Основные теоретические положения. Насадкой называется короткий патрубок, присоединенный к отверстию в тонкой стенке, служащий для изменения скорости и расхода при истечении.

Насадкой называется короткий патрубок, присоединенный к отверстию в тонкой стенке, служащий для изменения скорости и расхода при истечении.

Основные типы насадок: цилиндрические (внешние и внутренние), конические (сходящиеся и расходящиеся), коноидальные и комбинированные.

В насадке поток состоит из двух самостоятельных частей: центральной, где частицы жидкости перемещаются только поступательно, и окружающей ее водоворотной зоны, где частицы жидкости совершают вращательное движение, а вся зона представляет завихренное пространство (рис. 7.1).

Минимальная площадь живого сечения поступательного потока в центральной части называется сжатым сечением. В водоворотной зоне находятся жидкость и выделившиеся из нее пары и растворенные газы.

Завихренная зона образуется в результате изгиба линий тока, вызванного условиями входа жидкости в отверстие. Струя заполняет всё сечение насадка не сразу, а лишь на некотором расстоянии от входного отверстия. Зажатый в завихренной зоне воздух довольно быстро увлекается потоком, и на входном участке насадка образуется вакуум, величина которого зависит от скорости движения жидкости или по существу от напора. Вследствие разрежения (вакуума) жидкость подсасывается из резервуара; скорость протекания жидкости в отверстии возрастает ввиду увеличения полного напора, слагаемого из напора над центром тяжести входного отверстия и величины вакуума в сжатом сечении. Увеличение скорости протекания жидкости через входное отверстие и увеличение площади сжатого сечения вызывают увеличение расхода через насадок по сравнению с истечением через отверстия в тонкой стенке. Однако наличие насадка ведет и к некоторым дополнительным потерям напора, что несколько снижает скорости в выходном сечении. При сравнительно коротком насадке подсасывание жидкости, в связи с образованием вакуума, оказывает большее влияние на протекание жидкости, чем в какой-то море возрастающие гидравлические сопротивления в насадке; в конечном итоге расход жидкости через насадки увеличивается. При насадках длиной больше 40-50 диаметров эффект подсасывания не компенсирует гидравлические потери по длине насадка и расход жидкости через такой насадок оказывается равным или меньшим расхода через отверстие в тонкой стенке. Следует помнить, что насадок может работать полным сечением (за входным участком) только после предварительного заполнения жидкостью; это необходимо для того, чтобы прекратить поступление воздуха в сжатое сечение. Скорость V расход Q протекании жидкости через насадки определяются по тем же формулам, что и для отверстия в тонкой стенке, но со своими величинами коэффициентов скорости φ и расхода μ для каждого типа наладка.

Внешние цилиндрические насадки (рис. 7.2)

Составим уравнение Бернулли для двух сечений: 1-1 по свободной поверхности в резервуаре и 2-2 по выходному сечению насадки. Плоскость сравнения А-А проведем через ось насадка

где - сумма всех коэффициентов сопротивления, характеризующих потери напора при протекании жидкости через насадок. Эти потери складывается из потерь напора на сужение струи до ее сжатого сечения (примерно те же, что и при истечении жидкости из отверстия с острой кромкой), потерь на расширение струи за сжатым сечением и на трение по длине насадки. Поэтому суммарный коэффициент сопротивления выражается так:

Таким образом, коэффициент сопротивления на входе составит:

Путевые сопротивления определяются по обычной формуле. Зная все составляющие, получаем суммарный коэффициент сопротивления для истечения жидкость через насадок

Подставляя в формулу (7.1) значение , найдем:

где - коэффициент скорости.

Так как жидкость вытекает из конца насадка полным сечением, то при определении расхода по выходному сечению коэффициент сжатия струи ε =1, а коэффициент расхода составляет:

Из уравнений (7.2) и (7.3) видно, что при более коротких насадках φ, a следовательно μ будут увеличиваться, а при более длинных -уменьшаться. Минимальная длина насадка l, при которой после сжатия струи заполняется все сечение насадка и потери по длине становятся пренебрежимо малым (), равна (3 ÷ 4) d. Насадок такой длины обладает наибольшим коэффициентом расхода μ = φ = 0, 82. Внешний цилиндрический насадок длиной (3 ÷ 4)d называется насадком Вентури. Вакуум в насадке достигает наибольшего значения в сжатом сечении, что легко устанавливается опытами и теоретическим расчетом.

