Общие сведения. В гидравлике различают малые и большие отверстия

В гидравлике различают малые и большие отверстия. Малым назы­вают отверстие,вертикальный размер которого существенно (в 5 -10 раз) меньше напора истечения. В этом случае скорость вытекающей струи по се­чению отверстия можно считать одинаковой. Если струя касается только кромки отверстия, то стенку,в которой выполнено отверстие, в гидравличе­ском смысле называют тонкой.Такой случай истечения наблюдается при острой кромке отверстия, либо при толщине стенки менее половины диамет­ра отверстия.

Струя на выходе из отверстия в тонкой стенке сжимается, достигая на некотором (около 0,5 диаметра отверстия) расстоянии наименьшего сечения, называемого сжатым.Явление сжатия объясняется свойством частиц жид­кости, подходящих к отверстию с разных сторон, сохранять свое направление движения после прохождения отверстия. Степень сжатия струи оценивается коэффициентом сжатия

где - площадь сжатого сечения струи;

- площадь отверстия.

Насадкаминазывают патрубки длиной 3-4 диаметра, приставляемые к отверстию для увеличения расхода или придания струе особых свойств, например, дальнобойности.

При входе в цилиндрический насадок струя сначала сужается, отрыва­ясь от стенок и образуя циркуляционную зону с пониженным давлением (ниже атмосферного в случае истечения в атмосферу), а затем постепенно расширяется и заполняет все сечение насадка. Сжатия струи при выходе из насадка не происходит, поэтому коэффициент сжатия для выходного сечения насадка = I.

В инженерной практике скорость V и расход жидкости Q через отвер­стия и насадки определяют по формулам

V=

(7.1)

где - коэффициент скорости, учитывающий снижение скорости за счет гидравлического сопротивления отверстия или насадка и представляю­щий отношение действительной скорости истечения к скорости истечения идеальной жидкости;

Н - напор истечения;

- площадь отверстия или выходного сечения насадка;

- коэффициент расхода, связанный с другими коэффициентам исте­чения соотношением

откуда видно, что учитывает снижение расхода, вызываемое гидравлическими сопротивлениями и сжатием струи.

В общем случае коэффициенты истечения , , зависят от числа Рейнольдса. На рис. 7.1 приведены такие зависимости для малого отверстия в тонкой стенке (сплошные линии) и для внешнего цилиндрического насадка (пунктирная линия). Из рисунка следует, что при развитом турбулентном режиме истечения (при Re>10⁵) численные значения коэффициентов становятся постоянными и равными:

для малых круглых отверстий в тонкой стенке

=0,97; =0,64; =0,97- 0,64=0,62;

для внешнего цилиндрического насадка

=0,82; =1; = =0,82

Сравнение указанных коэффициентов для отверстия и насадка показы­вает, что присоединение к отверстию внешнего цилиндрического насадка обеспечивает при развитом турбулентном режиме истечения увеличение расхода ( )примерно на 30%. Этот эффект объясняется большей площадью сечения струи на выходе из насадка, чем за отверстием в сжатом сечении ( < ), и более полным использованием исходной энергии напора на истече­ние. Так, на выходе из отверстия скорость велика ( > )и, следовательно, значительная часть энергии жидкости уносится струей и не используется на истечение. В насадке же, выходная скорость мала, так как часть напора за­трачивается на подсасывание дополнительного количества жидкости из бака в зону пониженного давления.

Следует помнить, что при Re<1000 применение насадка не только не увеличивает коэффициент расхода, но даже уменьшает его по сравнению с истечением из отверстия (см. рис. 7.1).

Явление истечения жидкости из отверстий и насадков широко исполь­зуется в технике. Так, истечение жидкости через отверстия в тонкой стенке - процесс, характерный в большинстве случаев для безнапорных водопропуск­ных труб под насыпью дорог, расходомерных диафрагм, клапанов, распреде­лителей, дросселей и других устройств гидросистем.

Роль цилиндрических насадков выполняют патрубки для выпуска жидкости из резервуаров и водоемов, а также всевозможные краны, дорож­ные напорные трубы. Конические сходящиеся насадки применяются для получения больших скоростей, силы и дальности полета струи в пожарных брандспойтах, форсунках для подачи топлива, фонтанных соплах, гидромониторах для размыва грунта. Конические расходящиеся насадки служат для замедления течения жидкостей и увеличения расхода в пенных огнетушите­лях, струйных насосах, отсасывающих трубах гидравлических турбин.