Л.Л. Моисеев Исследование истечения жидкости через отверстия и насадки

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

КУЗБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра стационарных и транспортных машин

ИССЛЕДОВАНИЕ ИСТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ ЧЕРЕЗ ОТВЕРСТИЯ И НАСАДКИ

Методические указания к лабораторной работе по курсу “Гидрогазодинамика” для студентов направления 550900 “Теплоэнергетика”

Составители Л.Л. МОИСЕЕВ В.П. РЫНДИН

С.Ю. ХАРЧЕНКО

Утверждены на заседании кафедры Протокол № от 196 от 11.04.02 Рекомендованы к печати методической комиссией по направлению 550900 Протокол № 6 от 28.06.02

Электронная копия находится в библиотеке главного корпуса ГУ КузГТУ

Кемерово 2003

1

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Определение коэффициентов расхода, скорости, сопротивления и сжатия для отверстия и насадков, измерения времени истечения жидкости при переменном напоре.

2.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

2.1.Истечение жидкости через малое отверстие в тонкой стенке при постоянном напоре

где υ – скорость истечения жидкости в сжатом сечении 2-2; g – ускорение свободного падения; H – глубина погружения отверстия; ϕ – коэффициент скорости.

где ξ – коэффициент местного сопротивления, ξ = 0,06.

Измерив координаты струи Х и Y (рис.1), можно вычислить коэффициент скорости по формуле

2.2. Истечение жидкости через насадки при постоянном напоре

Насадком называется короткий патрубок длиной l=(3 ÷ 4)d, приставленный к отверстию в резервуаре. Насадки применяются на практике с целью увеличения расхода, получения дальнобойной струи и т.п. По форме насадки разделяются на цилиндрические, конические сходящиеся, конические расходящиеся, коноидальные (выполненные по форме сжатой струи) и др. По расположению относительно сосуда - на внешние и внутренние (входит внутрь сосуда).

Для определения скорости истечения и расхода жидкости через насадки применяются те же формулы (2) и (5), что и для отверстия в тонкой стенке, только коэффициенты φ, ε, µ и в этих формулах будут иметь другие значения (табл. 1).

4

ском насадке больше, чем в отверстии, и складываются из потерь при обтекании кромок отверстия при выходе, потерь при расширении струи после сжатия в сечении 1 - 1 и потерь по длине насадка. Для цилиндрического насадка струя в сечении 2 - 2 заполняет все сечение. Поэтому

ε = 1 и µ = 0,82.

2.4. Сопоставление расхода и скорости истечения жидкости через цилиндрический насадок и отверстие в тонкой стенке

В случае цилиндрического насадка:

Qн = 0 ,82ω2 gН ; υí = 0,82 2gH

Для отверстия в тонкой стенке:

Qo =0,62ω 2gН ; υo =0,97 2gH

Если величины Н и ω для насадка и отверстия одинаковы:

Следовательно, внешний цилиндрический насадок по сравнению

сотверстием, увеличивает на 34 % расход жидкости, вытекающей из сосуда, и уменьшает скорость истечения на 15%.

Увеличение расхода объясняется тем, что при помощи насадка увеличивается площадь сечения струи в сечении 2 - 2. Уменьшение скорости обусловлено увеличением потерь напора в связи с расширением струи в насадке (между сечением 1 - 1 и 2 - 2).

Цилиндрический насадок дает увеличение расхода по сравнению

сотверстием только при выполнении ряда условий. Наиболее важными из них следующие:

1)насадок должен иметь длину не менее (3 ÷ 4) d;

2)абсолютное давление в насадке вблизи сжатого сечения должно быть больше давления парообразования при заданной температуре. Для воды считается допустимым вакуум 8 м вод. ст.

5

2.6. Истечение жидкости через отверстия при переменном уровне

При решении ряда задач часто приходится встречаться со случаем, когда истечение жидкости из сосуда происходит при переменном уровне. При этом необходимо определить время истечения жидкости из сосуда.

Время определяется по формуле

где t – время истечения; Ω – площадь сосуда; Н1 – начальный уровень воды в сосуде; Н2 – конечный уровень воды в сосуде; µ - коэффициент расхода жидкости через отверстие; ω – площадь сечения отверстия.

