Истечение жидкости из отверстий и насадков. Насосы. Гидродинамика

Содержание

Слайд 2

Местные сопротивления Ранее отмечалось, что гидравлические потери напора (удельной энергии) делятся

Местные сопротивления
Ранее отмечалось, что гидравлические потери напора (удельной энергии) делятся на

две категории: местные потери и потери по длине трубопровода. Потери напора в местном сопротивлении возникают вследствие изменения скорости по величине и направлению и зави­сят, в основном, от геометрических размеров и формы местных гид­равлических сопротивлений.
Местные гидравлические сопротивления - это сопротивления движению, возникающие на участках резкого изменения конфигура­ции потока (поворот трубы, сопряжение труб различного диаметра, задвижки, дроссели и т.д.).
Простейшие местные гидравлические сопротивления можно раз­делить на следующие виды:
а) расширение русла - внезапное, плавное;
б) сужение русла - внезапное, плавное;
в) поворот русла - внезапный, плавный.
Слайд 3

Более сложные случаи местных сопротивлений представляют со­бой соединения или комбинации перечисленных

Более сложные случаи местных сопротивлений представляют со­бой соединения или комбинации перечисленных

простейших мест­ных сопротивлений.
Некоторые виды мест­ных сопротивлений:
Слайд 4

 

Слайд 5

Внезапное расширение трубы и соответствующая ему схема тече­ния жидкости показаны на

Внезапное расширение трубы и соответствующая ему схема тече­ния жидкости показаны на

рисунке. Поток срывается с угла и расши­ряется не внезапно, как русло, а постепенно, причем в кольцевом про­странстве между потоком и стенкой трубы получаются вихреобразования, которые являются причиной потерь энергии в данном случае.
Возьмем два сечения потока: 1 - 1 в плоскости расширения трубы и 2-2 в том месте, где поток заполнил все сечения трубы. Обозначим площадь живого сечения потока, давление и скорость потока в сече­ниях соответственно S, p, v.
Запишем для этих сечений уравнение Бернулли, считая α1 = α 2 = 1,0 (для турбулентного режима) и принимая z1 = z2. Полу­чим следующее выражение:

 

Слайд 6

Затем к цилиндрическому объему жидкости, заключенному между сечениями 1-1 и 2-2,

Затем к цилиндрическому объему жидкости, заключенному между сечениями 1-1 и 2-2,

применим теорему механики об изменении ко­личества движения, согласно которой изменение количества движе­ния за данный промежуток времени равно импульсу внешних сил, действующих на жидкость за этот же промежуток времени.

 

Слайд 7

 

Слайд 8

ИСТЕЧЕНИЕ ЖИДКОСТИ ИЗ ОТВЕРСТИЙ И НАСАДКОВ В инженерной практике часто встречаются

ИСТЕЧЕНИЕ ЖИДКОСТИ ИЗ ОТВЕРСТИЙ И НАСАДКОВ
В инженерной практике часто встречаются случаи

истечения жидкости через отверстия и насадки, представляющие собой короткие патрубки различной конфигурации. Путём расчёта истечения жидкости из отверстий и насадков решаются такие технические задачи, как измерение количества проходящей жидкости, создание сильной дальнобойной и компактной струи, распространение свободной струи, конструирование сопл и форсунок и др.
Истечение может происходить при постоянном или переменном напоре. В первом случае движение жидкости считается установившимся.
Истечение жидкости может происходить в атмосферу и называется свободным истечением, а также в другой резервуар, заполненный жидкостью. Такое истечение называется истечением под уровень или истечением через затопленное отверстие.
Слайд 9

Истечение жидкости через отверстия и насадки характерно тем, что в процессе

Истечение жидкости через отверстия и насадки характерно тем, что в процессе

истечения запас потенциальной энергии, которым об­ладает жидкость в резервуаре, превращается с большими или мень­шими потерями в кинетическую энергию свободной струи.
Основным вопросом в данном случае является определение ско­рости истечения и расхода жидкости для различных форм отвер­стий и насадков.
Возьмем большой резервуар с жидкостью, который име­ет малое отверстие в стенке на достаточно большой глубине Н от свободной поверхности. Через отверстие жидкость вытекает свобод­ной струей.

