ЧТО ТАКОЕ ОТНОСИТЕЛЬНАЯ И АБСОЛЮТНАЯ ШЕРОХОВАТОСТЬ? - ФИЗИЧЕСКИЙ - 2026

Относительная шероховатость и абсолютная шероховатость - это два термина, которые используются для описания набора неровностей, существующих внутри промышленных труб, по которым транспортируются жидкости. Абсолютная шероховатость - это среднее или среднее значение этих неровностей, переведенное в среднее изменение внутреннего радиуса трубы.

Абсолютная шероховатость считается свойством используемого материала и обычно измеряется в метрах, дюймах или футах. Со своей стороны, относительная шероховатость - это отношение абсолютной шероховатости к диаметру трубы, поэтому она является безразмерной величиной.

Рисунок 1. Медные трубы. Источник: Pixabay.

Относительная шероховатость важна, поскольку такая же абсолютная шероховатость более заметно влияет на тонкие трубы, чем на большие.

Очевидно, что шероховатость труб взаимодействует с трением, которое, в свою очередь, снижает скорость, с которой жидкость движется внутри них. В очень длинных трубах жидкость может даже перестать двигаться.

Поэтому очень важно оценить трение при анализе потока, поскольку для поддержания движения необходимо прикладывать давление с помощью насосов. Компенсация потерь требует увеличения мощности насосов, что сказывается на расходах.

Другими источниками потери давления являются вязкость жидкости, диаметр трубы, ее длина, возможные сужения и наличие клапанов, кранов и колен.

Происхождение шероховатости

Внутренняя часть трубы никогда не бывает полностью гладкой и гладкой на микроскопическом уровне. Стены имеют неровности поверхности, которые в значительной степени зависят от материала, из которого они сделаны.

Рис. 2. Шероховатость внутри трубы. Источник: самодельный.

Кроме того, после эксплуатации шероховатость увеличивается из-за накипи и коррозии, вызванной химическими реакциями между материалом трубы и жидкостью. Это увеличение может в 5-10 раз превышать заводскую шероховатость.

В коммерческих трубах значение шероховатости указывается в метрах или футах, хотя очевидно, что они будут действительны для новых и чистых труб, потому что со временем шероховатость изменит свое заводское значение.

Значения шероховатости некоторых материалов для коммерческого использования

Ниже приведены общепринятые значения абсолютной шероховатости промышленных труб:

- Медь, латунь и свинец: 1,5 x ^10-6 м (5 x ^10-6 футов).

- Чугун без покрытия: 2,4 x ^10-4 м (8 x ^10-4 футов).

- Кованое железо: 4,6 x 10 ^-5 м (1,5 x 10 ^-4 футов).

- Клепанная сталь: 1,8 x 10 ^-3 м (6 x 10 ^-3 футов).

- Коммерческая сталь или сварная сталь: 4,6 x ^10-5 м (1,5 x ^10-4 футов).

- Чугун с асфальтовым покрытием: 1,2 x ^10-4 м (4 x ^10-4 футов).

- Пластик и стекло: 0,0 м (0,0 фута).

Относительную шероховатость можно оценить, зная диаметр трубы, изготовленной из рассматриваемого материала. Если вы обозначите абсолютную шероховатость как e, а диаметр как D, относительная шероховатость будет выражена как:

Вышеприведенное уравнение предполагает цилиндрическую трубу, но в противном случае можно использовать величину, называемую гидравлическим радиусом, в которой диаметр заменяется на четырехкратное значение.

Определение абсолютной шероховатости

Для определения шероховатости труб были предложены различные эмпирические модели, учитывающие геометрические факторы, такие как форма неровностей стен и их распределение.

