Истечения через отверстия

При истечении жидкости из какого-либо резервуара происходит процесс превращения запаса потенциальной энергии в кинетическую энергию свободной струи. Основной вопрос исследования – определение скорости истечения и расхода жидкости для различных форм отверстий и насадков.

Рассмотрим истечение жидкости через круглое отверстие в тонкой стенке (рис. 4.20). Отверстием в тонкой стенке называется отверстие, толщина стенок которого составляет не более 1/4 диаметра. Рассмотрим случай, когда жидкость вытекает из резервуара в атмосферу (см. рис. 4.20). Напишем уравнение энергии в форме напоров для сечения 1-1 и С-С. Обозначим давление на поверхности жидкости в резервуаре p₀, – заглубление центра отверстия под уровнем жидкости в сосуде. Струя, вытекающая под давлением столба жидкости высотой и разностью давлений , при выходе из отверстия сжимается до сечения С-С. В сечении С-С струйки приблизительно параллельны и движение можно считать плавноизменяющимся, поэтому для этого сечения можно применить уравнение Бернулли. Такое сжатие обуславливается инерцией частиц жидкости, движущихся при подходе к отверстию по криволинейным траекториям. Степень сжатия струи оценивается коэффициентом

,

(4.21)

Рис. 4.20. Истечение жидкости из отверстия в тонкой стенке

где – отношение площади струи в сжатом сечении к площади отверстия.

Для плоскости сравнения, проведенной относительно оси отверстия, запишем уравнение Бернулли для движения жидкости от свободной поверхности, где скорость можно принять равной нулю, до сечения С-С

,

где – коэффициент сопротивления отверстия.

Выполним небольшие преобразования

или ,

где H – расчетный напор

.

(4.22)

Скорость истечения

,

(4.23)

где φ– коэффициент скорости.

Нами получена формула Торричелли для определения скорости струи, вытекающей из резервуара.

Если резервуар открыт, то , тогда

и .

(4.24)

Расход через сжатое сечение

,

где ε – коэффициент сжатия струи; – площадь сечения отверстия.

Окончательно получаем:

,

(4.25)

где μ – коэффициент расхода.