MIKÄ ON SUHTEELLINEN JA ABSOLUUTTINEN EPÄTASAISUUS? - FYYSINEN - 2025

Suhteellinen karheus ja ehdoton karheus ovat kahta termiä, joita käytetään kuvaamaan nesteitä kuljettavien kaupallisten putkien sisällä esiintyviä epäsäännöllisyyksiä. Absoluuttinen epätasaisuus on näiden epäsäännöllisyyksien keskimääräinen tai keskimääräinen arvo, joka muunnetaan putken sisäisen säteen keskimääräiseksi variaatioksi.

Absoluuttista karheutta pidetään käytetyn materiaalin ominaisuutena, ja se mitataan yleensä metreinä, tuumina tai jaloina. Suhteellinen karheus puolestaan ​​on jako putken absoluuttisen karheuden ja halkaisijan välillä, joten se on mitaton määrä.

Kuva 1. Kupariputket. Lähde: Pixabay.

Suhteellinen karheus on tärkeä, koska samalla absoluuttisella karkeudella on huomattavampi vaikutus ohuisiin putkiin kuin suuriin.

Putkien epätasaisuus vaikuttaa selvästi kitkaan, mikä puolestaan ​​vähentää nopeutta, jolla neste liikkuu niiden sisällä. Hyvin pitkissä putkissa neste saattaa jopa lakata liikkumasta.

Siksi on erittäin tärkeää arvioida kitka virtausanalyysissä, koska liikkeen ylläpitämiseksi on välttämätöntä kohdistaa painetta pumppujen avulla. Tappioiden korvaaminen aiheuttaa tarpeen lisätä pumppujen tehoa, mikä vaikuttaa kustannuksiin.

Muita painehäviön lähteitä ovat nesteen viskositeetti, putken halkaisija, sen pituus, mahdolliset supistukset ja venttiilien, hanojen ja kyynärpään läsnäolo.

Karheuden alkuperä

Putken sisäpuoli ei ole koskaan täysin sileä ja sileä mikroskooppisella tasolla. Seinien pinnassa on epäsäännöllisyyksiä, jotka riippuvat suuresti materiaalista, jolla ne on tehty.

Kuva 2. Karheus putken sisällä. Lähde: itse tehty.

Lisäksi epätasaisuus kasvaa käytön jälkeen putkimateriaalin ja nesteen välisten kemiallisten reaktioiden aiheuttaman mittakaavan ja korroosion takia. Tämä lisäys voi vaihdella välillä 5-10 kertaa tehtaan karheuden arvo.

Kaupalliset putket osoittavat karheuden arvon metreinä tai jaloina, vaikka ilmeisesti ne ovat voimassa uusille ja puhtaille putkille, koska heti ajan kuluessa karheus muuttaa tehdasarvoaan.

Karkeuden arvot joillekin kaupallisiin tarkoituksiin käytettäville materiaaleille

Alla on yleisesti hyväksytyt absoluuttiset karheusarvot kaupallisille putkille:

- Kupari, messinki ja lyijy: 1,5 x ^10–6 m (5 x ^10–6 jalkaa).

- Päällystämätön valurauta: 2,4 x 10 - ⁴ m (8 x 10 - ⁴ ft).

- Takorauta: 4,6 x 10 - ⁵ m (1,5 x 10 - ⁴ ft).

- Neulattu teräs: 1,8 x 10 ^-3 m (6 x 10 ^-3 jalkaa).

- Kaupallinen teräs tai hitsattu teräs: 4,6 x 10 - ⁵ m (1,5 x 10 ^-4 ft).

- Asfalttipäällysteinen valurauta: 1,2 x 10 - ⁴ m (4 x 10 - ⁴ ft).

- Muovi ja lasi: 0,0 m (0,0 ft).

Suhteellista karheutta voidaan arvioida tuntemalla kyseisestä materiaalista valmistetun putken halkaisija. Jos merkitset absoluuttisen karheuden e: nä ja halkaisijan D: nä, suhteellinen karheus ilmaistaan:

Yllä oleva yhtälö olettaa sylinterimäisen putken, mutta jos ei, voidaan käyttää hydraulisen säteen nimeltä suuruutta, jossa halkaisija korvataan neljä kertaa tällä arvolla.

Absoluuttisen karheuden määrittäminen

Putkien epätasaisuuden löytämiseksi on ehdotettu erilaisia ​​empiirisiä malleja, joissa otetaan huomioon geometriset tekijät, kuten seinämien epätasaisuuksien muoto ja jakauma.

Noin 1933 saksalainen insinööri J. Nikuradse, joka on Ludwig Prandtlin opiskelija, päällysteli putket erikokoisilla hiekkajyväillä, joiden tunnetut halkaisijat ovat juuri absoluuttisen karheuden e. Nikuradsen käsittelemät putket, joiden e / D-arvot vaihtelivat välillä 0,000985 - 0,0333,

Näissä hyvin kontrolloiduissa kokeissa epätasaisuus jakautui tasaisesti, mikä ei ole käytännössä niin. Nämä e-arvot ovat kuitenkin edelleen hyvä arvio likimääräisyyden arvioimiseksi kuinka karheus vaikuttaa kitkahäviöihin.