Примерно в 1933 году немецкий инженер Й. Никурадзе, ученик Людвига Прандтля, покрыл трубы песчинками разного размера, известные диаметры которых и есть абсолютная шероховатость e. Nikuradse обрабатывал трубы, для которых значения e / D варьировались от 0,000985 до 0,0333,

В этих хорошо контролируемых экспериментах шероховатости были равномерно распределены, что на практике не происходит. Однако эти значения e по-прежнему являются хорошим приближением для оценки влияния шероховатости на потери на трение.

Шероховатость, указанная производителем трубы, фактически эквивалентна шероховатости, созданной искусственно, как это сделали Никурадсе и другие экспериментаторы. По этой причине его иногда называют эквивалентным песком.

Ламинарный поток и турбулентный поток

Шероховатость трубы - очень важный фактор, который следует учитывать в зависимости от скорости движения жидкости. Жидкости, для которых важна вязкость, могут двигаться в ламинарном режиме или в турбулентном режиме.

В ламинарном потоке, при котором жидкость движется упорядоченно слоями, неровности на поверхности трубы имеют меньший вес и поэтому обычно не принимаются во внимание. В этом случае именно вязкость жидкости создает напряжения сдвига между слоями, вызывая потери энергии.

Примерами ламинарного потока являются струя воды, выходящая из крана с низкой скоростью, дым, начинающий хлынуть из зажженной ароматической палочки, или начало струи чернил, впрыскиваемой в струю воды, как определено Осборном Рейнольдсом. в 1883 г.

Вместо этого турбулентный поток менее упорядочен и более хаотичен. Это поток, в котором движение нерегулярно и не очень предсказуемо. Примером может служить дым от ароматической палочки, когда он перестает плавно двигаться и начинает образовывать серию нерегулярных струй, называемых турбулентностью.

Безразмерный числовой параметр, называемый числом Рейнольдса N _R, указывает, имеет ли жидкость тот или иной режим, в соответствии со следующими критериями:

Если N _R <2000 поток ламинарный; Если N _R > 4000 поток турбулентный. Для промежуточных значений режим считается переходным, а движение неустойчивым.

Коэффициент трения

Этот коэффициент позволяет найти потерю энергии из-за трения и зависит только от числа Рейнольдса для ламинарного потока, но в турбулентном потоке присутствует относительная шероховатость.

Если f - коэффициент трения, для его определения существует эмпирическое уравнение, называемое уравнением Коулбрука. Это зависит от относительной шероховатости и числа Рейнольдса, но разрешить его непросто, поскольку f не указывается явно:

Вот почему были созданы такие кривые, как диаграмма Муди, которые позволяют легко найти значение коэффициента трения для заданного числа Рейнольдса и относительной шероховатости. Эмпирическим путем были получены уравнения, которые явно имели f, которые довольно близки к уравнению Коулбрука.

Старение труб

Существует эмпирическая формула для оценки увеличения абсолютной шероховатости, которое происходит в результате использования, зная значение заводской абсолютной шероховатости e _o :

Где e - это шероховатость по прошествии t лет, а α - коэффициент с единицей измерения м / год, дюйм / год или фут / год, называемый ежегодным увеличением показателя шероховатости.

Первоначально вычитается для чугунных труб, но хорошо работает с другими типами труб из металла без покрытия. В них pH жидкости важен с точки зрения ее долговечности, поскольку щелочные воды значительно уменьшают поток.

С другой стороны, трубы с покрытием или пластик, цемент и гладкий бетон не испытывают заметного увеличения шероховатости со временем.

Ссылки

1. Беляди, Хос. Выбор и проектирование химикатов ГРП. Получено с: sciencedirect.com.
2. Цимбала, C. 2006. Механика жидкости, основы и приложения. Мак. Graw Hill. 335- 342.
3. Францини, Дж. 1999. Механика жидкости с применением в машиностроении. Мак. Гроу Хилл. 176–177.
4. Мотт, Р. 2006. Механика жидкости. 4-й. Издание. Pearson Education. 240-242.
5. Ратнаяка, Д. Гидравлика. Получено с: sciencedirect.com.