Насадкою називається приєднана до отвору в стінці трубка, довжина якої становить три-чотири діаметра. Розрізняють такі основні типи насадков (рис. 5.4):
циліндричні (зовнішні - а й внутрішні - б);
конічні (сходяться - в і розходяться - г)
коноідальние (із закругленими контурами за формою стиснення струменя - д).
Великий вплив на швидкість витікання і витрата з насадков надає форма вхідної крайки. Наприклад, плавне закруглення на вході може повністю усунути внутрішнє стиснення струменя і викликати збільшення швидкості і витрати.
Мал. 5.4. Витікання рідини через насадки
Зовнішній циліндричний насадок (рис. 5.5). Струмінь рідини при виході в насадок стискається, після чого знову розширюється і заповнює всі перетин насадка. У проміжку між стисненим перетином і стінками насадка утворюється вихрова зона. Так як струмінь виходить з насадка повним перерізом (без стиснення), то коефіцієнт стиснення струменя e = 1, а коефіцієнт витрати m = ej = j, тобто для насадка коефіцієнти витрати і швидкості мають однакову величину.
Складаючи рівняння Бернуллі для перетинів II і II-II, взятих на вільної поверхні рідини в посудині і в місці виходу струменя з насадка, і розмірковуючи точно так же, як і в разі витікання рідини з отвору в тонкій стінці, отримуємо наступні розрахункові формули:
для швидкості витікання з насадка
для витрати при витіканні з насадка
Мал. 5.5. Зовнішній циліндричний насадок
Коефіцієнт швидкості насадка j можна визначити, знаючи величину коефіцієнта опору насадка zн. Для цього визначимо втрати напору при закінченні рідини через насадок, які в даному випадку обумовлюються опором отвори в тонкій стінці і раптовим розширенням струменя. Що стосується втрат напору по довжині насадка, то їх величина незначна і ними можна знехтувати.
де вираз в дужках являє собою zн.
Знаючи, що zт.с = 0,06, визначимо zв.р за формулою (4.42),
Таким чином, коефіцієнт швидкості для насадка буде дорівнює
Отже, і коефіцієнт витрати насадка m = 0,82.
У разі витікання рідини під рівень формули для швидкості і витрати приймають вид:
де - різниця рівнів або напорів води.
Зіставляючи значення коефіцієнтів закінчення для насадков і отворів у тонкій стінці, видно, що витрата рідини з циліндричного насадка більше, ніж з отвору в тонкій стінці:
а швидкість значно менше, ніж при витіканні з отвору
Зовнішній циліндричний насадок, збільшуючи витрату рідини, разом з тим дає і значне зменшення швидкості витікання. Пояснюється це тим, що в вихровий зоні насадка, після того як повітря, віджатий струменем, буде захоплений потоком назовні, утворюється вакуум. Наявність зниженого тиску в області стисненого перерізу струменя породжує фактор подсасиванія рідини, який надає більш сильний вплив на витрату, ніж додатковий опір внаслідок тертя по довжині і розширення струменя в трубці. При значній довжині трубки ефект підсосу не компенсує додаткових втрат, завдяки чому витрата з трубці стане рівним або менше, ніж при вільному витіканні з отвору в тонкій стінці. Хоча при цьому втрати напору ростуть, їх вплив на зменшення швидкості у вхідному перерізі менше, ніж вплив збільшення живого перетину струменя.
Для визначення величини вакууму в стиснутому перерізі струменя (див. Рис. 5.5) складемо рівняння Бернуллі для двох перерізів: поверхні води в посудині I-I і стисненого перерізу С-С:
Висловимо швидкісний натиск в стиснутому перерізі через натиск перед насадкою Н з формули (5.9):
а з рівняння нерозривності знайдемо.
Підставляючи отриманий вираз в початкове рівняння, отримуємо:
Таким чином, при постійних параметрах j, # 950; т.с і # 949; вакуум в насадці (в стиснутому перерізі) пропорційний натиску.
Підставивши числові значення коефіцієнта в формулу (5.11), отримаємо значення вакууму при витіканні рідини в атмосферу:
Максимальна величина вакууму, рівна 10 м, настає при напорі
При зниженні абсолютного тиску в насадці до тиску насичених парів виникає кавітаційний режим закінчення. Виділяються всередині рідини пари будуть заповнювати струмінь, яка почне втрачати свою суцільність, в результаті зменшиться витрата рідини.
Подальше збільшення напору призводить до відриву струменя рідини від внутрішніх стінок насадка (рис. 5.6). При цьому знижується коефіцієнт витрати і, отже, пропускна здатність насадка. Насадок працює як отвір у тонкій стінці. Таке явище називається зривом закінчення через насадок.
