pн.п., то поток отрывается от стенки насадка. Этот режим истечения называют критическим.

Использовав уравнение Д. Бернулли и уравнение неразрывности можно показать, что при истечении в атмосферу при давлении на свободной поверхности жидкости в баке равном атмосферному

цилиндрические, но имеют другие значения коэффициентов скорости и расхода, которые зависят от угла конусности насадка α. В расходящихся насадках максимальный угол конусности составляет α ≈ 12˚. Дальнейшее его увеличение приводит к тому, что коэффициент потерь насадка резко возрастает и его применение становится нецелесообразным.

В применяемых на практике конических сходящихся насадках образование вакуума не происходит, так как скорость струи в сжатом сечении сж не больше выходной

устройствах и аппаратах, где требуется высокая кинетическая энергия струи (в пожарных брандспойтах, гидромониторах, наконечников фонтанов, соплах гидравлических турбин и т.д.).

В конических расходящихся насадках наблюдается значительный вакуум, большая пропускная способность и малые скорости потока в выходном сечении, чем в

7

входной участок выполняется по сложной поверхности двоякой кривизны, а выходн ой имеет цилиндрическую ф орму. Коэффициент сжатия струи в этих насадках принимают равным единиц е.

Указанная форма внутренней поверхности коноидального насадка обеспечивает безотрывность течения жидкости внутри насадка и параллельноструйность в выходном сечении. Это самый совершенный насадок, так как его коэффициент расхода близок к

Таблица 1 – Коэфф ициенты истечения для насадков различного вида.

8

9

2.4 Истечение жидкости через отверстия

Если отсоединить от бока трубопровод (рисунок 3) или насадок (рисунок 4), то будем иметь истечение через отверстие (рисунок 5) в тонкой стенке. Особенностью его будет являться меньшая площадь проходного сечения

которые являются частным случаем более общих формул, используемых при определении скорости течения жидкости в трубопроводе и расхода жидкости через него. Так как расход жидкости определяется как произведение действительной скорости истечения на фактическую площадь сечения сжатой струи, то

На рисунке 6 показана эта зависимость для названных коэффициентов

10