VAD ÄR RELATIV OCH ABSOLUT GROVHET? - FYSISK - 2025

Relativ grovhet och absolut grovhet är två termer som används för att beskriva uppsättningen oegentligheter som finns i kommersiella rör som transporterar vätskor. Den absoluta ojämnheten är medelvärdet eller medelvärdet för dessa oegentligheter, översatt till den genomsnittliga variationen i rörets inre radie.

Absolut grovhet anses vara en egenskap hos det använda materialet och mäts vanligtvis i meter, tum eller fötter. För sin del är den relativa ojämnheten kvoten mellan den absoluta ojämnheten och rörets diameter, vilket därför är en måttlös kvantitet.

Bild 1. Kopparrör. Källa: Pixabay.

Relativ grovhet är viktig eftersom samma absoluta råhet har en mer markant effekt på tunna rör än på stora.

Det är uppenbart att rörens råhet samverkar med friktion, vilket i sin tur minskar hastigheten med vilken vätskan rör sig inuti dem. I mycket långa rör kan vätskan till och med sluta röras.

Därför är det mycket viktigt att utvärdera friktion i flödesanalys, eftersom för att upprätthålla rörelse är det nödvändigt att applicera tryck med hjälp av pumpar. Att kompensera för förluster gör det nödvändigt att öka pumpens effekt, vilket påverkar kostnaderna.

Andra källor för tryckförlust är vätskans viskositet, rörets diameter, dess längd, möjliga sammandragningar och närvaron av ventiler, kranar och armbågar.

Råhetens ursprung

Insidan av röret är aldrig helt slät och smidig på mikroskopisk nivå. Väggarna har oregelbundenheter i ytan som i hög grad beror på det material som de tillverkas med.

Bild 2. Grovhet inuti ett rör. Källa: självgjord.

Efter att ha varit i drift ökar dessutom råheten på grund av skala och korrosion orsakad av kemiska reaktioner mellan rörmaterialet och vätskan. Denna ökning kan variera mellan 5 och 10 gånger värdet på fabrikets grovhet.

Kommersiella rör indikerar ojämnhetsvärdet i meter eller fot, även om de uppenbarligen är giltiga för nya och rena rör, eftersom så snart tiden går, kommer råheten att ändra dess fabriksvärde.

Grovhetsvärden för vissa material för kommersiellt bruk

Nedan visas de vanligtvis accepterade absoluta råhetsvärdena för kommersiella rör

- Koppar, mässing och bly: 1,5 x 10 ^-6 m (5 x 10 ^-6 ft).

- Obelagd Gjutjärn: 2,4 x 10 ^-4 m (8 x 10 ^-4 ft).

- Smidesjärn: 4,6 x 10 ^-5 m (1,5 x 10 ^-4 fot).

- Nitt stål: 1,8 x 10 ^-3 m (6 x 10 ^-3 fot).

- Kommersiellt stål eller svetsat stål: 4,6 x 10 ^-5 m (1,5 x 10 ^-4 fot).

- Asfaltfodrat gjutjärn: 1,2 x 10 ^-4 m (4 x 10 ^-4 ft).

- Plast och glas: 0,0 m.

Den relativa grovheten kan utvärderas genom att känna diametern på röret tillverkat med det aktuella materialet. Om du anger den absoluta råheten som e och diametern som D, uttrycks den relativa råheten som:

Ovanstående ekvation antar ett cylindriskt rör, men om inte, kan storleken kallad hydraulradien användas, där diametern ersätts av fyra gånger detta värde.

Bestämning av absolut grovhet

För att hitta rörens grovhet har olika empiriska modeller föreslagits som tar hänsyn till geometriska faktorer såsom formen på oegentligheter i väggarna och deras fördelning.

Runt 1933 belagde den tyska ingenjören J. Nikuradse, en student i Ludwig Prandtl, rör med sandkorn av olika storlekar, vars kända diametrar är exakt den absoluta råheten e. Nikuradse hanterade rör för vilka e / D-värden varierade från 0,000985 till 0,0333,

I dessa välkontrollerade experiment fördelades grovheten jämnt, vilket inte är fallet i praktiken. Dessa värden på e är emellertid fortfarande en bra approximation för att uppskatta hur grovhet kommer att påverka friktionsförluster.