Тонкая стенка

Истечение жидкости из резервуара

Слайд 10

 

Слайд 11

Частицы жидкости приближаются к отверстию из всего прилежащего объема, двигаясь ускоренно

Частицы жидкости приближаются к отверстию из всего прилежащего объема, двигаясь ускоренно

по различным плав­ным траекториям. Вытекающая из отверстия струя не сохраняет свою форму, а постепенно деформируется, т.е. отрывается от стенки у кромки отверстия и несколько сжимается.
Цилиндрическую форму струя принимает на расстоянии (0,5...1,0)d от плоскости отверстия. Сжатие струи обусловлено необ­ходимостью плавного перехода от различных направлений движения частиц жидкости в резервуаре, в том числе от радиального направле­ния движения по стенке, к осевому направлению движения в струе. Сжатие струи может быть полным и неполным. Полное сжатие - это всестороннее сжатие. Оно имеет место тогда, когда отверстие в достаточной мере удалено от боковых поверхностей стенок сосуда. Если же часть периметра отверстия совпадает с боковой стенкой или днищем сосуда, то сжатие струи будет неполным.
Слайд 12

 

Слайд 13

Истечение жидкости из малого незатопленного и затопленного отверстий в тонкой стенке

Истечение жидкости из малого незатопленного и затопленного отверстий в тонкой стенке
Под

расчётом отверстия понимается определение пропускной способности отверстия, или расхода (Q).
Рассмотрим малое отверстие в тонкой стенке закрытого резервуара, на поверхности жидкости в котором действует абсолютное давление ро, в общем случае не равное атмосферному. Площадь живого сечения отверстия ω, действующий напор по оси отверстия H, уровень воды в резервуаре постоянный.

При истечении жидкости через малое отверстие на расстоянии 0,5d происходит сжатие (инверсия) струи. Это явление объясняется инерцией частиц жидкости, параболической траекторией струек в потоке, которые пересекаются, уменьшая при этом сечение. В сжатом сечении (площадь ωсж.) движение жидкости можно считать установившимся и применить для него уравнение Бернулли.

Слайд 14

Для определения расхода жидкости через малое незатопленное отверстие, т. е. свободное

Для определения расхода жидкости через малое незатопленное отверстие, т. е. свободное

истечение в атмосферу, используем уравнение Бернулли, согласно принятой методике.
1 Выберем два сечения: по свободной поверхности жидкости в резервуаре, проведём его горизонтально, здесь скорость v = 0, и на выходе струи в атмосферу по сжатому сечению, это сечение проведём нормально к направлению движения струи.

 

Слайд 15

 

 

 

Слайд 16

 

 

 

 

 

 

Слайд 17

 

 

 

Слайд 18

 

Слайд 19

Истечение жидкости из насадков при постоянном напоре По форме патрубка различают

Истечение жидкости из насадков при постоянном напоре
По форме патрубка различают следующие

типы насадков:
а) внешний цилиндрический насадок (а);
б) внутренний цилиндрический насадок (б);
в) конический сходящийся насадок (в);
г) конический расходящийся насадок (г);
д) коноидальный насадок (д).
Во всех типах насадков, кроме коноидального, внутри насадка, как правило, на расстоянии 0,5d образуется сжатие струи. В области сжатия возникает вакуум, затем струя расширяется, заполняет весь насадок и выходит полным сечением.
Наличие вакуума внутри насадка доказывается с помощью уравнения Бернулли.
Слайд 20

 

Слайд 21

 

Слайд 22

При теоретических обоснованиях истечения жидкости из отверстий и насадков были введены

 

При теоретических обоснованиях истечения жидкости из отверстий и насадков были введены

коэффициенты: α, ζ, φ, μ. Значения этих коэффициентов зависят от многих факторов: формы отверстия, степени механической обработки кромок отверстия, полноты и совершенства сжатия струи, а также от числа Рейнольдса (Re). Эти коэффициенты определены экспериментально или рассчитаны аналитически. Значения коэффициентов приведены в справочниках и учебниках.
Слайд 23

Слайд 24

 

 

Слайд 25

 

Слайд 26

 

 

Слайд 27

 

