Главная страница
Навигация по странице:

  • Список рекомендуемой литературы

  • Н.М. Скорняков Гидромеханика. Методические указания по выполнению лабораторной работы №6 Истечение жидкости через отверстия и на. Н.М. Скорняков Гидромеханика. Методические указания по выполнени. Методические указания по выполнению лабораторной работы 6 Истечение жидкости через отверстия и насадки Составители нм. Скорняков


    Скачать 206,09 Kb.
    НазваниеМетодические указания по выполнению лабораторной работы 6 Истечение жидкости через отверстия и насадки Составители нм. Скорняков
    АнкорН.М. Скорняков Гидромеханика. Методические указания по выполнению лабораторной работы №6 Истечение жидкости через отверстия и на
    Дата22.03.2020
    Размер206,09 Kb.
    Формат файлаpdf
    Имя файлаН.М. Скорняков Гидромеханика. Методические указания по выполнени.pdf
    ТипМетодические указания
    #20387
    КатегорияМеханика

    Подборка по базе: Руководство по выполнению лабораторных работ.doc, Отчет по лабораторной работе.docx, Методические указания к самостоятельной работе по дисциплине «Ме, Метод указания-19.docx, Отчёт по лабораторной работе №7 Решение параболических задач в с, Методические указания по практике .doc, Методические указания по практике .doc, Протокол к лабораторной работе 4.1.doc, ГАОУ СПО Десмургия - Методические рекомендации для студентов по .
    МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ КУЗБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра горных машин и комплексов ГИДРОМЕХАНИКА Методические указания по выполнению лабораторной работы № 6 Истечение жидкости через отверстия и насадки Составители НМ. Скорняков
    В.Н. Вернер
    В.В. Кузнецов Утверждены на заседании кафедры Протокол № 6 от 11.04.01 Рекомендованы к печати учебно-методической комиссией по специальности 170100 Протокол № 6 от 20.04.01 Электронная копия находится в библиотеке главного корпуса
    КузГТУ КЕМЕРОВО 2001

    1 Рис. 1. Схема истечения жидкости в тонкой стенке Цель работы экспериментальное определение коэффициентов истечения воды через отверстия различной формы в тонкой стенке и через насадки визуальное наблюдение эффекта Коанда и процесса инверсии струи из некруглых отверстий. Теоретические положения Истечение жидкости через малое незатопленное отверстие в тонкой стенке. Малым называется отверстие, вертикальный размер которого составляет не более 10% глубины его погружения. В этом случае скорость входа частиц жидкости на верхней и нижней кромках можно считать одинаковой. При истечении жидкости в газовую среду, например в атмосферу, отверстие называют незатопленным. Тонкой считается стенка, если вытекающая жидкость касается лишь кромки отверстия, обращенной внутрь резервуара. К основным рассчитываемым параметрам отверстий относят скорость истечения и расход жидкости. На их величину влияют действующий напор или эквивалентный ему перепад давления на отверстии, размеры и форма отверстия, его расположение относительно стенок, дна резервуара и свободной поверхности, свойства жидкости и режим ее истечения. Истечение сопровождается эффектом сжатия струи, механизм которого поясняется рис. 1, на примере круглого отверстия в тонкой стенке. Траектории частиц при приближении к отверстию искривляются. Возникающая при криволинейном движении частиц жидкости центробежная сила направлена внутрь формирующейся струи, вследствие чего уменьшается ее поперечный размер, те. происходит сжатие струи. На входе в отверстие движение установившееся при Н, неравномерное, а живое сечение существенно криволинейное и постепенно уменьшающееся по площади до наиболее сжатого сечения. По мере удаления от стенки кривизна линий через отверстие тока уменьшается и на расстоянии
    ≈ 0,5d o
    от стенки линии тока практически параллельны. В силу малости отверстия местные скорости частиц можно считать одинаковыми, а коэффициент неравномерности скоростей (коэффициент Кориолиса)
    α→1. Дальнейшее движение незатопленной струи является плавно изменяющимся под действием сил тяжести, инерции, поверхностного натяжения и трения. На значительном удалении от отверстия в связи сна- сыщением воздухом (аэрация) струя начинает дробиться и теряет компактность. Различают полное и неполное, совершенное и несовершенное сжатие струи. Неполное сжатие наблюдается в тех случаях, когда струя подвергается сжатию не по всему периметру. Например, когда отверстие примыкает к дну (отсутствует сжатие с нижней стороны) или когда отверстие примыкает к дну и расположено у стенки резервуара (отсутствует сжатие с двух сторон. Совершенным называется сжатие, когда отсутствует влияние свободной поверхности жидкости или твердых границ резервуара на поле скоростей частиц на входе в отверстие. Для выполнения этого условия расстояние от любой стенки (дна) резервуара или от свободной поверхности до ближайшей кромки отверстия должно быть не менее 3d Количественно эффект сжатия оценивается коэффициентом сжатия
    ,
    f
    f
    o
    c
    =
    ε
    (1) где
    c
    f и
    o
    f - площади, соответственно, струи в сжатом сечении и отверстия. Для круглого отверстия Расход жидкости через отверстие равен произведению скорости струи V на ее площадь
    .
    Vf
    Vf
    Q
    o
    c
    ε
    =
    =
    (2) Теоретическая величина скорости струи определяется по формуле Торичелли, которая справедлива для идеальной жидкости
    .
    gH
    2
    V
    ид
    =
    (3) Фактическая величина скорости всегда меньше вследствие сопротивления отверстия (коэффициент сопротивления
    ζ) и неравномерного распределения скоростей, оцениваемого коэффициентом Кориолиса
    α.

