Истечение жидкости через насадки

Насадком называется короткий отрезок трубопровода (патрубок) определенной формы, устанавливаемый вместо отверстия для регулирования скорости истечения, расхода или того и другого. Насадки бывают цилиндрические, конические сходящиеся, коноидальные, конические расходящиеся, комбинированные.

Рассмотрим вначале истечение через цилиндрический насадок (рис. 5.8),

внутренний диаметр которого равен d, площадь сечения − ω, а длина − L.

При прохождении жидкости через насадок струя вначале сжимается, затем расширяется, доходя до стенок насадка, и вытекает из него, имея диаметр d. Внутри насадка образуется вихревая зона А. Так как в сечении 2−2 площадь

сечения меньше, чем на выходе (где давление равно атмосферному), то скорость там больше, чем на выходе, а давление − меньше атмосферного.

Поэтому во всей зоне А устанавливается давление меньше атмосферного; она называется областью вакуума.

Запишем уравнение Бернулли для сечений 1−1 и 3−3. В отличие от истечения через отверстие, здесь, кроме местных потерь, имеются путевые.

.

Введя обозначение Н в соответствии с формулой (5.16), получим:

.

Отсюда ,

где − коэффициент скорости насадка. (5.23)

Из этой формулы видно, что при увеличении длины насадка коэффициент скорости, а, значит, и скорость истечения уменьшаются. Поэтому чем короче насадок, тем лучше. Однако при очень малой его длине (меньшей, чем длина зоны вакуума) в эту зону зайдет атмосферный воздух, вакуум исчезнет, струя отойдет от стенки, и насадок будет работать как обычное отверстие.

Оптимальной является длина насадка, равная (3…4)d. При этом .

После выхода из насадка сжатия струи нет, поэтому .

Расход через насадок равен: .

Сравнивая формулы для скорости истечения и расхода через насадок и отверстие, видим, что они одинаковы. Поэтому при равных Н и ω скорость истечения определяется коэффициентом φ , а расход − коэффициентом .

Цилиндрический насадок, как и любой другой насадок, имеющий в каком-либо месте площадь сечения меньше, чем на выходе, подвержен опасности возникновения кавитационного режима.

Найдем условия его возникновения для данного насадка, составив уравнение Бернулли для сечений 1−1 и 2−2. При этом учтем только местные потери при входе струи в насадок (они такие же, как при входе в отверстие).

. (5.24)

Из уравнения постоянства расхода . Но .

Поэтому . Подставив это значение V₂ в (5.24), получим:

. (5.25)

. В формуле (5.25) к левой части прибавим и отнимем и учтем, что :

или

.

Отсюда

. (5.26)

Подставив в это выражение значения всех коэффициентов, можно получить, что численное значение выражения в квадратных скобках составляет 0,735.

Тогда из (5.26) получим:

; .

Для воды при можно получить предельное значение напора, при котором возникнет кавитация: м.

Рассмотрим теперь другие виды насадков (рис.5.9).

Рис.5.9. Виды насадков

Конический сходящийся насадок(рис. 5.9, а) применяется там, где требуется получить компактную струю с большим расходом и большой скоростью истечения (с большой кинетической энергией и дальнобойностью).

На входе в насадок образуется небольшая вихревая зона. Коэффициенты и

зависят от угла Θ. При оптимальном значении .

Коноидальный насадок(рис. 5.9, b)по форме соответствует коническому сходящемуся, но имеет плавно скругленный вход для уменьшения местных потерь. Применяется там же, где предыдущий; .

Конический расходящийся насадок(рис. 5.9, с)применяется там, где требуется получить большой расход при небольшой скорости истечения, например, в дождевальных установках, трубах под насыпями дорог (чтобы уменьшить размыв грунта). При входе в насадок линии тока огибают острый угол, в результате чего образуется весьма объемная зона вакуума. В насадке

происходит дополнительный подсос жидкости из резервуара, благодаря чему коэффициент расхода больше единицы.

Угол расхождения насадка не должен превышать 8…10 град, иначе возможен отрыв потока от его стенок. При этом насадок будет работать в режиме обычного отверстия.

Для такого насадка возможен кавитационный режим.

Комбинированный насадок(рис. 5.9, d)представляет собой комбинацию коноидального и конического расходящегося насадка. Применяется для истечения газов и пара (сопло Лаваля).

При так называемом надкритическом перепаде давлений между сосудом и внешней средой в узком сечении такого насадка устанавливается скорость, равная скорости звука. В этом случае при расширении газового потока скорость газа не уменьшается (как у жидкости), а увеличивается и в несколько раз может превышать звуковую. Применение такого сопла, например, в ракетных двигателях позволяет получить большую реактивную силу (тягу) двигателя.

Применение сопел Лаваля в пропарочных камерах при изготовлении

сборного железобетона, предложенное доцентом кафедры «Гидравлика и теплотехника» ИжГТУ В.А. Шумиловым и внедренное на десятках предприятий страны, позволяет существенно повысить интенсификацию процесса и снизить потребное время обработки.