ЩО ТАКЕ ВІДНОСНА ТА АБСОЛЮТНА ШОРСТКІСТЬ? - ФІЗИЧНІ - 2025

Відносна шорсткість і абсолютна шорсткість - це два терміни, які використовуються для опису набору нерівностей, що існують всередині комерційних труб, що транспортують рідини. Абсолютна шорсткість - це середнє або середнє значення цих нерівностей, переведене на середнє коливання внутрішнього радіуса труби.

Абсолютна шорсткість вважається властивістю використовуваного матеріалу і зазвичай вимірюється в метрах, дюймах або футах. Зі свого боку, відносна шорсткість є коефіцієнтом між абсолютною шорсткістю і діаметром труби, тому є безрозмірною величиною.

Малюнок 1. Мідні труби. Джерело: Pixabay.

Відносна шорсткість важлива, оскільки та ж абсолютна шорсткість має більш помітний вплив на тонкі труби, ніж на великі.

Очевидно шорсткість труб співпрацює з тертям, що в свою чергу знижує швидкість, з якою рідина рухається всередині них. У дуже довгих трубах рідина може навіть перестати рухатися.

Тому дуже важливо оцінювати тертя в аналізі потоку, оскільки для підтримки руху необхідно застосовувати тиск за допомогою насосів. Компенсація втрат обумовлює необхідність збільшення потужності насосів, впливаючи на витрати.

Іншими джерелами втрати тиску є в'язкість рідини, діаметр трубки, її довжина, можливі перетяжки та наявність клапанів, кранів і ліктів.

Походження шорсткості

Внутрішня частина труби ніколи не буває повністю рівною і гладкою на мікроскопічному рівні. Стіни мають нерівності в поверхні, які значною мірою залежать від матеріалу, з якого вони виготовлені.

Малюнок 2. Шорсткість всередині труби. Джерело: саморобний.

Крім того, після експлуатації шорсткість збільшується за рахунок накипу та корозії, викликаних хімічними реакціями між трубопроводом і рідиною. Це збільшення може становити від 5 до 10 разів більше значення заводської шорсткості.

Комерційні труби вказують значення шорсткості в метрах або футах, хоча, очевидно, вони будуть дійсними для нових і чистих труб, тому що, як тільки пройде час, шорсткість змінить заводське значення.

Значення шорсткості для деяких матеріалів для комерційного використання

Нижче наведені загальноприйняті абсолютні значення шорсткості для комерційних труб:

- Мідь, латунь і свинець: 1,5 х 10 ^-6 м (5 х 10 ^-6 футів).

- чавун без покриття: 2,4 х 10 ^-4 м (8 х 10 ^-4 фути).

- Коване залізо: 4,6 х 10 ^-5 м (1,5 х 10 ^-4 фути).

- Заклепована сталь: 1,8 х 10 ^-3 м (6 х 10 ^-3 футів).

- Комерційна сталь або зварена сталь: 4,6 х 10 ^-5 м (1,5 х 10 ^-4 футів).

- Чавун з асфальтовим покриттям: 1,2 х 10 ^-4 м (4 х 10 ^-4 футів).

- Пластик і скло: 0,0 м (0,0 фута).

Відносну шорсткість можна оцінити, знаючи діаметр труби, виготовленої з відповідним матеріалом. Якщо позначити абсолютну шорсткість як e, а діаметр як D, відносна шорсткість виражається як:

Наведене рівняння передбачає циліндричну трубу, але якщо ні, то може бути використана величина, яка називається гідравлічним радіусом, в якій діаметр замінюється в чотири рази на це значення.

Визначення абсолютної шорсткості

Для пошуку шорсткості труб запропоновано різні емпіричні моделі, які враховують геометричні фактори, такі як форма нерівностей стінок та їх розподіл.