Для определения величины вакуума составим уравнение Бернулли для двух сечений: сжатого cечения С-С и концевого 2-2 (рис. 7.1). Плоскость сравнения А-А проведем по оси насадка:

В этом уравнении сумма коэффициентов сопротивления состоит только из коэффициентов внезапного расширения.

Подставляя эти значения , в уравнение (4) и одновременно заменяя скорость V_С через V²/ ε, получим:

Если принять α = 1, а и учесть, что при истечении жидкости в атмосферу р₂ = р_а, то, сделав в уравнении (5) некоторую перегруппировку членов получим

Формула (6) показывает, что разряжение, устанавливающееся в насадке, пропорционально действующему напору. При значениях φ = 0, 82, φ = 0, 64:

Из уравнения видно, что в сжатом сечении струи будет вакуум, так как давление получается ниже атмосферного, а это вызывает «подсасывание» жидкости, увеличивая пропускную способность, что и является назначением цилиндрических насадок.

Цилиндрические насадки устанавливают в теле дамб для прохода ливневой и талой воды, в теле небольших плотин для водосброса или промывки осадков, скопившихся перед плотиной.

Внутренние цилиндрические насадки (рис. 7.3)

В этой насадке явления протекают аналогично внешней насадке. Однако коэффициенты скорости φ и расхода μ для внутреннего насадка меньше, чем для внешнего (несмотря на то, что ε = 1). Это значит, что гидравлические сопротивления во внутреннем насадке больше гидравлических сопротивлений внешнего насадка благодаря наличию встречных токов жидкости на входе в насадок, а следовательно, меньше и расход жидкости Q. Поэтому, как правило, внешние насадки предпочитают внутренним. μ = φ = 0, 71

Конически расходящиеся насадки (рис. 7.4)

Основной особенностью работы конически расширяющихся насадок является образование значительных разряжений в узком сечении. Из уравнения Бернулли при h_{пот .} = 0 следует, что

, р₁< р₂, так как V₁ < V₂

Наличие разряжения в узком сечении насадки d₁ значительно увеличивает расход жидкости. Насадка как бы подсасывает жидкость из сосуда. В пределе при давлении в сжатом сечении струи р₁, близком к нулю, коэффициент расхода насадки, отнесенный к узкому сечению, может достигать μ = 2, 4. При этом расход жидкости будет в 4 раза больше расхода через отверстие того же диаметра (μ = 0, 62).

Коэффициент расхода, отнесенный к выходному сечению насадки, имеет величину μ = 0, 45÷ 0, 50, а ε = 1. Во избежание отрыва струи от стенок угол расширения насадки не должен превышать некоторого предела (β = 6-7⁰), зависящего от величины напора. Скорость выхода из расширяющегося насадка вследствие увеличения сечения выхода и увеличения коэффициента гидравлических сопротивлений сравнительно незначительна. Коэффициент скорости φ = 0, 45÷ 0, 50. Потери в конически расширяющейся насадке весьма велики ξ = 2, 95÷ 3, 0. Следовательно, отличительными особенностями расходящихся конических насадков являются значительный вакуум, большая пропускная способность, малые скорости выхода. Поэтому они применяют там, где требуется получение значительного вакуума, например, в эжекторах и инжекторах, а также там, где требуются малые скорости выхода, например, в дождевальных аппаратах, выходных элементах насосов.

