1. Истечение жидкостей. Введение
Цель – определение коэффициентов расхода для различных насадков при истечении жидкости.
Задачи:
· изучить коэффициенты расхода насадков и отверстий при постоянном и переменном напорах;
· изучить процессы истечения.
2. Теория
На практике часто приходится встречаться с истечением жидкости через различные отверстия и насадки. При этом характер истечения существенно зависит от условий истечения.
Задача об истечении сводится к определению скорости истечения и расхода вытекающей жидкости. Наиболее просто и точно эта задача решается в случае, когда напор одинаков по всему поперечному сечению отверстия. Это условие выполняется при истечении жидкости из малых отверстий.
«Малым отверстием» называется такое отверстие, линейный размер которого не превышает 0,1 Н, где Н – напор жидкости над центром тяжести отверстия.
Если линейный размер 
отверстия значительно больше толщины
стенки 
, в
которой оно сделано (
),
то такое отверстие называется отверстием в тонкой стенке. При этом считается,
что края отверстия имеют острую кромку, и при прохождении жидкости через такие
отверстия практически отсутствуют потери напора на трение.
При образовании струи, вытекающей из отверстия, имеет
место ее сжатие на расстоянии 
от дна стенки или сосуда.
Рис. 2.1. Истечение жидкости из отверстий
Отношение площади сжатого сечения струи 
к площади отверстия 
называется
коэффициентом сжатия струи 
.
|
|
(2.1) |
Применив уравнение Бернулли к двум сечениям Н-Н (свободная
поверхность жидкости в сосуде) и С-С (сжатое сечение), получим формулу для
определения скорости движения жидкости при 
|
|
(2.2) |
,
где 
- напор жидкости над отверстием;
– коэффициент скорости для отверстия;
– коэффициент сопротивления отверстия,
учитывающий потери напора от сечения Н-Н до сечения С-С.
Расход жидкости, вытекающей из отверстия, определяется по формуле
|
|
(2.3) |
Подставляя в (2.3) значения и 
, определенный из (2.1) и (2.2), получим:
|
|
(2.4) |
,
где 
, 
- коэффициент расхода.
Величины коэффициентов 
, 
, , зависят от формы отверстия и режима
движения жидкости, определяемого числом Rе.
Рассмотрим процесс истечения жидкости через насадок.
Насадком называется короткий патрубок, присоединенный к
отверстию, длина которого составляет 
, где – диаметр выходного отверстия в стенке.
Цилиндрические, конические сходящиеся и цилиндрические со скругленным входом насадки способствуют увеличению расхода вытекающей жидкости, по сравнению с истечением из отверстия. Это объясняется тем, что при входе в насадок происходит сжатие струи, а затем постепенное ее расширение с заполнением всего сечения насадка. Вследствие сжатия струи в насадке образуется вакуум, при этом возрастает действующий напор, т.к. истечение происходит не в атмосферу, а в область вакуума (рис. 2.2).
Скорость вытекающей из насадка жидкости определяется по формуле
|
|
(2.5) |
,
где 
- коэффициент скорости для насадка;
- коэффициент сопротивления насадка.
Рис. 2.2. Истечение жидкости через насадок
Формула для определения расхода 
при истечении жидкости из
насадка имеет вид
|
|
(2.6) |
,
где - площадь сечения выходного отверстия
насадка;
- коэффициент расхода, величина которого
зависит от вида насадка или его конфигурации;
– приведенный напор.
Коэффициенты 
, , , определяются опытным путем, их средние
значения приведены в справочной литературе по гидравлике.
3. Оборудование
3.1. Активные клавиши
Для работы в этой лабораторной работе применяются следующие клавиши:
W, S, A, D – для перемещения в пространстве;
F2, E – аналоги средней клавиши манипулятора (при первом нажатии берется объект, при последующем – ставится);
Ctrl – присесть;
Z – визуальное приближение.
F10 – выход из программы.
Рис. 3.1. Активные клавиши клавиатуры
Рис. 3.3. Функции манипулятора
Левая клавиша манипулятора (ЛКМ) – управление объектами (в режиме манипуляции).
Средняя клавиша манипулятора (СКМ) – взять (применить) объект (в режиме манипуляции). Также данная клавиша позволяет проводить ускоренную работу с некоторыми объектами (например, ускоренное закручивание (откручивание) рукоятки тормозного устройства).
Правая клавиша манипулятора (ПКМ) – переход в режим манипуляции (управление объектами), возврат в режим навигации (перемещения по сцене).
Примечание: При появившемся курсоре невозможно перевести взгляд вверх и стороны.