    3 На основе уравнения Бернулли можно показать, что поправочный коэффициент на скорость истечения (коэффициент скорости) равен
    ,
    1
    ς
    +
    α
    =
    ϕ
    (4) и тогда
    .
    gH
    2
    V
    V
    ид
    ϕ
    =
    ϕ

    =
    (5) Произведение коэффициентов сжатия и скорости называют коэффициентом расхода
    ,
    ε

    ϕ
    =
    µ
    (6) и тогда с учетом (2) и (5)
    .
    gH
    2
    f
    Q
    o
    µ
    =
    (7) По экспериментальным данным при турбулентном истечении воды из круглого отверстия при совершенном сжатии можно считать
    α=1,13...1,01 (Re≈10 4
    ...10 5
    ),
    ζ≈0,06, ε≈0,64, ϕ≈0,92...0,97, µ≈0,59...0,62. Расход жидкости и соответствующие коэффициенты истечения для некруглых отверстий при такой же площади всегда меньше из-за несовершенства их формы. Истечение жидкости через насадки Насадком называется короткий патрубок длиной обычно (3...5)d o
    , присоединенный к отверстию с внешней или внутренней стороны. Применение насадков имеет целью увеличение расхода или изменения (увеличения, уменьшения) кинетической энергии струи. Для увеличения пропускной способности водо- сбросов на дамбах, плотинах и ускорения опоражнивания емкостей обычно используют цилиндрические насадки. Конические сходящиеся и
    коноидальные насадки (конфузоры) применяют с целью увеличения скорости, дальнобойности и силы удара струи (гидромониторы, брандспойты, входные элементы насосов, вентиляторов, струйные усилительные элементы, расходомеры и т.п.). Конически расходящиеся насадки (диффузоры) позволяют преобразовать часть кинетической энергии потока в потенциальную, те. повышают давление и уменьшают скорость, что используется, например, в выходных элементах насосов и вентиляторов, в топливоподающих элементах для лучшего распыления горючей смеси. Для расчета насадков пригодны те же закономерности, что и для малого отверстия, но численные значения коэффициентов истечения
    ε,
    µ, ζ, ϕ имеют другие значения (табл) и определяются экспериментально Рис. Схема истечения жидкости через цилиндрический внешний насадок Существенная разница величин коэффициентов обусловлена различием условий входа, протекания и истечения жидкости. На примере внешнего цилиндрического насадка рассмотрим особенности протекания жидкости в нем по рис. Таблица 1 Справочные величины коэффициентов сжатия
    ε, сопротивления
    ζ, скорости ϕ и расхода µ Вид насадка Схема
    ε
    *
    ζ
    ϕ Цилиндрический внешний
    1 0,5 0,82 0,82 Цилиндрический внутренний
    1 1 0,71 0,71 Конический сходящийся
    β = 13,4
    o
    0,98 0,06...0,0 9
    0,96 0,94 Конический расходящийся 5.Коноидальный
    1 0,04 0,98 0,98 Круглое отверстие коэффициенты
    ε и µ относятся к выходному сечению патрубка. Условия и характер течения жидкости на входе в патрубок сострой входной кромкой такие же, как и для отверстия. В сечении 1-1 струя максимально сжата, а на участке 1-2 она плавно расширяется, заполняя все сечение патрубка. Между сжатой струей и стенкой насадка образуется водоворотная (вихревая) зона с пониженным давлением р вак
    . Это можно доказать, используя уравнение Бернулли для сечений 1-1 и 2-2. Поскольку в сечении 1-1 скоростной

