Истечение жидкости через насадки

Насадком называется короткая труба, присоединенная герметично к стенке с отверстием в ней. Гидравлический насадок можно получить и в виде отверстия в стенке толщиной не менее (2…4)d отверстия.

Насадки применяют либо для изменения характеристик истечения жидкости (увеличения расхода), либо для получения струи требуемой структуры (с развитой, компактной или раздробленной частями, изменением дальнобойности и т.д.).

Известны следующие типы насадков:

- внешний цилиндрический насадок (насадок Вентури);

- внутренний цилиндрический насадок (насадок Борда);

- конические насадки: сходящийся, расходящийся;

- коноидальный насадок. Это насадок с воронкообразным входом, имеющим форму струи жидкости, вытекающей из отверстия в тонкой стенке.

Рассмотрим особенности течения в насадках на примере внешнего цилиндрического насадка (рис. 13.5).

Рис. 13.5

При подсоединении насадка к отверстию сжатое сечение струи изолируется от окружающей среды (атмосферы). В области сжатого сечения струи в результате ее сужения и образования между струей и стенками насадка сосредоточенных вихрей большой интенсивности давление снижается, т.е. р_с < р_а. Образуется вакуум: р_вак = р_а – р_с.

Путем подсоединения пьезометрической трубки к насадку в области сжатого сечения замеряется приведенная пьезометрическая высота:

.

Тогда величина вакуума определяется по формуле:

Р_вак = γh_вак.

На основании опытных данных ориентировочно можно принять, что

h_вак = (0,7…0,8)Н.

Образование вакуума в насадке и определяет изменение параметров истечения.

При истечении жидкости из отверстия в атмосферу, когда р₀ = р_н = р_а, расход жидкости определяется по формуле (13.8):

Q₀ = μ₀S_{0 .}

Если к отверстию приставить насадок того же диаметра, учитывая уравнение неразрывности, расход жидкости при истечении из насадка в этом случае будет равен

.

Из этого уравнения видно, что истечение жидкости через насадок происходит не под напором Н, а под большим напором, равным .

Подсасывающее влияние насадка () учитывается коэффициентом расхода μ_н. Расход жидкости при истечении из насадка определяется уравнением

Q_н = μ_нS_н ,

где S_н – площадь сечения насадка, м²;

m_н = e_нj_н = j_н – коэффициент расхода насадка.

На выходе из насадка сжатие струи отсутствует, и коэффициент сжатия в выходном сечении струи равен единице, т.е. e_н = 1.

Чем больше вакуум в насадке, тем больше коэффициент расхода μ_н, и, следовательно, больше расход жидкости через насадок Q_н.

Для внешнего цилиндрического насадка μ_н = 0,82.

Нормальная работа насадка возможна при соблюдении двух условий:

1) длина насадка должна быть в пределах: (3…4)d £ ℓ_н ³ (6…7)d, где d - диаметр насадка;

2) максимальный вакуум (в сжатом сечении) не должен превышать критическую величину, при которой давление в жидкости приближается к давлению упругих паров.

При несоблюдении второго условия может произойти срыв вакуума и отрыв струи от внутренних стенок насадка.

При ℓ_н < (3…4)d струя не успевает расшириться до полного сечения насадка.

При ℓ_н > (6…7)d вместо насадка имеем короткий трубопровод, для которого нельзя пренебрегать потерями напора по длине.

Конические сходящиеся насадки применяются там, где необходимо получить большие скорости истечения, большую дальность полета струи и силу ее удара, например, в пожарных брандспойтах. Для таких типов насадков коэффициенты расхода и скорости не равны между собой, т.к. при выходе из насадка струя немного сжимается, а, следовательно, величина e_н < 1.Поскольку потери напора, определяемые степенью расширения струи в насадке, для данного типа незначительные, то величины коэффициентов расхода и скорости оказываются больше, чем в случае насадка Вентури. Опыт показывает, что величины коэффициентов расхода и скорости зависят от угла конусности a. Максимальная величина m_н = 0,946 имеет место при ∟a = 13⁰24´.

Конические расходящиеся насадки применяются там, где необходимо увеличить расход и в то же время уменьшить скорость истечения. В месте сжатия создается больший вакуум, чем в наружных цилиндрических насадках, поэтому они позволяют получить значительный всасывающий эффект. И они позволяют сформировать струю с высокой степенью диспергирования. Поэтому конические расходящиеся насадки применяются в инжекторах, форсунках, эжекторах, оросительных установках, химических аппаратах и т.д. при ∟a = 8⁰ m_н = 0,45.

.