Близько 1933 р. Німецький інженер Дж. Нікурадсе, учень Людвіга Прандтла, покрив труби піском із зерен різних розмірів, відомий діаметр яких - саме абсолютна шорсткість е. Труби, що обробляються Nikuradse, для значень e / D коливались від 0,000985 до 0,0333,

У цих добре контрольованих експериментах нерівності були рівномірно розподілені, що на практиці не так. Однак ці значення e все ще є гарним наближенням для оцінки того, як шорсткість впливатиме на втрати від тертя.

Шорсткість, вказана виробником труби, насправді еквівалентна штучній, створеній штучно, як це зробили Нікурадсе та інші експериментатори. З цієї причини його іноді називають рівноцінним піском.

Ламінарний потік і турбулентний потік

Шорсткість труби є дуже важливим фактором, який слід враховувати залежно від швидкості руху рідини. Рідини, в яких в'язкість доречна, можуть рухатися в ламінарному режимі або в турбулентному режимі.

У ламінарному потоці, при якому рідина впорядковано рухається по шарах, нерівності в поверхні труби мають меншу вагу і тому зазвичай не враховуються. У цьому випадку в'язкість рідини створює зсувні напруги між шарами, що спричиняють втрати енергії.

Прикладами ламінарного потоку є потік води, який виходить зі змішувача з низькою швидкістю, дим, що починає витікати з запаленої пахощі, або початок струменевої фарби, що вводиться в потік води, як визначив Осборн Рейнольдс у 1883 році.

Натомість турбулентний потік менш упорядкований і більш хаотичний. Це потік, в якому рух нерегулярний і не дуже передбачуваний. Прикладом може служити дим з пахощової палички, коли він перестає плавно рухатися і починає утворювати ряд нерегулярних опудрів, званих турбулентністю.

Безрозмірний числовий параметр, який називається числом Рейнольдса N _R, вказує, чи має рідина той чи інший режим, згідно з наступними критеріями:

Якщо N _R <2000 потік ламінарний; Якщо N _R > 4000 потік турбулентний. Для проміжних значень режим вважається перехідним і рух нестабільним.

Коефіцієнт тертя

Цей фактор дозволяє знайти втрати енергії внаслідок тертя і залежить лише від числа Рейнольдса для ламінарного потоку, але в турбулентному потоці відносна шорсткість присутня.

Якщо f - коефіцієнт тертя, для його знаходження є емпіричне рівняння, яке називається рівнянням Колбрука. Це залежить від відносної шорсткості та числа Рейнольдса, але його дозвіл не є простим, оскільки f не задано явно:

Саме тому були створені такі криві, як діаграма Муді, які полегшують значення значення коефіцієнта тертя для заданого числа Рейнольдса та відносної шорсткості. Емпірично отримано рівняння, які явно мають f, які досить близькі до рівняння Колбрука.

Старіння труб

Існує емпірична формула для оцінки збільшення абсолютної шорсткості, що виникає внаслідок використання, знаючи значення заводської абсолютної шорсткості e _o :

Де e - шорсткість після минулих t років, а α - коефіцієнт з одиницями m / рік, дюйми / рік або фут / рік, що називається швидкістю щорічного приросту шорсткості.

Спочатку віднімається для чавунних труб, але добре працює з іншими видами труб, виготовлених з не покритого металу. У них важливий pH рідини з точки зору її міцності, оскільки лужні води значно зменшують витрату.

З іншого боку, труби з покриттям або пластик, цемент і гладкий бетон не відчувають помітного збільшення шорсткості з часом.

Список літератури

1. Беляді, Хосс. Хімічний відбір та проектування хімічного розриву. Відновлено з: sciencedirect.com.
2. Cimbala, C. 2006. Механіка рідин, основи та застосування. Мак. Graw Hill. 335– 342.
3. Franzini, J. 1999. Механіка рідин із застосуванням в техніці. Мак. Трава пагорба. 176-177.
4. Мотт, Р. 2006. Механіка рідин. 4-й. Видання. Пірсон освіта. 240-242.
5. Ратнаяка, Д. Гідравліка. Відновлено з: sciencedirect.com.