Слайд 28

Гидравлические струи жидкости Поток жидкости, не ограниченный твердыми стенками, называет­ся струей

Гидравлические струи жидкости
Поток жидкости, не ограниченный твердыми стенками, называет­ся струей жидкости.
Различают

затопленные струи и незатопленные струи. Затоплен­ной струей называется струя, окруженная жидкостью. Незатопленной свободной струей жидкости называется струя, окруженная газом, в частности воздухом. К этим струям относятся водяные струи: пожар­ные, фонтанные струи, гидромониторные, дождевальные и др.
Структура струи
Рассмотрим структуру затопленной струи. Вылетая из специаль­ного насадка при очень больших скоростях и давлениях, гидравличе­ская струя имеет свою определенную структуру.
Рассматривая струю, мы должны различать ее границу, т.е. по­верхность раздела, отделяющую саму струю от окружающей среды. На рисунке представлена структура затопленной струи.
Слайд 29

Струя - это конус, образующие которого пересекаются в точке О, называемой

Струя - это конус, образующие которого пересекаются в точке О, называемой

полюсом. Сечение I-I, совпадающее с выходным сечени­ем насадка, называется начальным сечением. У начального сечения I-I скорости по сечению струи почти одинаковые.
На расстоянии L - распределение скоростей типичное для одно­родного потока. Сечение II-II называется переходным.
Участок длиной L между сечениями I-I и II-II называется на­чальным участком.
Если до переходного сечения скорость на оси струи постоянна, то начиная от переходного сечения, эта скорость вдоль оси потока пада­ет.
Участок за переходным сечением (II—II) называется основным. Основной участок (II-II - III-III) характеризуется компактностью струи, уменьшением скорости на оси струи, уменьшением пропор­ционально длине поля скоростей.
Конечный участок - после сечения III-III, где струя распадается.
Слайд 30

Практический интерес представляют величины, определяющие изучаемую струю: - расстояние х0, дающее

Практический интерес представляют величины, определяющие изучаемую струю:
- расстояние х0, дающее положение

полюса струи;
- длина L начального участка; угол β, равный половине угла рас­хождения прямолинейных лучей, ограничивающих струю;
- радиус R (x) струи на заданном расстоянии x от начального се­чения;
- скорость Vmax на оси основного участка струи.
Все эти величины могут быть найдены по формулам, имеющимся в технической литературе. В эти формулы, кроме радиуса насадка R0, скорости истечения из от­верстия V0, входит экспериментальный коэффициент а, называемый коэффициентом структуры. Он учитывает структуру потока в выход­ном сечении.
Слайд 31

Насосы Насос - это гидромашина для создания потока рабочей жидкости путем

Насосы
Насос - это гидромашина для создания потока рабочей жидкости путем преобразования

механической энергии в энергию движущейся жидкости.
В объемных насосах жидкость перемещается за счет периодиче­ского изменения объема занимаемой ею рабочей камерой, попере­менно сообщающейся со входом и выходом насоса.
В каждом объемном насосе вытеснитель - орган насоса, осущест­вляющий всасывание жидкости в насос и ее вытеснение из рабочей камеры (ограниченного пространства, попеременно сообщающегося со входом и выходом насоса).
По характеру движения вытеснителя насосы делятся на следую­щие виды: возвратно-поступательные, роторные, крыльчатые.
В гидроприводах мобильных машин наибольшее применение на­шли роторные насосы.
Наименование различных конструктивных типов насосов связано с видом вытеснителя.
По конструктивным признакам роторные насосы подразделяются на следующие типы: шестеренные, пластинчатые (шиберные), порш­невые (радиально-поршневые и аксиально-поршневые).
Слайд 32

 

Слайд 33

 

Слайд 34

Струйные насосы Струйными аппаратами называются устройства, в которых осуществ­ляется процесс инжекции,

Струйные насосы
Струйными аппаратами называются устройства, в которых осуществ­ляется процесс инжекции,