3.2. Оборудование в лабораторной работе
Лабораторная установка (рис. 3.3) состоит из напорного бака, в дне которого выполнено отверстие диаметром 25 мм и смонтированы 3 насадка: внешний цилиндрический, конический сходящийся и цилиндрический со скругленным входом. Нижняя часть установки представляет собой мерный бак. Для открытия и закрытия насадков и отверстия работают металлические стержни, верхний конец которых изогнут в виде кольца, а на нижнем закреплена резиновая пробка. Подача воды в напорный бак осуществляется из водопровода через кран 1. Слив жидкости из мерного бака по окончании опытов проводится через кран 2. Для поддержания постоянного уровня в напорном баке установка оборудована обводной трубой.
Рис. 3.3. Схема экспериментальной установки
Рис. 3.4. Установка в лабораторной работе
4. Порядок выполнения работы
4.1. Порядок действий (рекомендованный)
4.1.1. Опыт №1
1. Откройте кран трубопровода 1 (рис. 3.3) и заполните напорный бак водой, пока уровень жидкости не достигнет точки присоединения обводной трубы, через которую будут сливаться излишки жидкости, а уровень воды в баке будет поддерживаться постоянным.
2. Закройте кран 2.
3. Откройте отверстие (насадок), приподнимая соответствующий стержень на высоту 120-150 мм и удерживая его в таком положении, произведите замер расхода жидкости при истечении из отверстия (насадка) объемным способом (с помощью секундомера и мерного бака).
4. Закройте отверстие (насадок) пробкой.
5. Повторите пп 3-4 для остальных насадков.
6. После окончания опытов закройте кран трубопровода 1 и откройте кран 2 для слива воды из мерного бака.
6. Результаты измерений занесите в таблицу 5.1.
4.1.1.1. Обработка экспериментальных данных
1. Вычислите действительный расход жидкости при истечении из насадка (отверстия):
,
где 
- объем мерного бака, заполнившийся за
время замера 
.
2. Вычислите теоретический расход жидкости в баке:
,
где 
- диаметр отверстия или выходного сечения
насадка.
3. Вычислите коэффициент расхода 
.
4. Приняв степень сжатия 
для отверстия, 
для конического сходящегося
насадка, 
для
остальных, определите коэффициент скорости 
.
5. Определите коэффициент сопротивления отверстия или насадка:
4.1.1.2. Опыт №2. Истечение жидкости при переменном напоре
1. Откройте кран трубопровода 1 и заполните напорный бак водой. Закройте кран 2.
2. Закройте кран трубопровода 1.
3. Откройте отверстие (насадок), приподнимая соответствующий стержень на высоту 120-150 мм и удерживая его в таком положении до полного опорожнения напорного бака.
4. Произведите замер количества жидкости объемным способом (с помощью мерного бака) и времени истечения.
5. Откройте кран 2 для слива воды из мерного бака.
6. Повторите пп 1–5 для остальных насадков.
7. Результаты измерений занесите в таблицу 5.2.
4.1.1.3. Обработка экспериментальных данных
1. Вычислите теоретическое время опорожнения бака:
,
где - объем воды в баке;
– теоретический расход в начале
истечения;
- диаметр отверстия или выходного сечения
насадка.
2. Вычислите коэффициент расхода 
.
3. Приняв степень сжатия для отверстия, для конического сходящегося
насадка для
остальных, определите коэффициент скорости .
4. Определите коэффициент сопротивления отверстия или насадка:
5. Отчет
5.1. Форма отчета
Студент: ФИО, группа.
ОТЧЕТ
по лабораторной работе
«Истечение жидкостей»
Цель:_______________________________________________________________________________________________________________________________
Задачи: ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
1.Схема лабораторной установки.
2. Ход работы.
3.Результаты экспериментальных исследований (таблицы 5.1 и 5.2).
4.Расчеты.
5. Основные выводы.
Результаты экспериментальных исследований.
Таблица 5.1
|
Насадок |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Отверстие
|
|
|
|
|
|
0,64 |
|
|
|
Цилиндрический
|
|
|
|
|
|
1,0 |
|
|
|
Конический сходящийся
|
|
|
|
|
|
0,98 |
|
|
|
Цилиндрический со скругленным входом |
|
|
|
|
|
1,0 |
|
|
Таблица 5.2
|
Насадок |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Отверстие
|
|
|
|
|
|
0,64 |
|
|
|
Цилиндрический
|
|
|
|
|
|
1,0 |
|
|
|
Конический сходящийся
|
|
|
|
|
|
0,98 |
|
|
|
Цилиндрический со скругленным входом |
|
|
|
|
|
1,0 |
|
|
Q
6. Авторы
Лабораторная работа «Истечение жидкостей» по дисциплине «Гидромеханика»
Методическое обеспечение: доцент, к.т.н. Земенкова М.Ю.; Воронин К.С.; Тырылгин И.В.; Шарипов Э.А.
Под редакцией проф., д.т.н. Земенкова Ю.Д.
Редактор: Яковлев О.В.
3D-графика: Червов А.А.
Script-программирование: Баканов А.А.