Уровни замеряются от оси отверстия до свободной поверхности.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

3.1. Описание лабораторной установки

Рис. 3. Схема лабораторной установки

Лабораторная установка (рис. 3) для исследования истечения жидкости через отверстия и насадки состоит: из напорного бака 1 , в боковой стенке которого имеется гнездо, куда вставляется пластина с отверстием или насадок 2; мерного бака 3 c пьезометром 4, для измерения расхода жидкости; сливного трубопровода с вентилем 8; подводя-

6

щего трубопровода с вентилем 5 для подачи жидкости в напорный бак; пьезометра 6 для измерения уровня жидкости в напорном баке и измерительного устройства 7 для определения координат струи.

3.2. Порядок проведения опыта

Приступить к работе можно только с разрешения преподавателя. В гнездо, расположенное в боковой стенке напорного бака, вставить пластину с отверстием или насадок и закрепить нажимной гайкой. Открыть вентиль 5 подводящего трубопровода, наполнить напорный бак 1 водой до некоторой высоты H, наблюдение ведется по пьезометру 6. В это время отверстие или насадок должны быть закрыты задвижкой. Наполнив напорный бак, полностью открыть задвижку и вентилем 5 добиться равенства притока воды в бак и расхода ее через насадок или отверстие. В этом случае уровень воды в пьезометре 6 будет постоянным. Затем необходимо закрыть вентиль 8 на сливном трубопроводе мерного бака и записать начальный уровень воды по пьезометру 4, а через 3-4 минуты конечный уровень. Время измерять секундомером. Одновременно снимаются показания по пьезометру 6 и коор-

динаты струи X и Y с помощью измерительных линеек 7.

Затем закрыть вентиль 5 подводящего трубопровода и при переменном напоре определить время истечения воды. Снятие показаний пьезометра 6 в этом случае производится одновременно в момент пуска и остановки секундомера. В процессе проведения опыта с переменным напором уровень воды в мерном баке 3 и координаты струи не измеряются. Данные замеров вносятся в табл. 2.

3.3. Обработка экспериментальных данных

По данным замеров (табл.2) производится вычисление требуемых величин по нижеприведенным формулам.

1. Объем воды, вытекшей за время опыта:

W=Sh,

где S – площадь сечения мерного бака; h = h1-h0 – приращение уровня воды в мерном баке; h0 – уровень воды в мерном баке в начале опыта; h1 – уровень воды в мерном баке в конце опыта.

7

2. Секундный расход

Q = W/τ,

где τ – время проведения опыта.

Коэффициент расхода определяется по формуле (5). Коэффициент скорости – по формуле (4). Коэффициент сжатия струи - по формуле (6). Коэффициент сопротивления – по формуле (3).

Время истечения воды при переменном напоре определяется по формуле (7).

Данные расчетов сводятся в табл. 3. Опытные значения искомых величин сопоставляются с табличными (табл. 1).

3.4.Контрольные вопросы

1.Какое отверстие называется малым?

2.Какая стенка называется тонкой?

3.Что называется коэффициентом сжатия струи?

4.Как определить скорость истечения и расход жидкости из отверстия, если известен напор?

5.Как экспериментально можно определить коэффициенты скорости, сжатия и расхода?

6.Какие разновидности насадков вы знаете?

7.Особенности движения жидкости в цилиндрической насадке.

8.Как изменится расход и скорость истечения жидкости, если к отверстию приставить внешний цилиндрический насадок (площади сечений насадка и отверстия одинаковы)?

9.Что такое коноидальный насадок?

10.Как рассчитать время полного опорожнения резервуара?

Данные замеров

9

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.Гидравлика и гидропривод / В.Г. Гейер, В.С. Дулин, А.Н. Заря. –

М.: Недра, 1991. – 336 с.

2.Гидравлика, гидромашины и гидроприводы / Т.М. Башта

3.Гидравлика / Д.В. Штеренлихт. – М.: Энергоатомиздат, 1991 и

др. – М.: Машиностроение, 1982. – 423 с.. – 351 с.

4.Гидравлика, водоснабжение, канализация / В.Н. Калицун, В.С. Кедров, Ю.М. Ласков, П.В. Сафонов. – М.: Стройиздат, 2000. – 397 с.