Ojämnheten som anges av tillverkaren av ett rör motsvarar faktiskt det som skapades konstgjordt, precis som Nikuradse och andra experter gjorde. Av denna anledning är det ibland känt som ekvivalent sand.

Laminariskt flöde och turbulent flöde

Grovheten i röret är en mycket viktig faktor att ta hänsyn till beroende på fluidens rörelseshastighet. Vätskorna där viskositeten är relevant kan röra sig i en laminär regim eller i en turbulent regim.

Vid laminärt flöde, i vilket vätskan rör sig ordentligt i skikt, har oregelbundenheterna i rörets yta mindre vikt och tas därför vanligtvis inte med i beräkningen. I detta fall är det viskositeten hos vätskan som skapar skjuvspänningar mellan skikten som orsakar energiförluster.

Exempel på laminärt flöde är en ström av vatten som kommer ut ur kranen med låg hastighet, rök börjar gusha från en upplyst rökelsepinne eller början på en bläckstråle som injiceras i en vattenström, bestämd av Osborne Reynolds 1883.

Istället är det turbulenta flödet mindre ordnat och mer kaotiskt. Det är ett flöde där rörelsen är oregelbunden och inte särskilt förutsägbar. Ett exempel är röken från rökelsepinnen när den slutar röra sig smidigt och börjar bilda en serie oregelbundna lurar som kallas turbulens.

Den måttlösa numeriska parametern som heter Reynolds nummer N _R indikerar om vätskan har ett eller annat regime, enligt följande kriterier:

Om N _R <2000 är flödet laminärt; Om N _R > 4000 är flödet turbulent. För mellanvärden betraktas regimen som övergång och rörelsen är instabil.

Friktionsfaktorn

Denna faktor gör det möjligt att hitta friktionsenergiförlusten och beror bara på Reynolds-talet för laminärt flöde, men i turbulent flöde finns relativ grovhet.

Om f är friktionsfaktorn finns det en empirisk ekvation att hitta den, kallad Colebrook-ekvationen. Det beror på den relativa grovheten och Reynolds-talet, men dess upplösning är inte lätt, eftersom f inte ges uttryckligen:

Det är därför kurvor som Moody-diagrammet har skapats, vilket gör det enkelt att hitta värdet på friktionsfaktorn för ett visst Reynolds-antal och relativ grovhet. Empiriskt har ekvationer som har f uttryckligen erhållits, som ligger ganska nära Colebrook-ekvationen.

Åldrande rör

Det finns en empirisk formel för att utvärdera ökningen i absolut grovhet som uppstår på grund av användning, att veta värdet på fabriken absolut grovhet e _o :

Där e är ojämnheten efter t år som gått och α är en koefficient med enheter av m / år, tum / år eller fot / år som kallas hastigheten för årlig ökning av råhet.

Ursprungligen dras för gjutjärnrör men fungerar bra med andra typer av rör tillverkade av obelagt metall. I dessa är vätskans pH viktigt med tanke på dess hållbarhet, eftersom alkaliska vatten kraftigt minskar flödet.

Å andra sidan upplever belagda rör eller plast, cement och slät betong inte märkbara ökningar av råhet med tiden.

referenser

1. Belyadi, Hoss. Hydraulisk frakturering kemisk urval och design. Återställd från: sciencedirect.com.
2. Cimbala, C. 2006. Fluid Mechanics, Fundamentals and Applications. Mc. Graw Hill. 335- 342.
3. Franzini, J. 1999. Fluid Mechanics with Application är inom teknik. Mc. Graw Hill 176-177.
4. Mott, R. 2006. Fluid Mechanics. 4:e. Utgåva. Pearson Education. 240-242.
5. Ratnayaka, D. Hydraulik. Återställd från: sciencedirect.com.