ČO JE TO RELATÍVNA A ABSOLÚTNA DRSNOSŤ? - FYZICKÝ - 2025

Relatívna drsnosť a absolútna drsnosť sú dva pojmy, ktoré sa používajú na opis súboru nepravidelností existujúcich v komerčných potrubiach, ktoré prepravujú tekutiny. Absolútna drsnosť je stredná alebo priemerná hodnota týchto nepravidelností, ktorá sa premieta do strednej zmeny vnútorného polomeru potrubia.

Absolútna drsnosť sa považuje za vlastnosť použitého materiálu a zvyčajne sa meria v metroch, palcoch alebo stopách. Relatívna drsnosť je teda kvocientom medzi absolútnou drsnosťou a priemerom rúry, a preto je bezrozmerným množstvom.

Obrázok 1. Medené rúry. Zdroj: Pixabay.

Relatívna drsnosť je dôležitá, pretože rovnaká absolútna drsnosť má výraznejší účinok na tenké rúry ako na veľké rúry.

Drsnosť rúrok samozrejme spolupracuje s trením, ktoré zase znižuje rýchlosť, s ktorou sa tekutina pohybuje v nich. Vo veľmi dlhých potrubiach sa tekutina môže dokonca zastaviť.

Preto je veľmi dôležité vyhodnotiť trenie v prietokovej analýze, pretože na udržanie pohybu je potrebné vyvíjať tlak pomocou čerpadiel. Kompenzácia strát vyžaduje zvýšenie výkonu čerpadiel, čo má vplyv na náklady.

Ďalšími zdrojmi straty tlaku sú viskozita tekutiny, priemer skúmavky, jej dĺžka, možné zúženia a prítomnosť ventilov, kohútikov a lakťov.

Pôvod drsnosti

Vnútro rúry nie je nikdy úplne hladké a hladké na mikroskopickej úrovni. Steny majú na povrchu nepravidelnosti, ktoré do veľkej miery závisia od materiálu, z ktorého sú vyrobené.

Obrázok 2. Drsnosť vo vnútri rúry. Zdroj: vlastný.

Ďalej, po uvedení do prevádzky, sa drsnosť zvyšuje v dôsledku vodného kameňa a korózie spôsobenej chemickými reakciami medzi materiálom rúrky a tekutinou. Toto zvýšenie sa môže pohybovať od 5 do 10-násobku hodnoty drsnosti výroby.

Komerčné rúry označujú hodnotu drsnosti v metroch alebo stopách, hoci budú samozrejme platiť pre nové a čisté rúry, pretože hneď ako čas vyprší, drsnosť zmení svoju továrenskú hodnotu.

Hodnoty drsnosti pre niektoré materiály na komerčné použitie

Nižšie sú uvedené všeobecne akceptované hodnoty absolútnej drsnosti pre komerčné rúry:

- Meď, mosadz a olovo: 1,5 x 10 - ⁶ m (5 x 10 - ⁶ ft).

- nepotiahnutá liatina: 2,4 x ^10-4 m (8 x 10 ^-4 ft).

- kované železo: 4,6 x ^10-5 m (1,5 x ^10-4 ft).

- Nitovaná oceľ: 1,8 x 10 ^-3 m (6 x 10 ^-3 ft).

- Obchodná alebo zváraná oceľ: 4,6 x ^10-5 m (1,5 x 10 ^-4 ft).

- liatina s asfaltom: 1,2 x ^10-4 m (4 x ^10-4 ft).

- Plasty a sklo: 0,0 m.

Relatívna drsnosť sa dá vyhodnotiť s vedomím priemeru rúrky vyrobenej z príslušného materiálu. Ak označíte absolútnu drsnosť ako e a priemer ako D, relatívna drsnosť sa vyjadrí ako:

Uvedená rovnica predpokladá valcovú rúru, ale ak nie, je možné použiť veľkosť nazývanú hydraulický polomer, v ktorej je priemer nahradený štvornásobkom tejto hodnoty.

Stanovenie absolútnej drsnosti

Na zistenie drsnosti rúr boli navrhnuté rôzne empirické modely, ktoré zohľadňujú geometrické faktory, ako je tvar nepravidelností v stenách a ich rozloženie.

Okolo roku 1933 nemecký inžinier J. Nikuradse, študent Ludwiga Prandtla, potiahol rúrky zrnkami piesku rôznych veľkostí, ktorých známe priemery sú presne absolútnou drsnosťou e. Nikuradse manipuloval s rúrkami, ktorých hodnoty e / D sa pohybovali od 0,000985 do 0,0333,

V týchto dobre kontrolovaných experimentoch boli nerovnosti rovnomerne rozložené, čo v praxi neplatí. Tieto hodnoty e sú však stále dobrou aproximáciou na odhad, ako drsnosť ovplyvní straty spôsobené trením.

