KAJ JE RELATIVNA IN ABSOLUTNA HRAPAVOST? - FIZIČNO - 2026

Relativna hrapavost in absolutna hrapavost sta dva izraza, ki se uporabljata za opis nizov nepravilnosti, ki obstajajo znotraj komercialnih cevi, ki prevažajo tekočino. Absolutna hrapavost je srednja ali povprečna vrednost teh nepravilnosti, preračunana v srednjo spremembo notranjega polmera cevi.

Absolutna hrapavost velja za lastnost uporabljenega materiala in se običajno meri v metrih, palcih ali stopalih. Sorazmerna hrapavost je količnik med absolutno hrapavostjo in premerom cevi, zato je brezdimenzijska količina.

Slika 1. Bakrene cevi. Vir: Pixabay.

Relativna hrapavost je pomembna, saj ima enaka absolutna hrapavost bolj izrazit učinek na tankih ceveh kot na velikih.

Očitno hrapavost cevi sodeluje s trenjem, kar posledično zmanjša hitrost, s katero se tekočina giblje znotraj njih. V zelo dolgih ceveh se lahko tekočina celo neha premikati.

Zato je zelo pomembno oceniti trenje v analizi pretoka, saj je za vzdrževanje gibanja potrebno pritiskati s pomočjo črpalk. Za kompenzacijo izgub je treba povečati moč črpalk, kar vpliva na stroške.

Drugi viri izgube tlaka so viskoznost tekočine, premer cevi, njegova dolžina, možne zožitve in prisotnost ventilov, pipov in komolcev.

Izvor hrapavosti

Notranjost cevi ni nikoli popolnoma gladka in gladka na mikroskopski ravni. Stene imajo na površini nepravilnosti, ki so v veliki meri odvisne od materiala, s katerim so izdelane.

Slika 2. Grobost znotraj cevi. Vir: self made.

Poleg tega se hrapavost povečuje zaradi obsega in korozije, ki jo povzročajo kemične reakcije med materialom cevi in ​​tekočino. To povečanje se lahko giblje med 5 in 10-kratno vrednostjo tovarniške hrapavosti.

Komercialne cevi označujejo vrednost hrapavosti v metrih ali metrih, čeprav bodo očitno veljale za nove in čiste cevi, ker takoj, ko mine čas, bo hrapavost spremenila svojo tovarniško vrednost.

Vrednosti hrapavosti nekaterih materialov za komercialno uporabo

Spodaj so splošno sprejete absolutne vrednosti hrapavosti za komercialne cevi:

- Baker, medenina in svinec: 1,5 x 10 ^-6 m (5 x 10 ^-6 ft).

- Neobloženo lito železo: 2,4 x 10 ^-4 m (8 x 10 ^-4 ft).

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

- kovičeno jeklo: 1,8 x 10 ^-3 m (6 x 10 ^-3 ft).

- komercialno jeklo ali varjeno jeklo: 4,6 x 10 ^-5 m (1,5 x 10 ^-4 ft).

- Lito železo z oblogo iz asfalta: 1,2 x 10 ^-4 m (4 x 10 ^-4 ft).

- Plastika in steklo: 0,0 m (0,0 ft).

Relativno hrapavost je mogoče oceniti s poznavanjem premera cevi, izdelanega z zadevnim materialom. Če označite absolutno hrapavost kot e in premer kot D, je relativna hrapavost izražena kot:

Zgornja enačba predvideva valjasto cev, če pa ni, se lahko uporabi velikost, imenovana hidravlični polmer, v kateri se premer nadomesti s štirikratno to vrednostjo.

Določitev absolutne hrapavosti

Za iskanje hrapavosti cevi so bili predlagani različni empirični modeli, ki upoštevajo geometrijske dejavnike, kot so oblika nepravilnosti sten in njihova razporeditev.

Okoli leta 1933 je nemški inženir J. Nikuradse, študent Ludwiga Prandtla, prevlekel cevi z zrni peska različnih velikosti, katerih znani premeri so natančno absolutna hrapavost e. Nikuradse cevi, za katere so vrednosti e / D znašale od 0,000985 do 0,0333,

V teh dobro nadzorovanih poskusih so bile hrapavosti enakomerno porazdeljene, kar v praksi ne drži. Vendar so te vrednosti e še vedno dober približek za oceno, kako bo hrapavost vplivala na izgube zaradi trenja.

