НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Файл статьи: SE-BMSTU...o023.pdf (2410.44Кб)

УДК 543.8 + 541.13

Россия,  МГТУ им. Н.Э. Баумана

Знание особенностей истечения вязкой жидкости через отверстия с острой входной кромкой и насадки необходимо при расчёте систем подачи топлива в тепловые двигатели, конструкций аппаратов химического производства, а также при проектировании элементов гидроприводов и гидравлических систем управления.
Процесс истечения жидкости через отверстия круглой формы достаточно хорошо изучен: в технической литературе широко представлены экспериментальные значения коэффициентов истечения и их зависимость от числа Рейнольдса. Процесс истечения жидкости через отверстия с острой кромкой некруглой формы мало изучен, количественная оценка влияния формы отверстия на коэффициенты истечения отсутствует. Выполненная работа в некоторой степени восполняет нехватку информации по рассматриваемому вопросу..
В качестве объекта исследования были выбраны равностороннее треугольное, квадратное, прямоугольное и крестообразное отверстия с условно острой кромкой. На форму струи, вытекающей из отверстия некруглой формы, влияет процесс инверсии: этот процесс обусловлен взаимодействием силы поверхностного натяжения, стремящейся свести к минимуму площадь наружной поверхности струи, и силы инерции, которая направлена на сохранение количества движения массы частицы жидкости, находящейся на траектории элементарной струйки. Существенное влияние на форму инверсированной струи оказывает неравномерность поля скоростей радиальных струй, подтекающих к отверстию.
Для повышения пропускной способности отверстий некруглой формы был применён внешний цилиндрический насадок, представляющий собой короткий участок трубы длиной порядка трёх- четырёх диаметров отверстия. Управление величиной абсолютного давления в камере открытого внешнего цилиндрического насадка с треугольным входным отверстием позволило в определённом, достаточно узком диапазоне, изменять его пропускную способность. Изменение давления в камере внешнего цилиндрического насадка осуществлялось путём её регламентированного открытия в атмосферу посредством регулируемого прецизионного дросселя. Управляемое абсолютное давление в камере открытого внешнего цилиндрического насадка обеспечило глубину регулирования по скорости струи до 13 %.
В результате проведённых экспериментальных исследований было показано, что пропускная способность исследованных отверстий некруглой формы при истечении жидкости в атмосферу больше пропускной способности круглого отверстия, а значение коэффициента расхода равностороннего треугольного отверстия на 10% превысило значение коэффициента расхода круглого отверстия.
Практический интерес представило использование отверстий некруглой формы в составе внешних цилиндрических насадков для повышения их пропускной способности.
Эксперимент показал, что физика гидродинамических процессов в открытых и закрытых внешних цилиндрических насадках не идентична.
Расчётные значения коэффициента расхода внешнего цилиндрического насадка с некруглым входным отверстием, хорошо согласуются с экспериментальными данными. Величину потери напора при расширении струи в гильзе внешнего цилиндрического насадка можно принять равной потери напора при внезапном увеличении диаметра канала в соответствии с формулой Борда. Cравнение расчётных и экспериментальных значений коэффициентов расхода внешних цилиндрических насадков позволило принять значения коэффициента гидравлического сопротивления входного отверстия и коэффициента скорости для свободной и затопленной струй равными и независящими от формы входного отверстия.
Причину повышения пропускной способности отверстий некруглой формы можно рассматривать как обусловленную особенностями поля скоростей радиальных струй, подтекающих к входному отверстию и определяющих увеличение относительной площади струи.

1. Давыдова М.А. Лекции по гидродинамике: учеб. пособие. М.: Физматгиз, 2011. 216 с.
2. Кудинов А.А. Техническая гидромеханика: учеб. пособие для студентов вузов. М.: ЭКСМО, 2010. 368 с.
3. Гусев А.А. Гидравлика: учебник для студентов вузов. М.: ЮРАЙТ, 2013. 285 с.
4. Иванов В.И., Сазанов И.И., Схиртладзе А.Г. и др. Гидравлика. В 2 т. М.: Академия, 2012.
5. Лапшев Н.Н. Гидравлика. М.: Академия, 2010. 272 с .
6. Charru F. Hydrodynamic Instabilities. Cambridge University Press, 2011. 391 p.
7. Dey S. Fluvial Hydrodynamics. Hydrodynamic and Sediment Transport Phenomena. Springer Berlin Heidelberg , 2014. 687 p. DOI: 10.1007/978-3-642-19062-9
8. Hibbeler Russell C. Fluid Mechanics. Part 2. Pearson Prentice Hall, 2015. 904 p.
9. Альтшуль А.Д. Гидравлические сопротивления. М .: Стройиздат , 1982. 224 с .
10. Daschiel G., Frohnapfel B., Jovanović J. Numerical investigation of flow through a triangular duct: The coexistence of laminar and turbulent flow // International Journal of Heat and Fluid Flow. 2013. Vol. 41. P. 27-33. DOI: 10.1016/j.ijheatfluidflow.2013.03.016
11. Franc J.-P., Michel J.-M., eds. Fundamental of Cavitation. Springer, Berlin, 2010. 328 p.
12. Deo R.C. Comparative Analysis of Turbulent Plane Jets from a Sharp-Edged Orifice, a Beveled-Edge Orifice and a Radially Contoured Nozzle // Engineering and Technology International Journal of Mechanical, Aerospace, Industrial and Mechatronics Engineering. 2013. Vol. 7, no. 12. P. 1496-1505.
13. Spencer P.R. Investigation of Discharge Behaviour from a Sharp-Edged Circular Orifice in Both Weir and Orifice Flow Regimes Using an Unsteady Experimental Procedure // University of Western Ontario, Electronic Thesis and Dissertation Repository, 2013. Paper no. 1565. Available at: http://ir.lib.uwo.ca/etd/1565, accessed 30.01.2015 .
14. Ghahremanian S., Svensson K., Tummers M.J., Moshfegh B. Hear-field mixing of jets issuing from an array of round nozzles // International Journal of Heat and Fluid Flow. 2014. Vol. 47. P. 84-100. DOI: 10.1016/j.ijheatfluidflow.2014.01.007
15. De Giorgi M.G., Ficarella A., Tarantino M. Evaluating cavitation regimes in an internal orifice at different temperatures using frequency analysis and visualization // International Journal of Heat and Fluid Flow. 2013. Vol. 39. P. 160-172. DOI: 10.1016/j.ijheatfluidflow.2012.11.002