HVA ER RELATIV OG ABSOLUTT GROVHET? - FYSISK - 2025

Relativ ruhet og absolutt ruhet er to begreper som brukes for å beskrive settet med uregelmessigheter som finnes i kommersielle rør som transporterer væsker. Den absolutte ujevnheten er middelverdien eller gjennomsnittsverdien av disse uregelmessighetene, oversatt til den gjennomsnittlige variasjonen av rørets indre radius.

Absolutt ruhet anses som en egenskap for materialet som brukes og måles vanligvis i meter, tommer eller føtter. For den del er den relative ruheten kvotienten mellom den absolutte ruhet og diameteren på røret, og er derfor en dimensjonsløs mengde.

Figur 1. Kobberrør. Kilde: Pixabay.

Relativ ruhet er viktig siden den samme absolutte ruheten har en mer markert effekt på tynne rør enn på store.

Rørheten i rørene samarbeider åpenbart med friksjon, noe som igjen reduserer hastigheten som væsken beveger seg inni dem. I veldig lange rør kan væsken til og med slutte å bevege seg.

Derfor er det veldig viktig å evaluere friksjonen i strømningsanalysen, for å opprettholde bevegelsen er det nødvendig å påføre trykk ved hjelp av pumper. Å kompensere for tap gjør det nødvendig å øke pumpenes effekt, og påvirke kostnadene.

Andre kilder til trykktap er viskositeten til væsken, rørets diameter, dens lengde, mulige innsnevringer og tilstedeværelsen av ventiler, kraner og albuer.

Opprinnelsen til ruhet

Innsiden av røret er aldri helt glatt og glatt på mikroskopisk nivå. Veggene har ujevnheter i overflaten som i stor grad avhenger av materialet de er laget av.

Figur 2. Grovhet inne i et rør. Kilde: self made.

Etter å ha vært i drift øker dessuten ujevnheten på grunn av skala og korrosjon forårsaket av kjemiske reaksjoner mellom rørmaterialet og væsken. Denne økningen kan variere mellom 5 og 10 ganger verdien av fabrikkens grovhet.

Kommersielle rør indikerer ujevnhetsverdien i meter eller fot, selv om de åpenbart vil være gyldige for nye og rene rør, fordi så snart tiden går vil råheten endre fabrikkverdien.

Grovhetsverdier for noen materialer for kommersiell bruk

Nedenfor er de vanlig aksepterte absolutte ruhetsverdiene for kommersielle rør:

- kobber, messing, bly: 1,5 x 10 ^-6 m (5 x 10 ^-6 ft).

- Ubelagt Cast Iron: 2,4 x 10 ^-4 m (8 x 10 ^-4 ft).

- Smijern: 4,6 x 10 ^-5 m (1,5 x 10 ^-4 fot).

- klinket stål: 1,8 x 10 ^-3 m (6 x 10 ^-3 ft).

- Kommersielt stål eller sveiset stål: 4,6 x 10 ^-5 m (1,5 x 10 ^-4 fot).

- Asfalt Foret Cast Iron: 1,2 x 10 ^-4 m (4 x 10 ^-4 ft).

- Plast og glass: 0,0 m.

Den relative ruheten kan evalueres ved å kjenne diameteren på røret laget med det aktuelle materialet. Hvis du angir den absolutte ruheten som e og diameteren som D, uttrykkes den relative råheten som:

Ovennevnte ligning forutsetter et sylindrisk rør, men hvis ikke kan størrelsen som kalles den hydrauliske radius brukes, der diameteren erstattes av fire ganger denne verdien.

Bestemmelse av absolutt ruhet

For å finne rørhetenes ujevnhet er det foreslått forskjellige empiriske modeller som tar hensyn til geometriske faktorer som formen på ujevnhetene i veggene og fordelingen av dem.

Rundt 1933 belagte den tyske ingeniøren J. Nikuradse, student av Ludwig Prandtl, rør med sandkorn i forskjellige størrelser, hvis kjente diametre nettopp er den absolutte ujevnheten. Nikuradse håndterte rør for hvilke e / D-verdier varierte fra 0,000985 til 0,0333,

I disse godt kontrollerte eksperimentene ble ujevnhetene jevn fordelt, noe som ikke er tilfelle i praksis. Imidlertid er disse verdiene av e fortsatt en god tilnærming for å estimere hvordan ujevnhet vil påvirke friksjonstap.