Внутрішній циліндричний насадок (рис. 5.7). У цьому насадки явище протікає, як і в зовнішньому насадки. Однак внаслідок великого стиснення струменя на вході коефіцієнти швидкості і витрати для внутрішнього насадка менше, ніж зовнішнього, m = j = 0,71.
Мал. 5.6. Закінчення через насадок при зриві
Мал. 5.7. Внутрішній циліндричний насадок
При малій довжині внутрішнього циліндричного насадка (l <1,5d ) струя вытекает из него, не касаясь стенок. В этом случае j= 0,98; e = 0,5; m = 0,49.
Гідравлічні опору у внутрішньому насадки більше, ніж у зовнішньому, отже, в ньому менше вакуум і витрата рідини. Тому, як правило, зовнішні насадки воліють внутрішнім, з огляду на менших гідравлічних опорів.
Конічний сходиться насадок (рис. 5.8). У конічному сходиться насадки явище внутрішнього стиснення позначається менше, ніж в циліндричній насадки, але зате з'являється стиснення струменя після виходу з насадка.
Мал. 5.8. Конічний сходиться насадок
Це тягне за собою, з одного боку, збільшення коефіцієнта швидкості, а з іншого - зменшення коефіцієнта стиснення. Так як різниця між стисненим перетином і розширеною частиною струменя в конічному сходиться насадки менше, ніж в циліндричній, відбувається зменшення втрат напору на розширення струменя і відповідно збільшення витрат. Однак це має місце до значення кута конусності q = 13º. В подальшому внаслідок надмірного стиснення струменя втрати зростають і витрати зменшується.
В середньому при кутах конусности 12-14º можна приймати:
Мал. 5.9. Конічний розходиться насадок
Конічний розходиться насадок (рис. 5.9). Розширення струменя в такому насадки відбувається більш різко, ніж в циліндричній. Тому його гідравлічний опір більше, а коефіцієнт швидкості менше. Внаслідок того що в розходиться насадки втрати напору від стисненого перерізу до розширеного значно більше, ніж в конічному сходиться і циліндричному, відбувається зниження коефіцієнта витрати. Найбільшою пропускною спроможністю він володіє при кутах конусности 6-8º.
Конічні розбіжні насадки (дифузори) знайшли широке застосування в насосах, гідроелеватор і т.п. де потрібно довести до мінімуму кінетичну енергію в відходить потоці.
При куті конусності 5º для конічного розходиться насадка з округленої вхідний кромкою можна прийняти. .
Слід зазначити, що цей коефіцієнт витрати відноситься до більшого (вихідного) перетину насадка. Якщо ж віднести цей коефіцієнт до вхідного отвору, то він виявиться значно більше і може досягти 2-3.
Коноідальний насадок (див. Рис. 5.4, д). Циліндричний насадок, що має плавний вхід за формою струменя, що виходить з отвору, називається коноідальним. Витікання рідини через такий насадок відбувається при найменшому опорі (), що сприяє отриманню далекобійних струменів з великою початковою швидкістю польоту. Однак через складність виготовлення такі насадки в пожежному справі застосовуються недостатньо широко.
Значення коефіцієнтів для різних отворів і насадков, віднесених до вихідного перетину, наведені в табл. 5.1
Тип отвори або насадка
0,06 1,00 0,98 0,98
Особливості виділення з некруглих отворів. Залежно від форми отвору, через яке відбувається витікання, форма поперечного перерізу струменя має найрізноманітніший вид (рис. 5.10). Наприклад, поперечний переріз струменя, що випливає через трикутний отвір, набуває форму з трьома тонкими ребрами: при закінченні через квадратний отвір - хрестоподібну і через кругле - еліптичну. Зміна форми струменя відбувається під дією сил поверхневого натягу. Це явище називається інверсією струменя. Надалі форма поперечного перерізу по довжині струменя не залишається постійною, вона під дією сил поверхневого натягу весь час зазнає відповідну зміну. В результаті порушується суцільність струменя і вона розпадається на окремі краплі.
Мал. 5.10. Інверсія струменя:
а - форма отворів; б - форма перетину струменя
Виходячи зі сказаного, слід, що для отримання далекобійних струменів необхідно використовувати насадки з круглим перетином, в яких дія сил поверхневого натягу взаємно врівноважується. Для запобігання вихідних кромок насадков від різного роду пошкоджень передбачаються спеціальні кільцеві виточки.
Розрахункові формули для витрати та напору з насадков. Формулу для визначення витрати можна представити у вигляді
де називається провідністю насадка.
Напір перед насадкою визначається з виразу
де опір насадка.
Значення і насадков при для визначення витрат. л / с, і напору. м, для пожежних стволів наводиться в табл. 5.2.