CO TO JEST WZGLĘDNA I ABSOLUTNA SZORSTKOŚĆ? - FIZYCZNY - 2026

Względna szorstkość i bezwzględna szorstkość to dwa terminy używane do opisania zestawu nieregularności występujących wewnątrz komercyjnych rur transportujących płyny. Bezwzględna szorstkość to średnia lub średnia wartość tych nieregularności, przekładana na średnią zmianę wewnętrznego promienia rury.

Bezwzględna szorstkość jest uważana za właściwość użytego materiału i jest zwykle mierzona w metrach, calach lub stopach. Z kolei względna szorstkość jest ilorazem bezwzględnej chropowatości i średnicy rury, a zatem jest wielkością bezwymiarową.

Rysunek 1. Rury miedziane. Źródło: Pixabay.

Względna szorstkość jest ważna, ponieważ ta sama bezwzględna szorstkość ma bardziej wyraźny wpływ na cienkie rury niż na duże.

Oczywiście chropowatość rur współdziała z tarciem, co z kolei zmniejsza prędkość, z jaką ciecz przemieszcza się w nich. W bardzo długich rurach płyn może nawet przestać się poruszać.

Dlatego bardzo ważna jest ocena tarcia w analizie przepływu, ponieważ w celu utrzymania ruchu konieczne jest zastosowanie ciśnienia za pomocą pomp. Kompensacja strat powoduje konieczność zwiększenia mocy pomp, co wpływa na koszty.

Innymi źródłami strat ciśnienia są lepkość płynu, średnica rurki, jej długość, możliwe zwężenia oraz obecność zaworów, kurków i kolanek.

Pochodzenie szorstkości

Wnętrze rury nigdy nie jest całkowicie gładkie i gładkie na poziomie mikroskopowym. Ściany mają nierówności na powierzchni, które zależą w dużej mierze od materiału, z którego są wykonane.

Rysunek 2. Chropowatość wewnątrz rury. Źródło: wykonane samodzielnie.

Ponadto po eksploatacji chropowatość wzrasta z powodu kamienia i korozji spowodowanej reakcjami chemicznymi między materiałem rury a płynem. Ten wzrost może wynosić od 5 do 10 razy więcej niż wartość fabrycznej szorstkości.

Rury handlowe wskazują wartość chropowatości w metrach lub stopach, chociaż oczywiście będą one obowiązywać dla nowych i czystych rur, ponieważ jak tylko minie czas, szorstkość zmieni wartość fabryczną.

Wartości chropowatości dla niektórych materiałów do użytku komercyjnego

Poniżej znajdują się powszechnie akceptowane bezwzględne wartości chropowatości dla rur handlowych:

- Miedź, mosiądz i ołów: 1,5 x ^10-6 m (5 x ^10-6 stóp).

- Żeliwo niepowlekane: 2,4 x ^10-4 m (8 x ^10-4 ft).

- Kute żelazo: 4,6 x ^10-5 m (1,5 x ^10-4 ft).

- Stal nitowana: 1,8 x ^10-3 m (6 x ^10-3 ft).

- Stal komercyjna lub stal spawana: 4,6 x ^10-5 m (1,5 x ^10-4 ft).

- Żeliwo pokryte asfaltem: 1,2 x ^10-4 m (4 x ^10-4 ft).

- Plastik i szkło: 0,0 m (0,0 stopy).

Względną szorstkość można ocenić znając średnicę rury wykonanej z danego materiału. Jeśli oznaczysz bezwzględną szorstkość jako e, a średnicę jako D, względna szorstkość jest wyrażona jako:

Powyższe równanie zakłada rurę cylindryczną, ale jeśli nie, można zastosować wielkość zwaną promieniem hydraulicznym, w której średnica jest zastąpiona czterokrotnością tej wartości.

Określenie bezwzględnej szorstkości

Aby określić chropowatość rur, zaproponowano różne modele empiryczne, które uwzględniają czynniki geometryczne, takie jak kształt nierówności w ścianach i ich rozmieszczenie.

Około 1933 roku niemiecki inżynier J. Nikuradse, uczeń Ludwiga Prandtla, pokrył rury ziarenkami piasku o różnej wielkości, których znane średnice to właśnie bezwzględna chropowatość e. Rury obsługiwane przez Nikuradse, dla których wartości e / D wahały się od 0,000985 do 0,0333,

W tych dobrze kontrolowanych eksperymentach nierówności były równomiernie rozłożone, co nie ma miejsca w praktyce. Jednak te wartości e są nadal dobrym przybliżeniem do oszacowania wpływu chropowatości na straty spowodowane tarciem.