Grovheten som er indikert av produsenten av et rør, tilsvarer faktisk det som ble laget kunstig, akkurat som Nikuradse og andre eksperimenter gjorde. Av denne grunn er det noen ganger kjent som ekvivalent sand.

Laminar strømning og turbulent flyt

Grovheten i røret er en veldig viktig faktor å vurdere avhengig av væskens bevegelseshastighet. Væskene som viskositeten er relevant i, kan bevege seg i et laminært regime eller i et turbulent regime.

Ved laminær strømning, hvor fluidet beveger seg ordnet i lag, har uregelmessighetene i overflaten av røret mindre vekt og blir derfor vanligvis ikke tatt med i betraktningen. I dette tilfellet er det viskositeten til væsken som skaper skjærspenninger mellom lagene som forårsaker energitap.

Eksempler på laminær strømning er en vannstrøm som kommer ut av kranen med lav hastighet, røyk begynner å gush fra en tent røkelsepinne, eller begynnelsen på en blekkstråle som ble injisert i en vannstrøm, bestemt av Osborne Reynolds i 1883.

I stedet er den turbulente strømmen mindre ordnet og mer kaotisk. Det er en flyt der bevegelsen er uregelmessig og ikke veldig forutsigbar. Et eksempel er røyken fra røkelsepinnen når den slutter å bevege seg jevnt og begynner å danne en serie med uregelmessige wisps som kalles turbulens.

Den dimensjonsløse numeriske parameteren kalt Reynolds nummer N _R indikerer om væsken har et eller annet regime, i henhold til følgende kriterier:

Hvis N _R <2000 er strømmen laminær; Hvis N _R > 4000, er strømmen turbulent. For mellomverdier anses regimet som overgangsperiode og bevegelsen er ustabil.

Friksjonsfaktoren

Denne faktoren tillater å finne energitapet på grunn av friksjon og avhenger bare av Reynolds-tallet for laminær strømning, men i turbulent strømning er den relative ruheten til stede.

Hvis f er friksjonsfaktoren, er det en empirisk ligning for å finne den, kalt Colebrook-ligningen. Det avhenger av den relative grovheten og Reynolds-tallet, men oppløsningen er ikke lett, siden f ikke er gitt eksplisitt:

Det er grunnen til at det er laget kurver som Moody-diagrammet, som gjør det enkelt å finne verdien av friksjonsfaktoren for et gitt Reynolds-tall og relativ ruhet. Empirisk er det oppnådd ligninger som har eksplisitt, som ligger ganske nær Colebrook-ligningen.

Aldring av rør

Det er en empirisk formel for å evaluere økning i absolutt ujevnheter som oppstår på grunn av bruk, å vite verdien av fabrikken absolutte ruhet e _o :

Hvor e er ujevnheten etter t år som er gått og α er en koeffisient med enheter på m / år, inches / år eller fot / år, kalt frekvensen av årlig økning i grovhet.

Opprinnelig trukket for støpejernsrør, men fungerer godt med andre typer rør laget av ubelagt metall. I disse er væskens pH viktig med tanke på dens holdbarhet, siden alkaliske vann reduserer strømmen kraftig.

På den annen side opplever ikke belagte rør eller plast, sement og glatt betong nevneverdige økninger i ujevnhet med tiden.

referanser

1. Belyadi, Hoss. Hydraulisk frakturering kjemisk utvalg og design. Gjenopprettet fra: sciencedirect.com.
2. Cimbala, C. 2006. Fluid Mechanics, Fundamentals and Applications. Mc. Graw Hill. 335- 342.
3. Franzini, J. 1999. Fluid Mechanics with Application er i ingeniørfag. Mc. Graw Hill. 176-177.
4. Mott, R. 2006. Fluid Mechanics. Fjerde. Edition. Pearson Education. 240-242.
5. Ratnayaka, D. Hydraulikk. Gjenopprettet fra: sciencedirect.com.