    5 Рис. Схема, поясняющая эффект Коанда напор больше, чем в сечении 2-2, то для выполнения постоянства суммы скоростного и пьезометрического напоров (смысл уравнения Бернулли) напор (или давление) в сечении 1-1 должен быть меньше. При истечении в атмосферу р
    2
    =р атм и, следовательно, р
    1
    <р атм, те. в сечении
    1-1 создается вакуум. С увеличением действующего напора Ни, следовательно, скорости истечения вакуум возрастает ив критической ситуации может начаться испарение и кипение жидкости - кавитация в вихревой зоне. Влияние вакуума на расход жидкости двоякое. С одной стороны, пониженное давление тормозит транзитную струю, те. возрастает коэффициент сопротивления
    ζ, нос другой стороны, создается эффект подсасывания жидкости из резервуара, что в итоге ведет к значительному увеличению расхода. Из описанной схемы истечения следует, что расход через отверстие в толстой стенке прибудет примерно на 35% больше, чем через такое же отверстие в тонкой стенке. Эффект Коанда заключается в отклонении струи от нормальной траектории в направлении близлежащей твердой границы пространства и поясняется рис. Если к струе приближать твердую стенку (например, пластину, то имеющийся между ними воздух частично уносится струей жидкости, те. в зазоре
    ∆ увеличивается скоростной напора следовательно, понижается давление. Вследствие разности абсолютных давлений струя отклоняется в сторону стенки. Этот эффект часто используется в струйной технике. Инверсией струи называется процесс плавной трансформации формы поперечного сечения струи, вытекающей из отверстий полигональной (многоугольной) формы. На рис это показано на примере струи из треугольного отверстия. Трансформация формы струи объясняется различной скоростью входа струек жидкости по углами граням отверстия, действием сил поверхностного натяжения, стремящихся придать струе круглую форму, и противодействующих этому инерционных сил.

    6 Практическое применение процессу инверсии струи пока не найдено, однако, вследствие своей зрелищности, это явление иногда применяется в фонтанных устройствах. Рис. Инверсия струи из треугольного отверстия до ее разрушения Экспериментальная часть
    2.1. Лабораторная установка Конструкция установки (рис) включает напорный коллектор 1 с комплектом струеформирующих головок 2, имитирующих истечение через отверстия различной формы (круглое, призматическое, треугольное и др) и насадки (цилиндрические, конические, коноидальные и др. Поперечный размер коллектора на порядок больше размера отверстий, что позволяет получить совершенное сжатие струи. Необходимый напор Н в коллекторе регулируется вентилем 3 и регистрируется пьезометром. Траекторию и дальность полета струи можно регулировать углом
    α наклона коллектора относительно горизонтальной плоскости, который определяется по угломеру 5. Вода сливается по желобу 6 в бачок, шарнирно прикрепленный к основному баку 8. Приращение уровняв бачке определяется переносным пьезометром 9.
    2.2. Порядок выполнения опытов При закрытом вентиле 3 слить воду из бачка 7, ввернуть в резьбовое отверстие коллектора головку с круглым отверстием и закрепить коллектор под желаемым углом наклона
    α в пределах о. измерить вылет головки l
    . Открыть вентиль 3 так, чтобы дальность полета струи вдоль оси Х была 30...40 см. При помощи переносного пьезометра определить приращение уровня воды в бачке 7 за время 30...120 с. Возможно измерение объема вытекшей воды непосредственным измерением при помощи отдельной наборной и мерной емкостей. Одновременно

