射流流体力学基础知识之小孔口出流【高压柱塞泵】

发布时间:2021-02-20 21:43:00

一定压力的流体从孔口流出即可形成射流。根据孔口边缘形状和出流情况可将孔口出流分为薄壁孔口出流和厚壁孔口出流(或称短管出流),见图2-1与图2-2所示。

孔口出流问题可利用伯努利方程来解决。对图2-1所示薄壁孔口出流,由于孔口边缘尖锐,而流线又不能突然转折,经过孔口后射流继续发生收缩,在离孔口很近的C-C处射流截面面积达到最小,称为收缩截面,它的面积以Ac表示,Ac与孔口的几何截面面积At之比称为收缩系数ε。
ε=Ac/At                (2-6)
在收缩截面C-C上,流线近似平行,可以认为是缓变流动。液体从薄壁孔口出流时没有沿程损失,只有因收缩而引起的局部阻力损失。列出的上游1-1截面与C-C截面之间的伯努利方程为:

式中  
Pa—— 环境压力;
P—— 驱动压力;
v1—— 孔口上游速度,可近似认为0;
vc——孔口出流收缩截面速度;
ρ——水的密度;
ζ——孔口出流局部阻力系数;
H——液面高度。
经推导后,可得:

流速系数

通过孔口的流量
q=vc Ac
将式(2-6)与式(2-7)代入上式得:

流量系数
μ=φε   (2-10)
式中  At——孔口截面几何面积,为πd²/4。
与薄壁孔出流相对比,再分析图2-2所示的厚壁孔口出流。对厚壁孔口出流,如果孔口进口边界是尖锐的,由于流线不能转折,射流也会发生收缩,但射流受到阻力要发生扩散。如果壁厚L>(2~4)d时,扩散的射流就发生附壁,在离开孔口时,液体已充满整个截面,即收缩截面发生在孔口内部(图2-2中C-C截面),使厚壁孔口出流的收缩系数ε=1。而其出流能量损失ζ 2/2 由下列三部分组成:截面1-1至C-C之间的能量损失,属进口损失;截面C-C以后的扩散损失;射流附壁后的沿程阻力损失。
前两项为突然局部阻力损失,而第三项沿程损失为λ=L0/d · 2/2,需视附壁长度L0而定。这样,与薄壁孔口出流相比,厚壁孔口出流的阻力增压了,即φ降低了,但出口流量反而有所增加。这是由于孔口内C-C截面处产生真空的缘故。如果列出C-C截面与2-2截面的伯努利方程,即


上式中的能量损失项沿程损失可以忽略,主要是扩散损失,所以。再由连续性方程可得到,因此

很显然,是C-C截面处的真空度,而εc<1,即真空度是正的,也即Pcρ的驱动作用,而且还有真空抽吸作用,因此使出口流量有所增大。也即在p与孔口面积相等的条件下,厚壁孔口出流的流量系数一定大于薄壁孔口的流量系数。这正是短管出流的显著优点。不过,由于Pc在低于当地水的饱和蒸汽压力Pv时,水在流过该截面将发生气化,所以收缩截面上的真空度是有限制的。也即Pc应大于Pv,否则将产生气穴。而不产生气穴的条件则为


在实际工程应用中,由于驱动压力p一般都远远超过式(2-11)中所限制的p值。为了防止出现气化现象,一般不直接采用短管型喷嘴,而是加以改进,做成收敛的流线型或直锥型喷嘴。这些喷嘴的造型既保留了短管(厚壁孔口)的优点,又避免了引起气化的可能性。
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