заключающийся в передаче кинетической энергии одного потока другому потоку путем непосредственного контакта (смеше­ния).
Слово «инжектор» происходит от французского слова injecteur - вбрасываю.
При этом смешиваемые потоки могут находиться в одной и той же фа­зе (жидкой, паровой, газовой) или в разных фазах (например, пар и жидкость, газ и твердое тело). В процессе смешения фазовое состояние смешиваемых потоков может оставаться неизменным или же изменяться (например, пар может превратиться в жидкость). Поток, вступающий в процесс смешения с большей скоростью, называется рабочим, а с меньшей скоростью - инжек­тируемым.
В этих насосах для перемещения жидкостей и создания напора используют кинетическую энергию другой жидкости, которую называют рабочей. В качестве рабочей жидкости (тела) обычно применяют пар или воду. Основными элементами аппарата являются рабочее сопло, приемная камера В, камера смешения - конфузор, диффузор. Повышение давления инжектируемого потока без непосредственной затраты механической энергии является основным и принципиальным ка­чеством струйных аппаратов.
Слайд 35

Рабочее тело 1 поступает с большой скоростью из сопла 1 через

Рабочее тело 1 поступает с большой скоростью из сопла 1 через

камеру смешения 2. При этом за счёт поверхностного трения в камере смешения создаётся разрежение, достаточное для того, чтобы из приёмной ёмкости (на рисунке не показана) жидкость поднималась в камеру смешения 2.
Перекачиваемая жидкость смешивается с рабочим телом и далее смесь через конфузор 3 и горловину 4 поступает в сопло 5. На участке конфузор - горловина скорость потока возрастает, а в сопле постепенно падает. В соответствии с уравнением Бернулли кинетическая энергия жидкости переходит в потенциальную энергию давления. Под действием этого давления жидкость поступает в напорный трубопровод и смеситель 3 в диффузор 4, увлекая перекачиваемую жидкость I. В пароструйных насосах, помимо смешения жидкостей и передачи энергии перекачиваемой жидкости, происходит конденсация пара.

Поэтому такие насосы применяются только в тех случаях, когда допустимо смешение перемещаемой жидкости с водой (конденсатом). Часто струйные насосы применяются также для смешения и нагревания жидкостей.

Слайд 36

 

Слайд 37

 

Слайд 38

В зависимости от свойств и условий взаимодействия рабочего и ин­жектируемого потоков

В зависимости от свойств и условий взаимодействия рабочего и ин­жектируемого потоков

в струйных аппаратах возникает ряд дополнитель­ных процессов, которые специфичны только для аппаратов определенного типа. Эти процессы существенно отражаются в работе аппаратов данного типа и должны учитываться при их расчете.
Процессы, происходящие в струйных аппаратах, зависят в первую очередь от агрегатного состояния взаимодействующих сред.
С этих позиций можно все струйные аппараты разбить на три группы:
1) аппараты, в которых агрегатное состояние рабочей и инжектируе­мой сред одинаково;
2) аппараты, в которых рабочий и инжектируемый потоки находятся в разных агрегатных состояниях, не изменяющихся в процессе смешения этих потоков;
3) аппараты с изменяющимся агрегатным состоянием сред. В этих аппаратах рабочий и инжектируемый потоки до смешения находятся в разных фазах, а после смешения - в одной фазе, т.е. в процессе смешения изменяется агрегатное состояние одного из потоков.
Слайд 39

К первой группе относятся паро- и газоструйные компрессоры, эжек­торы и инжекторы,

К первой группе относятся паро- и газоструйные компрессоры, эжек­торы и инжекторы,

а также струйные насосы.
Ко второй группе относятся струйные аппараты для гидротранспор­та, воздушные эжекторы и струйные аппараты для пневмотранспорта.
К третьей группе относятся пароводяные инжекторы и струйные по­догреватели.
Условия работы струйных аппаратов зависят также от упругих свойств взаимодействующих сред. Под упругими свойствами или сжимае­мостью понимается значительное изменение удельного объема среды при изменении ее давления. На практике применяются струйные насосы, в ко­торых:
1) обе среды (рабочая и инжектируемая) упруги;
2) упругая только одна из сред;
3) обе среды неупругие.
Слайд 40