Drsnosť naznačená výrobcom potrubia je v skutočnosti rovnaká ako drsnosť vytvorená umelo, rovnako ako Nikuradse a ďalší experimentátori. Z tohto dôvodu sa niekedy nazýva ekvivalentný piesok.

Laminárne prúdenie a turbulentné prúdenie

Drsnosť rúrky je veľmi dôležitým faktorom, ktorý treba brať do úvahy v závislosti od rýchlosti pohybu tekutiny. Kvapaliny, v ktorých je viskozita dôležitá, sa môžu pohybovať v laminárnom režime alebo v turbulentnom režime.

V laminárnom prúde, v ktorom sa tekutina pohybuje vo vrstvách usporiadane, majú nepravidelnosti na povrchu rúrky menšiu hmotnosť, a preto sa zvyčajne nezohľadňujú. V tomto prípade je to práve viskozita tekutiny, ktorá vytvára šmykové napätie medzi vrstvami a spôsobuje straty energie.

Príkladom laminárneho toku je prúd vody vychádzajúci z kohútika pri nízkej rýchlosti, dym začínajúci vytryskávať z osvetlenej kadidlovej tyčinky alebo začiatok atramentového lúča vstrekovaného do prúdu vody, ako určil Osborne Reynolds v roku 1883.

Namiesto toho je turbulentný tok menej usporiadaný a chaotickejší. Je to tok, v ktorom je pohyb nepravidelný a málo predvídateľný. Príkladom je dym z kadidlovej tyčinky, keď sa prestane hladko pohybovať a začne tvoriť sériu nepravidelných švov nazývaných turbulencia.

Bezrozmerný numerický parameter nazýva Reynoldsovo číslo N _R označuje, či je kvapalina má jednu alebo iný režim, podľa nasledujúcich kritérií:

Ak N _R <2000 je prúdenie laminárne; Ak je n _R > 4000 je prietok turbulentné. Pre stredné hodnoty sa režim považuje za prechodný a pohyb je nestabilný.

Faktor trenia

Tento faktor umožňuje nájsť stratu trecej energie a závisí len od Reynoldsovho čísla pre laminárne prúdenie, ale pri turbulentnom prúdení je prítomná relatívna drsnosť.

Ak f je koeficient trenia, existuje empirická rovnica na jej nájdenie, nazývaná Colebrookova rovnica. Závisí to od relatívnej drsnosti a Reynoldsovho čísla, ale jeho rozlíšenie nie je ľahké, pretože f nie je výslovne uvedené:

Preto boli vytvorené krivky, ako je Moodyov diagram, ktoré uľahčujú nájdenie hodnoty koeficientu trenia pre dané Reynoldsovo číslo a relatívnu drsnosť. Empiricky sa získali rovnice, ktoré majú f, ktoré sú celkom blízko k Colebrookovej rovnici.

Rúry na starnutie

Existuje empirický vzorec na vyhodnotenie zvýšenia absolútnej drsnosti, ku ktorému dochádza v dôsledku používania, pričom je známa hodnota absolútnej drsnosti továrne e _o :

Ak e je drsnosť po uplynutí t rokov a α je koeficient s jednotkami m / rok, palce / rok alebo stopa / rok, ktoré sa nazývajú ročné zvýšenie indexu drsnosti.

Pôvodne sa odpočítava pre liatinové rúry, ale dobre funguje s inými druhmi rúr vyrobených z nepotiahnutého kovu. V nich je pH tekutiny dôležité z hľadiska jej trvanlivosti, pretože alkalické vody značne znižujú prietok.

Na druhej strane, potiahnuté rúry alebo plasty, cement a hladký betón nezaznamenávajú výrazné zvýšenie drsnosti v priebehu času.

Referencie

1. Belyadi, Hoss. Výber a prevedenie hydraulického štiepenia. Obnovené z: sciposedirect.com.
2. Cimbala, C. 2006. Mechanika tekutín, základy a aplikácie. Mc. Graw Hill. 335-342.
3. Franzini, J. 1999. Mechanika tekutín s aplikáciou je v inžinierstve. Mc. Graw Hill, 176-177.
4. Mott, R. 2006. Fluid Mechanics. 4 .. Vydanie. Pearson Education. 240-242.
5. Ratnayaka, D. Hydraulics. Obnovené z: sciposedirect.com.