Chropowatość wskazywana przez producenta rury jest w rzeczywistości równoważna z tą stworzoną sztucznie, tak jak zrobili to Nikuradse i inni eksperymentatorzy. Z tego powodu jest czasami nazywany piaskiem równoważnym.

Przepływ laminarny i burzliwy

Chropowatość rury jest bardzo ważnym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę w zależności od szybkości ruchu płynu. Płyny, dla których lepkość jest istotna, mogą poruszać się w trybie laminarnym lub turbulentnym.

W przepływie laminarnym, w którym płyn porusza się w sposób uporządkowany w warstwach, nierówności na powierzchni rury mają mniejszy ciężar i dlatego zwykle nie są brane pod uwagę. W tym przypadku to lepkość płynu wytwarza naprężenia ścinające między warstwami, powodując straty energii.

Przykładami przepływu laminarnego są strumień wody wychodzący z kranu z małą prędkością, dym zaczynający się wydobywać z zapalonej laski kadzidła lub początek strumienia atramentu wstrzykniętego do strumienia wody, zgodnie z ustaleniami Osborne Reynolds w 1883 roku.

Zamiast tego burzliwy przepływ jest mniej uporządkowany i bardziej chaotyczny. Jest to przepływ, w którym ruch jest nieregularny i niezbyt przewidywalny. Przykładem jest dym z kadzidełka, który przestaje się płynnie poruszać i zaczyna tworzyć serię nieregularnych pasm zwanych turbulencjami.

Bezwymiarowy parametr liczbowy zwany liczbą Reynoldsa N _R wskazuje, czy płyn ma taki czy inny reżim, zgodnie z następującymi kryteriami:

Jeśli liczba N _R <2000 przepływ jest laminarny; Jeżeli n _R > 4000 przepływ jest turbulentny. W przypadku wartości pośrednich reżim uważa się za przejściowy, a ruch jest niestabilny.

Współczynnik tarcia

Współczynnik ten pozwala znaleźć straty energii spowodowane tarciem i zależy tylko od liczby Reynoldsa dla przepływu laminarnego, ale w przepływie turbulentnym występuje względna szorstkość.

Jeśli f jest współczynnikiem tarcia, istnieje równanie empiryczne umożliwiające jego znalezienie, zwane równaniem Colebrooka. Zależy to od względnej szorstkości i liczby Reynoldsa, ale jego rozdzielczość nie jest łatwa, ponieważ f nie jest wyraźnie określona:

Dlatego powstały krzywe takie jak wykres Moody'ego, które ułatwiają wyznaczenie wartości współczynnika tarcia dla danej liczby Reynoldsa i względnej szorstkości. Z empirycznego punktu widzenia otrzymano równania, które mają f, które są dość zbliżone do równania Colebrooka.

Starzejące się rury

Istnieje wzór empiryczny do oceny wzrostu bezwzględnej szorstkości, który występuje w wyniku użytkowania, znając wartość fabrycznej bezwzględnej szorstkości e _o :

Gdzie e to chropowatość po upływie t lat, a α to współczynnik z jednostkami m / rok, cale / rok lub stopa / rok, nazywany rocznym wzrostem wskaźnika szorstkości.

Pierwotnie odliczane dla rur żeliwnych, ale działa dobrze z innymi typami rur wykonanych z niepowlekanego metalu. W nich pH płynu jest ważne ze względu na jego trwałość, ponieważ wody alkaliczne znacznie zmniejszają przepływ.

Z drugiej strony w przypadku rur powlekanych lub plastiku, cementu i gładkiego betonu nie występuje z czasem zauważalny wzrost szorstkości.

Bibliografia

1. Belyadi, Hoss. Wybór i projektowanie substancji chemicznych do szczelinowania hydraulicznego. Odzyskany z: sciencedirect.com.
2. Cimbala, C. 2006. Mechanika płynów, podstawy i zastosowania. Mc. Graw Hill. 335- 342.
3. Franzini, J. 1999. Mechanika płynów z zastosowaniem zajmuje się inżynierią. Mc. Graw Hill.176-177.
4. Mott, R. 2006. Mechanika płynów. 4. Wydanie. Edukacja Pearson. 240-242.
5. Ratnayaka, D. Hydraulics. Odzyskany z: sciencedirect.com.