Файл: Рабинович, Е. З. Гидравлика учебник.pdf

Насадки имеют большое применение для различных технических целей. Примерами цилиндрических насадков являются трубы, слу­ жащие для выпуска жидкости из резервуаров и водоемов, всевоз­ можные краны и т. д.; конические сходящиеся насадки применяются для получения больших выходных скоростей и увеличения силы и дальности полета струи жидкости в пожарных брандспойтах, в форсунках для подачи топлива, гидромониторах для размыва грунта, фонтанных соплах, соплах активных гидравлических турбин; кони­ ческие расходящиеся насадки используются для замедления течения жидкости и соответственно увеличения давления — во всасывающих трубах гидравлических турбин, трубах под насыпями, для замедле­ ния подачи смазочных масел и т. д.

Весьма широко применяются насадки в разнообразных приборах и устройствах,

нологии.

В качестве примера приборов этого ро­

из трубы А, заканчивающейся конически сходящимся насадком В, по которому из водопровода или напорного резервуара С

вода движется с большой скоростью, то здесь образуется разрежение (вакуум). Благодаря этому вода из водоема поднимается по всасы­ вающей трубе в корпус, смешивается здесь с напорной водой и увле­ кается ею дальше по нагнетательному трубопроводу. При этом в диф­ фузоре скорость движения воды уменьшается, давление же, наобо­ рот, возрастает.

Коэффициент полезного действия эжектора определяется отно­ шением работы веса воды, поступившей по всасывающему трубопро­ воду из водоема и поднятой эжектором на высоту Я, к работе веса рабочей (напорной) воды, подведенной из водопровода. Если обо­ значить расходы поднятой и рабочей воды через Q2 и Qи а высоты

1 На практике встречаются также эжекторы, в которых отсутствует наса­ док D, а иногда и диффузор.

203

соответственно через // и h, для коэффициента полезного действия получим следующее выражение:

vQoJl _ QtH

yQih Qih

Этот коэффициент весьма невелик и обычно колеблется в пределах от 0,15 (для малых) до 0,30 (для больших) эжекторов. Тем не менее ввиду простоты устройства, отсутствия движущихся частей и авто­ матичности работы эжекторы получили довольно большое приме­ нение в технике.

Так как в процессе работы в корпусе эжектора происходит сме­ шение рабочей и перекачиваемой жидкости, его можно использовать также в качестве смесителя двух жидкостей, что часто и осущест­ вляется для смешения холодной и горячей воды в отопительных системах. В этом случае эжектор получает специальное конструктив­

кава (шланга) поступает в укрепля­ емый на его конце при помощи особого кольца так называемый брандспойт (рис. 152), представляющий собой обычно конический сходящийся насадок

(ствол) со специальным наконечником. Для успешного тушения по­ жара вытекающая из брандспойта струя должна обладать большой кинетической энергией при возможно большем расходе и максималь­ ной дальности полета.

Как показали проведенные исследования, наилучший с этой точки зрения результат дает наконечник, состоящий из конически сходящегося насадка, заканчивающегося коротким цилиндрическим насадком (спрыск).

Конический насадок увеличивает выходную скорость, спрыск же сохраняет форму струи и предотвращает разбрызгивание.

В безвоздушном пространстве высота подъема вертикально напра­ вленной струи была бы

2g

где v — скорость струи в выходном сечении спрыска.

В действительности же ввиду сопротивления воздуха эта высота оказывается значительно меньшей. При безветренной погоде высота, которой достигают отдельные капли струи, может быть определена по формуле

# '= # „ - 0 ,0 0 0 1 1 3 - ^ - ,

204

здееь Нп — полный напор, т. е. сумма пьезометрического и скорост­ ного напоров при входе в брандспойт, a d — диаметр отверстия спрыска в м.

Хорошая, так называемая компактная струя, пригодная для пожарных целей, будет иметь меньшую высоту, равную

Нк — аН",

§ 62. ВЛИЯНИЕ ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ НА ИСТЕЧЕНИЕ

Как уже указывалось, все приведенные в предыдущих парагра­ фах значения коэффициентов истечения — расхода р, сжатия струи а и скорости ср установлены для случаев истечения из отверстий воды.

Вместе с тем на практике (особенно в нефтяном деле) приходится иметь дело с истечением из отверстий также и различных других

жидкостей, с отличными от воды физическими свойствами, и очень часто — жидкостей повышенной вязкости. В этих случаях, как пока­ зывают выполненные в последнее время исследования, вязкость оказывает значительное влияние на коэффициенты истечения, и зна­ чения этих коэффициентов существенно изменяются в зависимости от числа Рейнольдса.

Характер указанного изменения коэффициентов истечения виден из рассмотрения кривых (рис. 153), полученных А. Д. Альтшулем в результате обработки большого числа опытных данных для случая

205

истечения жидкости из круглого отверстия с острыми кромками. Им же предложены следующие эмпирические формулы для определе­ ния коэффициента расхода:

т. е. когда влияние сил тяжести и поверхностного натяжения про­ является в незначительной степени, что обычно и имеет место на практике.

Установлено также, что зависимость коэффициентов истечения от числа Рейнольдса наблюдается и при истечении воды и других

цилиндрического насадка коэффициент расхода р непрерывно воз­ растает с увеличением числа Рейнольдса насадка — ReH, причем при больших значениях ReH (в связи с уменьшением сил вязкости) темп его роста замедляется и при ReH= 10 000 +-100 000 р стано­

эмпирическая формула:

206

Конически сходящиеся насадки исследовались А. Ш. Асатуряном, В. П. Свиридовым, Н. Г. Болдовым. Они установили, что влияние угла конусности на коэффициент расхода р начинает здесь ощутимо проявляться лишь при ReH>3000, причем максимальное значение р соответствует а = 14°.