    7 с выполнением этих замеров зафиксировать показание пьезометра 4 и определить дальность полета струи (Х) по горизонтальной шкале на баке. Изменять дальность полета струи при помощи вентиля 3, повторить опыты при Х см и ≈70...80 см. Все результаты внести в табл. Опыты с исследуемым насадком (тип насадка задается преподавателем) проводятся аналогично, а полученные результаты сравниваются после обработки экспериментальных данных. Эффект Коанда демонстрируется с участием преподавателя. При исследовании отверстий с полигональной формой надо визуально убедиться в существовании процесса инверсии струи. Рис. Конструктивная и расчетная схема лабораторной установки
    2.3. Обработка экспериментальных данных Определить фактическую скорость истечения струи по ее начальным (хи конечным координатам (x,y) по формуле

    8
    (
    )
    (
    )
    [
    ]
    ,
    tg
    x
    x
    y
    y
    cos
    x
    x
    g
    5
    ,
    0
    V
    o
    o
    2
    2
    o
    α

    +

    α

    =
    см/с. В соответствии со схемой (рис) асах l
    х - регистрируемая дальность полета струи
    0
    y
    = . Вычислить действующий напор
    .
    см
    ,
    у
    h
    h
    Н
    0
    ш
    ш


    +
    =
    3.Определить теоретическую скорость истечения по формуле (3) и коэффициент скорости
    .
    V
    /
    V
    ид
    =
    ϕ
    4.Вычислить коэффициент сопротивления
    ζ по формуле (4), приняв. Определить объем вытекшей воды W по измеренному приращению уровняв бачке (площадь бачка равна 411 см) и рассчитать секундный расход
    .
    с
    /
    см
    ,
    /
    W
    Q
    3
    p
    τ
    =
    6.Из формулы (2) определить площадь струи в сжатом сечении f и коэффициент сжатия
    ε, вычислить коэффициент расхода по формуле
    (6). Рассчитать теоретический расход по формуле (7) и сопоставить его с фактическим поп. В отчете кратко описать результаты визуального наблюдения инверсии струи и эффекта Коанда. Таблица 2 Результаты замеров и расчетов Схема и геометрические параметры отверстия и заданного насадка Круглое отверстие d = l = Заданный насадок d = l =
    β =
    № опыта
    1 2 3 1 2 3 Угол истечения к горизонтали, град Показания ш, см СХЕМА

    9 пьезометра Объем вытекшей воды
    W, см Время истечения, с Дальность полета струи
    X, см Действующий напор
    H, см Фактический расход воды
    Q, см Фактическая скорость истечения, см/с Теоретическая скорость истечения
    V
    ид
    ,
    см/с
    ϕ
    i Коэффициент скорости
    ϕ
    ср Коэффициент сопротивления ср
    ε
    i
    Коэффици- ент сжатия
    ε
    ср
    µ
    i
    Коэффици- ент расхода
    µ
    ср
    Список рекомендуемой литературы
    1.
    Башта Т.М. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы
    Учеб. для машиностроительных вузов / Т.М. Башта, С.С. Руднев,
    Б.Б. Некрасов и др. – е изд, перераб. – М Машиностроение, 1982.–
    423 с.
    2. Гидравлика и гидропривод / Б.Г. Гейер, В.С. Дулин, АН. Заря М Недра, 1991. – 336 с.
    3.
    Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М Машиностроение, 1975. – 559 с.

    10 4. Примеры расчетов по гидравлике Учеб. пособие для вузов / АД. Альтшуль. – М Стройиздат, 1976. – 255 с.

    11 Составители Николай Михайлович Скорняков Владимир Николаевич Вернер Владимир Всеволодович Кузнецов ГИДРОМЕХАНИКА Методические указания по выполнению лабораторной работы № 6 Истечение жидкости через отверстия и насадки Редактор З.М. Савина
    ЛР № 020313 от 23.12.96 Подписано в печать 27.04.01. Формат 60
    ×84/16. Отпечатано на ризографе. Бумага офсетная. Уч- изд. л. 0,60. Тираж 100 экз. Заказ Кузбасский государственный технический университет.
    650026, Кемерово, ул. Весенняя, 28. Типография Кузбасского государственного технического университета.
    650099, Кемерово, ул. Д. Бедного, А.


    написать администратору сайта