Работа равнофазных аппаратов с упругими средами зависит в значи­тельной мере от

Работа равнофазных аппаратов с упругими средами зависит в значи­тельной мере от

степени сжатия инжектируемой среды, а также от степени расширения рабочей среды.
Степенью сжатия называется отношение давления Рс / Рн, то есть от­ношение конечного давления сжатия к начальному, хотя более строго было бы назвать это отношение степенью повышения давления, поскольку под степенью сжатия обычно понимается отношение удельных объемов. Ана­логично, под степенью расширения рабочего потока понимается отноше­ние давлений Рр /Рн, то есть отношение начального давления перед соплом к конечному отношению за соплом, хотя здесь также, говоря более строго, это отношение можно назвать степенью снижения давления.
По степени сжатия и степени расширения равнофазные струйные ап­параты для упругих сред можно классифицировать следующим образом:
1) аппараты с большой степенью расширения и умеренной степенью сжатия. Такие аппараты называют газоструйными или пароструйными компрессорами. Рабочей и инжектируемой средой в этих аппаратах явля­ется пар или газ. Степень расширения рабочего потока в компрессорах ве­лика. Отношение давлений рабочего и инжектируемого потоков перед компрессором во много раз больше критического отношения давления. Степень сжатия, развиваемая такими аппаратами, обычно находится в пределах 2,5 > Рс / Рн > 1,2. К аппаратам этой группы относятся аппараты для повышения давления отработанного пара, газа в сети и др.;
Слайд 41

2) аппараты с большой степенью сжатия и большой степенью рас­ширения. Такие

2) аппараты с большой степенью сжатия и большой степенью рас­ширения. Такие

аппараты обычно применяются в установках, где требует­ся поддерживать глубокий вакуум, и их называют газоструйными или па­роструйными эжекторами. Степень расширения рабочего потока в эжекто­рах также весьма значительна. Отношение давлений рабочего и инжекти­руемого потоков перед эжектором Рр / Рн также во много раз больше кри­тического отношения давлений. Степень сжатия, создаваемая такими ап­паратами, Рс / Рн > 2,5;
3) к этой группе относятся аппараты с большой степенью расшире­ния и малой степенью сжатия. Такие аппараты называются газоструйными или пароструйными инжекторами. Рабочей и инжектируемой средой в этих аппаратах является пар или газ. Степень расширения рабочего потока в инжекторах значительна, но степень сжатия мала - Рс/Рн < 1,2. Посколь­ку степень сжатия мала, упругие свойства инжектируемого и смешанного потоков проявляются слабо. Поэтому при расчете таких аппаратов в ос­новных расчетных уравнениях могут не учитываться свойства сжимаемо­сти инжектируемого и смешанного потоков. К таким аппаратам относятся паровоздушные дутьевые инжекторы топочных устройств и котельных ус­тановок, воздушные обдувочные инжекторы, газовые инжекционные го­релки и т.д. На практике применяются также равнофазные струйные аппа­раты, в которых свойства сжимаемости рабочего и инжектируемого пото­ков не проявляются. Эти аппараты называются струйными насосами.
Слайд 42

Рабочей и инжектируемой средой в этих аппаратах в большинстве случаев является

Рабочей и инжектируемой средой в этих аппаратах в большинстве случаев является

жидкость. Это водоструйные насосы для откачивания во­ды из скважин и колодцев; элеваторы, широко используемые в теплофика­ционных системах для присоединения отопительных установок к водяным тепловым сетям, и др.
Рабочей и инжектируемой средой в струйных насосах может быть также газ или пар, но в этом случае степень расширения рабочего тела должна быть значительно меньше критического отношения давлений, так­же мала должна быть и степень сжатия (Рс/Рн < 1,2).
Разнофазные струйные аппараты в зависимости от упругих свойств взаимодействующих сред можно разделить на три типа:
- аппараты с упругой рабочей силой и неупругой инжектируемой. К ним относятся пневмотранспортные струйные аппараты, где газ инжекти­рует сыпучее твердое тело или жидкость;
- аппараты с неупругой рабочей и упругой инжектируемой среда­ми. К ним относятся жидкостно-газовые эжекторы, например, водовоз- душные эжекторы;
- аппараты, в которых обе среды неупруги. Эти аппараты служат для гидротранспорта твердых тел, в которых жидкость инжектирует сыпу­чее твердое тело.
Слайд 43

Струйные аппараты, в которых полностью изменяется агрегатное со­стояние одного из взаимодействующих

