Лабораторная работа 11. Определение коэффициента расхода при истечении жидкости через насадки

11.1. Цель работы

Опытным путем определить коэффициенты расхода насадков различных типов. Определить величину вакуума для цилиндрического и конически расходящегося насадков.

11.2 Задачи работы

• определить расход воды, проходящей через насадки;

• найти коэффициент расхода для разных насадков;

• значения коэффициентов , полученных из опыта, сравнить с табличными данными.

11.3 Краткие теоретические сведения

Насадки делятся на три основных типа: цилиндрические, конические и коноидальные (рис. 11.1).

Цилиндрические насадки подразделяются на внешние и внутренние, конические – на сходящиеся и расходящиеся.

Струя жидкости, войдя в насадок, так же, как и при истечении из отверстия, сначала подвергается сжатию. Затем струя постепенно расширяется, заполняет насадок целиком и вытекает из него полным сечением, равным площади выходного отверстия.

В сжатом сечении образуются зоны разреженного давления, которые заполнены жидкостью, находящейся в состоянии вихревого движения. Вследствие наличия этих зон гидравлические потери в насадке возрастают, а коэффициент скорости снижаются до значения 0,82 .против 0,97 при истечении жидкости через круглое отверстие в тонкой стенке.

Величину вакуума в сжатом сечении можно определить по формуле, полученной путем применения уравнения Бернулли к сжатому сечению и выходному отверстию:

.

Рисунок 11.1 – Типы насадков: а) внешний цилиндрический насадок; б) внутренний цилиндрический насадок (насадок Борда; в) конический расходящийся насадок;

г) конический сходящийся насадок; д) коноидальный насадок

Таким образом, вакуум в сжатом сечении насадки пропорционален действующему напору.

Вследствие наличия потерь напора в цилиндрическом насадке его коэффициент гидравлического сопротивления значительно выше коэффициента сопротивления отверстия в тонкой стенке и может быть найден по формуле:

.

При значениях 0,82; 0,64 и 0,49 0,75Н.

Коэффициент расхода цилиндрического насадка равен величине коэффициента скорости при истечении через круглое отверстие (0,82), так как струя жидкости вытекает, не испытывая сжатия ( 1,0).

Таким образом, цилиндрический насадок увеличивает расход жидкости через отверстие одинакового диаметра в отношении:

, или на 32 %

и уменьшает скорость струи на выходе из насадка в отношении:

,

или на 15 %.

В цилиндрическом насадке сжатие струи происходит в начальном сечении и выходное сечение работает полностью. Поэтому коэффициент сжатия, отнесенный к выходному сечению, для цилиндрического насадка равен единице, а коэффициент расхода равен коэффициенту скорости , то есть:

.

Увеличение пропускной способности при этом же диаметре отверстия является основным назначением цилиндрических насадков.

В конически расходящихся насадках в сжатом сечении создается более глубокий вакуум, чем в цилиндрических.

Оптимальный угол конусности составляет 5-7°. При большем угле конусности происходит отрыв струи от стенок, и насадок начинает работать как отверстие в тонкой стенке.

Благодаря большой потере напора на расширение за сжатым сечением коэффициент расхода для конически расходящихся насадков значительно меньше, чем для цилиндрических. Однако, если отнести коэффициент расхода конически расходящихся насадков к входному сечению, то его величина достигает больших значений, порядка 2–3.

Отличительными особенностями конически расходящихся насадков являются: значительный вакуум, большая пропускная способность, малые скорости на выходе.

Эти насадки применяются, когда нужно увеличить расход, имея при этом малые скорости потока. В гидравлических машинах они служат для преобразования кинетической энергии давления, например, в направляющем аппарате центробежных насосов и т. д.

Конические сходящиеся насадки имеют форму конуса, сходящегося по направлению к выходному сечению. Коэффициент расхода такого насадка зависит от угла конусности и достигает своего максимального значения при угле 13°24. В этом Случае площадь сжатого сечения оказывается равной площади выходного сечения.

При дальнейшем увеличении угла конусности происходит затрата энергии на сжатие струи по выходе из насадка, что соответственно сказывается и на уменьшении коэффициента расхода и коэффициента скорости .

Основным назначением конические сходящихся насадков является увеличение скорости на выходе. Поэтому такие насадки, имеющие компактную струю, применяются в качестве сопл гидромониторов, наконечников пожарных брандспойтов и т. д.

Коноидальный насадок представляет собой усовершенствованный цилиндрический насадок. Коноидальные насадки очерчены точно по профилю струи. Такая форма устраняет сжатие струи и все потери энергии сводятся к минимуму. Коэффициенты скорости и расхода коноидального насадка являются наивысшими для всех насадков.

Коноидальные насадки создают наибольшую кинетическую энергию вытекающей струи.

Формула для расхода через насадки имеет такой же вид, как и для малого отверстия в тонкой стенке.

Численные значения коэффициентов , , , для насадков различных типов приведены в табл. 11.1.