Работа 5 ИЗУЧЕНИЕ ИСТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ

ЧЕРЕЗ МАЛЫЕ ОТВЕРСТИЯ В ТОНКОЙ СТЕНКЕ

И НАСАДКИ ПРИ ПОСТОЯННОМ НАПОРЕ В АТМОСФЕРУ

Цель работы:

1. Определить по опытным данным величины коэффициентов: m_оп, j_оп, e_оп, z_оп, при истечении через малое круглое отверстие диаметром d=2 см при постоянном напоре в атмосферу и величины коэффициентов
m_Ноп = j_Ноп = z_Ноп для внешнего цилиндрического и конических (сходящегося и расходящегося) насадков при Н= Сonst в атмосферу.

2.Сравнить значения коэффициентов, полученные в опытах, со справочными и подсчитать относительные отклонения.

Общие сведения

Малым считаются отверстие, высота которого не превышает 0,1 Н (рисунок 5.1). Здесь Н - превышение свободной поверхности жидкости над центром тяжести отверстия.

Стенку считают тонкой, если ее толщина d < (1,5...3,0)d (рисунок 5.1). При выполнении этого условия величина d не влияет на характер истечения жидкости из отверстия, так как вытекающая струя жидкости касается только острой кромки отверстия.

Рисунок 5.1 – Расчетная схема истечения жидкости

из малого отверстия в тонкой стенке

Поскольку частицы жидкости движутся к отверстию по криволинейным траекториям сил инерции струя, вытекающая из отверстия, сжимается. Благодаря действию сил инерции струя продолжает сжиматься и после выхода из отверстия. Наибольшее сжатие струи, как показывают опыты, наблюдается в сечении с-с на расстоянии примерно (0,5...1,0)d от входной кромки отверстия (рисунок 5.1). Это сечение называют сжатым. Степень сжатия струи в этом сечении оценивают коэффициентом сжатия e:

, (5.1)

где w_с и w соответственно площадь сжатого живого сечения струи и площадь отверстия.

Среднюю скорость струи V_c в сжатом сечении с-с при р₀=р_ат вычисляют по формуле, полученной из уравнения Д. Бернулли, составленного для сечений I-I и с-с (рисунок 5.1):

, (5.2)

где j - коэффициент скорости отверстия.

. (5.3)

На основе использования уравнения траектории струи, вытекающей из отверстия, получено еще одно выражение для коэффициента j:

. (5.4)

В формулах(5.3) и(5.4) a - коэффициент Кориолиса, z - коэффициент сопротивления отверстия, x_i и y_i - координаты произвольно взятой точки траектории струи.

Поскольку напор теряется главным образом вблизи отверстия, где скорости достаточно велики, при истечении из отверстия во внимание принимают только местные потери напора.

Расход жидкости Q через отверстие равен:

(5.5)

где . (5.6)

Здесь m - коэффициент расхода отверстия, учитывающий влияние гидравлического сопротивления и сжатия струи на расход жидкости. С учетом выражения для m формула (1.25) принимает вид :

(5.7)

Величины коэффициентов e, z, j, m для отверстий определяют опытным путем. Установлено, что они зависят от формы отверстия и числа Рейнольдса. Однако при больших числах Рейнольдса (R_e ³ 10⁵) указанные коэффициенты от R_e не зависят и для круглых и квадратных отверстий при совершенном сжатии струи равны: e= 0,62...0,64, z=0,06, j=0,97...0,98, m=0,60...0,62.

Насадкой называют патрубок длиной 2,5d £ L_H £ 5d, присоединенный к малому отверстию в тонкой стенке с целью изменения гидравлических характеристик истечения (скорости, расхода жидкости, траектории струи).

Насадки бывают цилиндрические (внешние и внутренние), конические (сходящиеся и расходящиеся) и коноидальные, т.е. очерченные по форме струи, вытекающей из отверстия.

Использование насадки любого типа вызывает увеличение расхода жидкости Q благодаря вакууму, возникающему внутри насадка в области сжатого сечения и обусловливающему повышение напора истечения.

Среднюю скорость истечения жидкости из насадки V и расход Q определяют по формулам, полученным из уравнения Д. Бернулли.

. (5.8)

Здесь - коэффициент скорости насадки,

z_Н - коэффициент сопротивления насадки.

Для выходного сечения в-в коэффициент сжатия струи e=1 ( насадка в этой области работает полным сечением), поэтому коэффициент расхода насадки m_Н = j_Н.

Расход жидкости, вытекающей из насадки, вычисляется по формуле, аналогичной (5.7),

(5.9)

Описание установки

Установка (рисунок 5.2) представляет собой напорный резервуар 1, в боковой поверхности которого имеется отверстие. Перед отверстием (снаружи резервуара 1) смонтирован поворотный круг с отверстием и насадками различных типов. Поворачивая круг, можно установить против отверстия 3 насадки нужного типа или отверстия. Постоянный уровень воды в резервуаре 1 во время опытов поддерживается переливной трубой, а ослабление возмущений, создаваемых поступающей в него водой, осуществляется успокоительной решеткой.

Для определения напора истечения Н резервуар I снабжен водомерной трубкой 6 со шкалой, нуль которой совмещен с центром отверстия.

Расход воды при истечении из отверстий и насадков измеряется с помощью передвижного мерного бака 2 и секундомера. Для опорожнения мерного бака имеется вентиль 8.

Координаты X и Y произвольных точек траектории струи измеряются с помощью координатной сетки, нанесенной на координатный планшет 4.

Рисунок 5.2 – Схема лабораторной установки:

1 – напорный резервуар;

2 – мерный бак;

3 – водомерное стекло;

4 – координатный планшет;

5 – струя истечения жидкости;

6 – пьезометр;

7 – напор истечения;

8 - секундомер