Струйные аппараты, в которых полностью изменяется агрегатное со­стояние одного из взаимодействующих

потоков, можно разделить на два типа. К первому относятся аппараты, в которых рабочей средой является пар, а инжектируемой - жидкость (парожидкостные инжекторы). Ко вто­рому типу относятся аппараты, в которых рабочей средой является жид­кость, а инжектируемой - пар (струйные подогреватели).
Указанная классификация струйных аппаратов приведена в таблице 1.
В названии аппарата вначале, как правило, указывается вид рабочей среды (газ, пар, вода). Каждый из указанных типов струйных аппаратов имеет свои характерные особенности, которые должны учитываться при его расчетах. В то же время все струйные аппараты имеют много общего, поскольку процессы их работы описываются одними и теми же уравне­ниями, приведенными ранее.
Слайд 44

Слайд 45

Разность напоров и потери напора Различие в применении терминов «разность напоров»

 
Разность напоров и потери напора
Различие в применении терминов «разность напоров»

и «потери напора» с одним и тем же обозначением ∆H поясним на примерах.
Движение жидкости происходит только при наличии разности на­поров (∆H = H1 - H2), от точки с бoльшим напором H1 к точке с ме­ньшим H2. Например, если два бака, заполненных водой до разных вы­сотных отметок, соединить трубопроводом, то по нему начнётся пере­текание в бак с меньшей от­меткой уровня воды под влиянием разности напоров ∆H, равной в этом случае разности отметок уровней воды в ба­ках. При выравнивании уровней напоры в обоих баках становятся оди­наковыми H1 = H2 , разность напоров ∆ H=0 и перетекание пре­кращается.
Слайд 46

Потери напора ∆H отражают потерю полной энергии потока при движении жидкости.

Потери напора ∆H отражают потерю полной энергии потока при движении жидкости.

Если в предыдущем примере на трубе установить задвижку и закрыть её, то движение воды прекратится и потерь напора не будет (∆H = 0), однако разность уровней воды будет создавать неко­торую разность напоров ∆H. После открывания задвижки вода вновь начнёт перетекать по трубе и общие потери напора в трубопроводе при движении из одного бака в другой будут равны разности напоров в баках ∆H = H1 - H2 , то есть мы опять пришли к уравнению Бернулли.
Таким образом, «разность напоров» является причиной движения воды, а «потеря напора» - следствием. При установившемся движении жидкости они равны. Измеряются они в одних и тех же единицах СИ: метрах по высоте.
Обычно в гидравлических задачах при известных v или q опреде­ляемая величина ∆H называется потерей напора и, наоборот, при оп­ределении v или q известная ∆H - разностью напоров.
Слайд 47

Напорная и пьезометрическая линии Напорная линия графически изображает гидродина­ми­ческие напоры вдоль

Напорная и пьезометрическая линии
Напорная линия графически изображает гидродина­ми­ческие напоры вдоль потока.

Отметки этой линии могут быть определе­ны с помощью трубок Пито или же расчётом. По ходу движения она всегда па­дает, то есть имеет уклон, так как потери напора не обратимы.
Пьезометрическая линия графически отражает напо­ры вдоль потока без скоростного напора hv=v2/2g, поэтому она распо­лагается всегда ниже напорной линии. Отметки этой линии могут быть заре­гистриро­ваны непосредственно пьезометрами или, с пересчётом, мано­метрами. В отличие от напорной линии пьезометрическая может не только понижаться вдоль потока, но и повышаться.
Слайд 48

Связь давления и скорости в потоке Связь давления и скорости в

Связь давления и скорости в потоке
Связь давления и скорости в потоке

жидкости  обратная: если в каком-то месте потока скорость увеличивается, то давление здесь мало, и, наоборот, там, где скорости невелики, давление повышенное. Эту законо­мерность объясним на основе уравнения Бернулли.
Рассмотрим работу водоструйного насоса. На подходе по на­гнетательному трубопроводу 1 поток рабочей жидкости имеет относи­те­ль­но небольшую скорость v1 и высокое избыточное давление pизб1. Проходя через сопло 2, поток сужается, скорость его резко возрастает до v2. Для дальнейших рассуждений запишем уравнение Бернулли так: