КАКВО Е ОТНОСИТЕЛНА И АБСОЛЮТНА ГРАПАВОСТ? - ФИЗИЧЕСКИ - 2025

Относителната грапавост и абсолютната грапавост са два термина, които се използват за описване на множеството нередности, съществуващи вътре в търговските тръби, които транспортират течности. Абсолютната грапавост е средната или средната стойност на тези нередности, преведена в средното изменение на вътрешния радиус на тръбата.

Абсолютната грапавост се счита за свойство на използвания материал и обикновено се измерва в метри, инчове или футове. От своя страна, относителната грапавост е коефициентът между абсолютната грапавост и диаметъра на тръбата, поради което е безразмерно количество.

Фигура 1. Медни тръби. Източник: Pixabay

Относителната грапавост е важна, тъй като същата абсолютна грапавост има по-подчертан ефект върху тънките тръби, отколкото при големите.

Очевидно грапавостта на тръбите сътрудничи на триенето, което от своя страна намалява скоростта, с която течността се движи вътре в тях. В много дълги тръби течността може дори да спре да се движи.

Следователно е много важно да се оцени триенето в анализа на потока, тъй като за поддържане на движението е необходимо да се прилага налягане чрез помпи. Компенсирането на загуби налага увеличаването на мощността на помпите, което влияе върху разходите.

Други източници на загуба на налягане са вискозитетът на течността, диаметърът на тръбата, нейната дължина, възможните стеснения и наличието на клапани, кранове и лакти.

Произход на грапавостта

Вътрешността на тръбата никога не е напълно гладка и гладка на микроскопично ниво. Стените имат неравности в повърхността, които до голяма степен зависят от материала, с който са направени.

Фигура 2. Грубост вътре в тръбата. Източник: самостоятелно направен.

Освен това, след като е в експлоатация, грапавостта се увеличава поради мащаба и корозията, причинени от химични реакции между тръбния материал и течността. Това увеличение може да варира между 5 и 10 пъти стойността на заводската грапавост.

Търговските тръби показват стойността на грапавостта в метри или футове, въпреки че очевидно те ще бъдат валидни за нови и чисти тръби, тъй като веднага след като изтече време, грапавостта ще промени фабричната си стойност.

Стойности на грапавост за някои материали за търговска употреба

По-долу са общоприетите стойности на абсолютната грапавост за търговските тръби:

- Мед, месинг и олово: 1,5 x 10 ^-6 m (5 x 10 ^-6 фута).

- Чугун без покритие: 2,4 x 10 ^-4 m (8 x 10 ^-4 фута).

- Ковано желязо: 4,6 x 10 ^-5 m (1,5 x 10 ^-4 фута).

- Скована стомана: 1,8 x 10 ^-3 m (6 x 10 ^-3 фута).

- Търговска стомана или заварена стомана: 4,6 х 10 ^-5 м (1,5 х 10 ^-4 фута).

- Чугунен облицован с асфалт: 1,2 х 10 ^-4 м (4 х 10 ^-4 фута).

- Пластмаса и стъкло: 0,0 m (0,0 ft).

Относителната грапавост може да се оцени, като се знае диаметърът на тръбата, направена с въпросния материал. Ако означите абсолютната грапавост като e, а диаметърът като D, относителната грапавост се изразява като:

Горното уравнение предполага цилиндрична тръба, но ако не, може да се използва величината, наречена хидравличен радиус, в която диаметърът се заменя с четирикратна тази стойност.

Определяне на абсолютната грапавост

За да се намери грапавостта на тръбите, са предложени различни емпирични модели, които отчитат геометрични фактори, като формата на неравностите в стените и тяхното разпределение.

Около 1933 г. немският инженер Й. Никурадсе, ученик на Лудвиг Прандтъл, покрива тръби със зърна пясък с различни размери, чиито известни диаметри са именно абсолютната грапавост e. Nikuradse обработени тръби, за които стойностите на e / D варират от 0,000985 до 0,0333,

В тези добре контролирани експерименти грапавостите бяха равномерно разпределени, което не е така на практика. Тези стойности на e обаче все още са добро приближение, за да се прецени как грапавостта ще повлияе на загубите от триене.

Грапавостта, посочена от производителя на тръба, всъщност е еквивалентна на създадената по изкуствен начин, точно както направиха Никурадсе и други експериментатори. По тази причина понякога е известен като еквивалентен пясък.

Ламинарен поток и турбулентен поток

Грапавостта на тръбата е много важен фактор, който трябва да вземете предвид в зависимост от скоростта на движение на течността. Течностите, за които е необходим вискозитетът, могат да се движат в ламинарен режим или в турбулентен режим.

При ламинарен поток, при който течността се движи подредено на слоеве, неравностите в повърхността на тръбата имат по-малко тегло и затова обикновено не се вземат предвид. В този случай именно вискозитетът на течността създава срязващи напрежения между слоевете, причинявайки загуби на енергия.

Примери за ламинарен поток са струя вода, която излиза от крана с ниска скорост, димът, започващ да блика от запалена тамяна, или началото на мастилено струя, инжектирана в струя вода, както е определено от Осборн Рейнолдс през 1883г.

Вместо това турбулентният поток е по-малко подреден и по-хаотичен. Това е поток, при който движението е неправилно и не е много предвидимо. Пример е димът от тамянната пръчка, когато спре да се движи плавно и започва да образува поредица от неправилни бръчки, наречени турбулентност.

Безразмерният числов параметър, наречен номер на Рейнолдс N _R, показва дали течността има един или друг режим, съгласно следните критерии:

Ако N _R <2000 потокът е ламинарен; Ако N _R > 4000 потокът е турбулентен. За междинните стойности режимът се счита за преходен и движението е нестабилно.

Коефициентът на триене

Този фактор позволява да се намери загубата на енергия поради триене и зависи само от броя на Рейнолдс за ламинарен поток, но при турбулентен поток присъства относителната грапавост.

Ако f е коефициентът на триене, има емпирично уравнение, за да го намерите, наречено уравнение на Коулбрук. Зависи от относителната грапавост и числото на Рейнолдс, но неговата разделителна способност не е лесна, тъй като f не е дадено изрично:

Ето защо са създадени криви като диаграмата Moody, които улесняват намирането на стойността на коефициента на триене за дадено число на Рейнолдс и относителна грапавост. Емпирично са получени уравнения, които са изрично f, които са доста близки до уравнението на Коулбрук.

Стареещи тръби

Съществува емпирична формула за оценка на увеличението на абсолютната грапавост, което възниква поради употреба, като се знае стойността на фабричната абсолютна грапавост e _o:

Където e грапавостта след изминалите t години и α е коефициент с единици m / година, инчове / година или крак / година, наречен темп на годишно увеличение на грапавостта.

Първоначално се приспада за чугунени тръби, но работи добре с други видове тръби, изработени от метал без покритие. При тях pH на течността е важен от гледна точка на неговата трайност, тъй като алкалните води значително намаляват потока.

От друга страна, тръбите с покритие или пластмаса, циментът и гладкият бетон не изпитват значителни увеличения на грапавостта с времето.

Препратки

1. Беляди, Хос. Химичен селекционен химически подбор и дизайн. Възстановено от: sciencedirect.com.
2. Cimbala, C. 2006. Механика на течностите, основи и приложения. Mc. Graw Hill. 335- 342.
3. Franzini, J. 1999. Механиката на течностите с приложение е в инженерството. Mc. Graw Hill. 176-177.
4. Mott, R. 2006. Механика на течностите. 4-ти. Edition. Pearson Education. 240-242.
5. Ratnayaka, D. Хидравлика. Възстановено от: sciencedirect.com.