Конически сходящиеся насадки (рис. 7.5)

Вследствие уменьшения потерь на расширение струи после сжатого сечения коэффициент скорости φ конически сходящихся насадок возрастает с увеличением угла конусности β. С другой стороны, сжатие струи на выходе с увеличением конусности растет. В результате коэффициент расхода μ растет при увеличении угла конусности насадки 13⁰24´, после чего начинает падать. Максимальное значение, имеющее место при угле 13⁰24´, равно 0, 946. Основным назначением конически сходящихся насадок является увеличение скорости выхода потока с целью создания в струе большой кинетической энергии; кроме того, струя, выходящая из конического сходящегося насадка, отличается компактностью и способностью на длительном расстоянии сохранять форму, не распадаясь на отдельные капли. Поэтому конически сходящиеся насадки применяются в качестве сопел гидромониторов в активных гидравлических турбин, наконечников, пожарных брандспойтах, в эжекторах и инжекторах, входных элементах насосов и т.д. Вследствие того, что скорость в сжатом сечении практически равна скорости выхода, в конически сходящихся насадках вакуума не образуется. Поэтому они не увеличивают пропускную способность отверстия, хотя коэффициент сопротивления их весьма мал.

Коноидальные насадки (рис. 7.6)

Этот вид насадок очерчивается по формуле струи, вытекающей из отверстия, его входной участок выполняется по сложной поверхности двоякой кривизны, а выходной имеет цилиндрическую форму, что устраняет недостаток конического сходящегося насадка, заключающийся в сжатии струи жидкости при выходе из насадка, т.е. ε = 1. Поэтому значения коэффициентов скорости φ и расхода μ для этих насадков равны между собой μ =φ = 0, 97÷ 0, 99 в зависимости от напора и качества обработки внутренней поверхности насадка. Струя, выходящая из коноидального насадка, обладает еще большей, чем в конически сходящемся насадке, удельной кинетической энергией, так как гидравлические сопротивления в нем очень малы и расход (в результате отсутствия сжатия и высокого коэффициента расхода) повышен.

Комбинированные насадки (рис. 7.7)

Лучшие результаты по достижению максимального расхода при заданном минимальном диаметре отверстие даёт комбинированная насадка, представляющая собой соединение коноидальной насадки (сопла) и диффузора. Приставка диффузора к соплу приводит к снижению давления в наиболее суженном сечении насадки и, следовательно, к увеличению скорости и расхода жидкости через него. При том же диаметре узкого сечения, что у сопла, и том же напоре комбинированная насадка по сравнению с соплом может дать увеличение расхода более чем в два раза.

Однако применение комбинированных насадок возможно лишь при небольших напорах (Н = 2 ÷ 4 м). При более высоких напорах в суженном месте возникает кавитация, что приводит к увеличению сопротивления и уменьшению расхода. График зависимости коэффициента расхода μ от напора Н приведен на (рис. 7.8).

Кавитация – местное нарушение сплошности течения с образованием паровых и газовых пузырей (каверн), обусловленное местным падением давления в потоке.

Анализ приложения 1 показывает, что наибольшая скорость; протекания жидкости характерна для коноидальной насадки, отверстия в тонкой стенке и конически сходящейся насадки. Максимальной пропускной способностью обладают насадки коноидальные и конически расходящиеся, поскольку площадь его - является основным параметром выходного отверстия - намного больше площади входного сечения. Относительно высокой пропускной способностью обладает и внешняя цилиндрическая насадка. Коническая сходящаяся насадка хотя и характеризуется большим коэффициентом расхода μ, но площадь выходного сечения у него значительно меньше площади входного отверстия, поэтому его пропускная способность невелика. Максимальной удельной кинетической энергией обладает струя жидкости, вытекающая из коноидальной насадки. Большую кинетическую энергию имеет также струя, вытекающая из круглого отверстия в тонкой стенке, и струя, протекающая через конически сходящуюся насадку. Несмотря на то, что пропускная способность внешней насадки значительно выше пропускной способности отверстия в тонкой стенке, кинетическая энергия струи жидкости, вытекающей через отверстие в тонкой стенке, несколько больше, чем у струи цилиндрической внешней насадки. Насадки конически расходящиеся отличаются минимальными значениями скорости и удельной кинетической энергией. Гидравлические сопротивления достигают наибольшей величины при истечении жидкости через конически расходящуюся насадку, а наименьшей - через коноидальную. Рассмотренные гидравлические характеристики насадок различных типов помогает ориентироваться при их выборе для практического применения.