Hrapavost, ki jo je navedel proizvajalec cevi, je dejansko enaka tisti, ki je bila ustvarjena na umetni način, tako kot so to storili Nikuradse in drugi eksperimentatorji. Zaradi tega je včasih znan kot enakovreden pesek.

Laminarni tok in turbulenten pretok

Hrapavost cevi je zelo pomemben dejavnik, ki ga je treba upoštevati glede na hitrost gibanja tekočine. Tekočine, v katerih je viskoznost pomembna, se lahko premikajo v laminarnem ali turbulentnem režimu.

Pri laminarnem toku, pri katerem se tekočina pravilno plaste v plasteh, imajo nepravilnosti na površini cevi manjšo težo, zato jih običajno ne upoštevamo. V tem primeru viskoznost tekočine ustvarja strižne napetosti med plastmi, ki povzročajo izgube energije.

Primeri laminarnega pretoka so tok vode, ki izhaja iz pipe z majhno hitrostjo, dim, ki začne priti iz prižgane kadilne palice, ali začetek črnilnega curka, vbrizganega v tok vode, kot je določil Osborne Reynolds leta 1883.

Namesto tega je turbulentni tok manj urejen in bolj kaotičen. To je tok, v katerem je gibanje nepravilno in ne zelo predvidljivo. Primer je dim iz kadilne palice, ko se preneha nemoteno premikati in začne tvoriti vrsto nepravilnih robčkov, imenovanih turbulenca.

Brezdimenzijski numerični parameter, imenovan Reynoldsova številka N _R, kaže, ali ima tekočina en ali drug režim, v skladu z naslednjimi merili:

Če je N _R <2000, je pretok laminaren; Če je N _R > 4000, je pretok moten. Za vmesne vrednosti se režim šteje za prehodni in gibanje je nestabilno.

Faktor trenja

Ta faktor omogoča iskanje izgube energije zaradi trenja in je odvisen le od Reynoldsove številke za laminarni tok, pri turbulentnem toku pa je prisotna relativna hrapavost.

Če je f faktor trenja, obstaja empirična enačba, ki jo imenujemo Colebrookova enačba. Odvisno je od relativne hrapavosti in Reynoldsove številke, vendar njena ločljivost ni enostavna, saj f ni izrecno podan:

Zato so bile ustvarjene krivulje, kot je Moodyjev diagram, ki omogočajo enostavno iskanje vrednosti faktorja trenja za dano Reynoldsovo število in relativno hrapavost. Empirično so bile pridobljene enačbe, ki imajo izrecno f, ki so precej blizu Colebrookove enačbe.

Cevi za staranje

Obstaja empirična formula za oceno povečanja absolutne hrapavosti, ki se pojavi zaradi uporabe, ob poznavanju vrednosti tovarniške absolutne hrapavosti e _o :

Kjer je e hrapavost po pretečenih t letih in je α koeficient z enotami m / leto, palcev / leto ali stopalo / leto, ki se imenuje stopnja letnega povečanja hrapavosti.

Prvotno se odšteje za cevi iz litega železa, vendar dobro deluje z drugimi vrstami cevi, izdelanih iz kovine. Pri njih je pH tekočine pomemben z vidika njegove trajnosti, saj alkalne vode močno zmanjšajo pretok.

Po drugi strani pa prevlečene cevi ali plastika, cement in gladek beton ne občutijo večjega hrapavosti s časom.

Reference

1. Belyadi, Hoss. Hidravlični lom kemične izbire in oblikovanje. Pridobljeno: sciencedirect.com.
2. Cimbala, C. 2006. Mehanika tekočin, osnove in aplikacije. Mc. Graw Hill. 335–342.
3. Franzini, J. 1999. Mehanika tekočin z uporabo je v inženirstvu. Mc. Graw Hill. 176-177.
4. Mott, R. 2006. Mehanika tekočin. 4. Izdaja. Pearsonova vzgoja. 240-242.
5. Ratnayaka, D. Hidravlika. Pridobljeno: sciencedirect.com.