§ 63. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ ИСТЕЧЕНИЯ ОПЫТНЫМ ПУТЕМ

Коэффициенты истечения определяют в гидравлических лабора­ ториях на специальных установках. Одна из подобных установок представлена на рис. 154. Она состоит из вертикального сосуда с отверстием в боковой стенке. В этом отверстии перед проведением опыта укрепляется сменная пластинка с подлежащим исследованию отверстием или насадком любой формы. Уровень жидкости в сосуде во время опыта поддерживается постоянным благодаря равномер­ ному поступлению жидкости по трубе А с краном В и наличию слив­ ной линии С. Уровень замеряется при помощи водомерного стекла

или пьезометрической трубки D. Для измерения координат точек вытекающей из отверстия струи жидкости к сосуду прикрепляется горизонтальная металлическая линейка Е с делениями. По ней передвигается ползунок F, несущий на себе вертикальный стержень G, заканчивающийся иглой и также снабженный делениями; это поз­ воляет, подведя острие иглы вплотную к струе жидкости, зафикси­ ровать положение струи в системе координат ху (рис. 155).

Коэффициент расхода р определяется путем сравнения теорети­ ческого и действительного расходов жидкости, вытекающей из отвер­ стия. Для этого непосредственно на установке измеряют площадь сечения отверстия / и напор над его центром тяжести Н и вычисляют теоретический расход по формуле

Qt — f V 2§Н•

207

Для определения действительного расхода жидкости QR обычно применяют объемный или весовой способ. После этого легко полу­ чить искомый коэффициент расхода

Коэффициент скорости ср находят из сопоставления теоретической и действительной скоростей истечения и определяют по выражению

Теоретическую скорость определяют по формуле гт = 1 /2 gtf.

Действительную же скорость истечения можно найти сле­ дующим образом.

Пренебрегая сопротивлением воздуха движению вытекающей из отверстия струи, будем считать, что частицы жидкости, из которых состоит струя, перемещаются как свободные материальные точки, брошенные по горизонтальному направлению с начальной скоростью, равной действительной скорости истечения ид и находящиеся в даль­ нейшем под действием только одной силы тяжести. Из теоретической механики известно, что траектории таких точек представляют собой параболу, называемую в рассматриваемом случае параболой исте­ чения.

Уравнение этой параболы находят, исходя из следующих рассуждений. Центр тяжести отверстия примем за начало координат, ось у направим вертикально вниз, а ось х — по горизонтали справа налево (см. рис. 155). Движение частиц жидкости по горизонталь­ ному направлению будет равномерным со скоростью ид, а по вер­ тикальному направлению — равномерно ускоренным с начальной скоростью, равной нулю, и постоянным ускорением g. Поэтому соот­ ветствующие уравнения движения будут иметь вид

У^ И 1 Ч 2

Решая эти уравнения совместно, исключим из них время Т и получим, таким образом, уравнение траектории частицы, т. е. иско­ мое уравнение параболы истечения, в виде

Отсюда находим действительную среднюю скорость истечения

208

Как видно из этого выражения, для определения скорости кд доста­ точно измерить иглой координаты х и у одной какой-нибудь произ­ вольно взятой точки струи.

Более точно величину скорости определяют по координатам двух произвольно взятых точек струи (кроме точки х = 0, у = 0). В этом случае

Второй способ, заключается в непосред­ ственном измерении сечения струи, вернее ее диаметров, при помощи прибора, изображенного на рис. 156. Этот прибор представляет собой снабженное рукояткой А кольцо В, имеющее четыре микрометрических винта С, которые

могут перемещаться по двум взаимно перпендикулярным диаметрам. Около каждого винта укрепляется линейка D с делениями, по кото­ рым производят отсчеты. При отсутствии такого прибора можно вос­ пользоваться и обычным измерительным циркулем, что, однако, неизбежно приводит к значительным погрешностям.

§ 64. Д А В Л Е Н И Е С Т Р У И Ж И Д К О С Т И

Если струя жидкости, вытекающей из отверстия или насадка, встречает на своем пути твердую преграду (стенку), она давит на эту преграду с некоторой силой, обычно называемой силой давления, или силой удара струи, величина которой зависит от средней скорости и размеров поперечного сечения струи жидкости, формы и размеров преграды и ее расположения по отношению к струе. Указанное явле­ ние наблюдается во многих случаях практики, например: при ударе струи жидкости о лопатки активных гидравлических турбин и водя­ ных колес, ударе струи, вытекающей из брандспойта, ударе волны о стенку набережной и т. д. Поэтому определение силы давления струи представляет собой весьма важную практическую задачу.

Рассмотрим общий случай удара струи жидкости о симметричную по отношению к струе неподвижную преграду, имеющую вид цилин­ дрической криволинейной поверхности (рис. 157). После удара струя растекается в противоположные стороны под углами а к оси х, при­ чем вследствие симметрии скорости и расходы в обоих направлениях можно считать одинаковыми по величине. Выделим в струе не­ который объем жидкости, ограниченный сечениями 1—7, 2—2 и 3—3\ пусть через весьма малый промежуток времени этот объем

209