Истечение через насадки

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту
Узнать стоимость

 

Внешним цилиндрическим насадком (Рис. 32) называется короткая трубка длиной, равной нескольким диаметрам без закругления входной кромки. На практике такой насадок часто получается в тех случаях, когда выполняют сверление в толстой стенке и не обрабатывают входную кромку.

Истечение через такой насадок в газовую среду может происходить двояко. Первый режим истечения показан на первом и втором рисунках, а второй на третьем. При первом режиме струя после входа в насадок сжимается примерно так же, как и при истечении через насадок в тонкой стенке. Затем вследствие взаимодействия сжатой части струи с окружающей ее

 

Рис. 32. Истечение через внешний цилиндрический насадок

 

завихренной жидкостью, струя постепенно расширяется до размеров отверстия и из насадка выходит полным сечением. Этот режим истечения называют безотрывным.

Так как на выходе из насадка диаметр струи равен диаметру отверстия, то e = 1 и, следовательно, m = j. Осредненные значения коэффициентов для этого режима истечения маловязких жидкостей (при больших Re) следующие:

m = j = 0,8;         x = 0,5.

В этом режиме истечения по сравнению с истечением из отверстия в тонкой стенке расход получается больше из-за отсутствия сжатия струи на выходе из насадка, а скорость меньше вследствие большего сопротивления. Для вычисления коэффициента расхода при безотрывном истечении можно рекомендовать следующую эмпирическую формулу:

Из формулы следует, что при Re ® ¥ m = m max = 0,813.

Минимальная относительная длина насадка l/d, при которой может реализоваться первый режим истечения, приблизительно равна 1. Однако, и при достаточных значениях l/d не всегда возможен этот режим.

Найдем давление внутри насадка и условие, при котором возможен безотрывный режим истечения.

Пусть истечение происходит под действием давления p0 в среду газа с давлением p2. Расчетный напор в этом случае равен

Так как давление на выходе из насадка p2, в суженном сечении 1–1, где скорость больше, давление p1 < p2. При этом, чем больше напор H, а значит и расход Q, тем меньше давление p2. Разность давлений p2 – p1 растет пропорционально напору H. Запишем уравнение Бернулли и убедимся в этом:

где последний член уравнения – потеря напора на расширение потока, которое в данном случае происходит примерно так же как и при внезапном расширении трубопровода.

Отношение скоростей

Исключим из уравнения Бернулли V1 c помощью этого соотношения и заменим  и найдем падение давления внутри насадка:

Подставив j = 0,8 и e = 0,63, получим  p2 – p1 » 0,75grH.

При некотором критическом значении  напора Hкр абсолютное давление внутри насадка становится равным давлению насыщенных паров, поэтому

если пренебречь величиной давления насыщенных паров. Следовательно, при H > Hкр давление p1 должно стать отрицательным, что быть не может, поэтому безотрывный режим истечения при H > Hкр становится невозможным и, происходит переход ко второму режиму истечения.

Второй режим истечения характеризуется тем, что струя после сжатия уже не расширяется, а сохраняет цилиндрическую форму и перемещается внутри насадка, не касаясь его стенок. Истечение становится точно таким же, как из отверстия в тонкой стенке. Следовательно, при переходе от безотрывного режима истечения к отрывному происходит увеличение скорости и уменьшение расхода. Если через внешний цилиндрический насадок происходит истечение воды в атмосферу, то

Если при втором режиме истечения уменьшить напор, то этот режим сохранится вплоть до самых малых H. Это значит, что второй режим истечения возможен при любых напорах, а при H < Hкр возможны оба режима истечения.

При истечении через цилиндрический насадок под уровень первый режим не будет отличаться от описанного выше, но, когда абсолютное давление при увеличении H упадет до давления насыщенных паров, перехода ко второму режиму не будет, а наступает кавитационный режим, при котором расход перестает зависеть от противодавления p2, то есть проявляется эффект стабилизации. При этом, чем меньше относительное противодавление

,

тем шире область кавитации внутри насадка и тем меньше коэффициент расхода m.

Таким образом, внешний цилиндрический насадок имеет существенные недостатки: на первом режиме – большое сопротивление и недостаточно высокий коэффициент расхода, а на втором – очень низкий коэффициент расхода. Кроме того, двойственность режима истечения в газовую среду при H < Hкр, двузначность расхода при данном H и возможность кавитации при истечении под уровень.

Внешний цилиндрический насадок может быть значительно улучшен путем закругления входной кромки или устройства конического входа с углом конусности около 60°. Чем больше радиус закругления, тем ниже коэффициент сопротивления и выше коэффициент расхода. В пределе, при радиусе, равном толщине стенки, такой насадок приближается к коноидальному насадку, или соплу.

 


Рис. 33. Коноидальный насадок (сопло)

 

Коноидальный насадок (сопло), представленный на Рис. 33, очерчивается приблизительно по форме естественно сжимающейся струи и благодаря этому обеспечивает безотрывность течения внутри насадка и параллельноструйность в выходном его сечении. Это широко распространенный насадок, так как он имеет коэффициент расхода, близкий к 1 и очень малые потери, а также устойчивый режим течения без кавитации. Для него x = 0,03 ¸ 0,1; m = j = 0,96 ¸ 0,99.


Рис. 34. Диффузорный насадок

 

Диффузорный насадок (Рис. 34) – это комбинация сопла и диффузора. Добавление к соплу диффузора приводит к снижению давления в узком месте насадка, а следовательно, к увеличению скорости и расхода жидкости через него.


При том же диаметре узкого сечения, что и у сопла, и том же напоре диффузорный насадок может дать значительно больший расход (до 2,5 раза), чем сопло.

Однако, использовать такой насадок можно только при малых напорах (1 ¸ 4 м), так как иначе в узком месте насадка возникает кавитация. Следствием кавитации является большое сопротивление и снижение коэффициента расхода (при больших напорах – в 2 раза).

Внутренний цилиндрический насадок – трубка, закрепленная с внутренней стороны стенки. Для него характерны также два режима истечения, как и для внешнего, но в связи с тем, что жидкость при входе в насадок меняет направление движения в большей степени (вплоть до 180°), то сжатие струи получается более значительным (e = 0,5), больше получается и коэффициент сопротивления x = 1, а коэффициент расхода меньше, чем у внешнего насадка: m = 0,71.

 

Предыдущие материалы: Следующие материалы:
Внимание!
Если вам нужна помощь в написании работы, то рекомендуем обратиться к профессионалам. Более 70 000 авторов готовы помочь вам прямо сейчас. Бесплатные корректировки и доработки. Узнайте стоимость своей работы.