Putken valmistajan ilmoittama karheus on tosiasiallisesti sama kuin keinotekoisesti luotu, kuten Nikuradse ja muut kokeilijat tekivät. Tästä syystä sitä kutsutaan joskus vastaavaksi hiekkaksi.

Laminaarivirta ja turbulentti virtaus

Putken karheus on erittäin tärkeä tekijä, joka on otettava huomioon nesteen liikkumisen nopeudesta riippuen. Nesteet, joissa viskositeetti on merkityksellistä, voivat liikkua laminaaritilassa tai pyöreässä tilassa.

Laminaarivirtauksessa, jossa neste liikkuu säännöllisesti kerroksittain, putken pinnan epätasaisuuksilla on vähemmän painoa, joten niitä ei yleensä oteta huomioon. Tässä tapauksessa nesteen viskositeetti luo leikkausjännityksiä kerrosten väliin aiheuttaen energiahäviöitä.

Esimerkkejä laminaarivirtauksesta ovat vesivirrat, jotka tulevat hanasta alhaisella nopeudella, savu alkaa nousta palamasta suitsukkeesta tai vesivirraan injektoidun mustesuihkun alku, Osborne Reynoldsin määrittelemänä. vuonna 1883.

Sen sijaan pyörteinen virtaus on vähemmän järjestetty ja kaoottisempi. Se on virtaus, jossa liike on epäsäännöllinen eikä ole kovin ennustettavissa. Esimerkki on suitsukkeista muodostuva savu, kun se lakkaa liikkumasta tasaisesti ja alkaa muodostaa sarja epäsäännöllisiä raitoja, joita kutsutaan turbulenssiksi.

Reynolds-luku N _R, nimeltään mitaton numeerinen parametri, osoittaa, onko nesteellä yksi tai toinen järjestelmä seuraavien kriteerien mukaisesti:

Jos N _R <2000, virtaus on laminaarinen; Jos N _R > 4000, virtaus on turbulentti. Väliarvojen osalta järjestelmää pidetään siirtymäkautena ja liike on epävakaa.

Kitkakerroin

Tämä tekijä mahdollistaa kitkaa aiheuttavien energiahäviöiden löytämisen ja riippuu vain laminaarivirtauksen Reynolds-luvusta, mutta pyöreässä virtauksessa suhteellinen karheus on läsnä.

Jos f on kitkakerroin, sen löytämiseksi on empiirinen yhtälö, jota kutsutaan Colebrook-yhtälöksi. Se riippuu suhteellisesta karkeudesta ja Reynolds-luvusta, mutta sen resoluutio ei ole helppo, koska f: tä ei ole annettu nimenomaisesti:

Siksi Moody-kaavion kaltaiset käyrät on luotu, joiden avulla on helppo löytää kitkakertoimen arvo tietylle Reynolds-luvulle ja suhteellinen karkeus. Empiirisesti on saatu yhtälöt, joilla on nimenomaisesti f, jotka ovat melko lähellä Colebrookin yhtälöä.

Ikääntyvät putket

On empiirinen kaava arvioida absoluuttisen karheuden, joka johtuu käyttö, tietäen arvo tehtaan absoluuttinen karheus e _o:

Missä e on karheus t vuoden kuluttua ja α on kerroin yksiköillä m / vuosi, tuumaa / vuosi tai jalka / vuosi, jota kutsutaan karheuden vuotuiseksi kasvuprosentiksi.

Alun perin vähennetty valurautaputkista, mutta toimii hyvin muun tyyppisten päällystämättömistä metalleista valmistettujen putkien kanssa. Näissä nesteen pH on tärkeä kestävyytensä kannalta, koska emäksiset vedet vähentävät huomattavasti virtausta.

Toisaalta pinnoitetut putket tai muovi, sementti ja sileä betoni eivät havaitse huomattavaa karheuden lisääntymistä ajan myötä.

Viitteet

1. Belyadi, Hoss. Hydraulisen murtamisen kemiallinen valinta ja suunnittelu. Palautettu osoitteesta: sciencedirect.com.
2. Cimbala, C. 2006. Nesteen mekaniikka, perusteet ja sovellukset. Mc. Graw Hill. 335 - 342.
3. Franzini, J. 1999. Fluid Mechanics with Application on Engineering. Mc. Graw Hill, 176-177.
4. Mott, R. 2006. Fluid Mechanics. 4th. Painos. Pearson koulutus. 240-242.
5. Ratnayaka, D. Hydraulics. Palautettu osoitteesta: sciencedirect.com.