HVAD ER RELATIV OG ABSOLUT RUHED? - FYSISK - 2025

Relativ ruhed og absolut ruhed er to udtryk, der bruges til at beskrive det sæt af uregelmæssigheder, der findes i kommercielle rør, der transporterer væsker. Den absolutte ujævnhed er middelværdien eller gennemsnitsværdien af ​​disse uregelmæssigheder, oversat til den gennemsnitlige variation i rørets indre radius.

Absolut ruhed betragtes som en egenskab ved det anvendte materiale og måles normalt i meter, inches eller fødder. For den del er den relative ujævnhed kvoten mellem den absolutte ujævnhed og diameteren af ​​røret, idet det derfor er en dimensionløs mængde.

Figur 1. Kobberrør. Kilde: Pixabay.

Relativ ruhed er vigtig, da den samme absolutte ruhed har en mere markant virkning på tynde rør end på store.

Det er klart, at rørernes ruhed samarbejder med friktion, hvilket igen reducerer hastigheden, hvormed væsken bevæger sig inden i dem. I meget lange rør kan væsken endda stoppe med at bevæge sig.

Derfor er det meget vigtigt at evaluere friktionen i strømningsanalysen, for at opretholde bevægelsen er det nødvendigt at anvende tryk ved hjælp af pumper. Ved at kompensere for tab er det nødvendigt at øge pumpenes effekt, hvilket påvirker omkostningerne.

Andre kilder til tryktab er væskens viskositet, rørets diameter, dets længde, mulige indsnævringer og tilstedeværelsen af ​​ventiler, vandhaner og albuer.

Oprindelse af ruhed

Indersiden af ​​røret er aldrig helt glat og glat på mikroskopisk niveau. Væggene har uregelmæssigheder i overfladen, der i vid udstrækning afhænger af det materiale, som de er lavet med.

Figur 2. Roughness inde i et rør. Kilde: self made.

Efter at have været i drift øges ruheden endvidere på grund af skala og korrosion forårsaget af kemiske reaktioner mellem rørmaterialet og væsken. Denne stigning kan ligge mellem 5 og 10 gange værdien af ​​fabrikkens ruhed.

Kommercielle rør angiver ujævnhedsværdien i meter eller fødder, skønt de naturligvis er gyldige for nye og rene rør, fordi så snart tiden går, vil ruheden ændre dens fabriksværdi.

Roughness-værdier for nogle materialer til kommerciel brug

Nedenfor er de almindeligt accepterede absolutte ruhedsværdier for kommercielle rør:

- Kobber, messing og bly: 1,5 x 10 ^-6 m (5 x 10 ^-6 ft).

- Uncoated Støbejern: 2,4 x 10 ^-4 m (8 x 10 ^-4 ft).

- Smedejern: 4,6 x 10 ^-5 m (1,5 x 10 ^-4 fod).

- Nittet stål: 1,8 x 10 ^-3 m (6 x 10 ^-3 ft).

- Kommercielt stål eller svejset stål: 4,6 x ^10-5 m (1,5 x 10 ^-4 fod).

- Asfaltforet støbejern: 1,2 x 10 ^-4 m (4 x 10 ^-4 ft).

- Plast og glas: 0,0 m.

Den relative ruhed kan vurderes ved at kende diameteren på røret fremstillet med det pågældende materiale. Hvis du angiver den absolutte ruhed som e og diameteren som D, udtrykkes den relative ruhed som:

Ovenstående ligning antager et cylindrisk rør, men hvis ikke, kan størrelsen kaldet den hydrauliske radius bruges, hvor diameteren erstattes af fire gange denne værdi.

Bestemmelse af absolut ruhed

For at finde rørernes ruhed er der foreslået forskellige empiriske modeller, der tager højde for geometriske faktorer, såsom formen på uregelmæssighederne i væggene og deres fordeling.

Omkring 1933 belagte den tyske ingeniør J. Nikuradse, en studerende ved Ludwig Prandtl, rør med sandkorn i forskellige størrelser, hvis kendte diametre netop er den absolutte ujævnhed. Nikuradse håndterede rør, for hvilke e / D-værdier varierede fra 0,000985 til 0,0333,

I disse velkontrollerede eksperimenter blev ujævnhederne ensartet fordelt, hvilket ikke er tilfældet i praksis. Disse værdier af e er dog stadig en god tilnærmelse til at estimere, hvordan ruhed vil påvirke friktionstab.

Ujævnheden, der er angivet af producenten af ​​et rør, svarer faktisk til det, der blev skabt kunstigt, ligesom Nikuradse og andre eksperimenter gjorde. Af denne grund er det undertiden kendt som ækvivalent sand.

Laminar flow og turbulent flow

Rørets ujævnhed er en meget vigtig faktor, der skal overvejes afhængigt af fluidbevægelsesregimet. De væsker, hvor viskositeten er relevant, kan bevæge sig i et laminært regime eller i et turbulent regime.

Ved laminær strømning, hvor væsken bevæger sig ordentligt i lag, har uregelmæssighederne i rørets overflade mindre vægt og er derfor normalt ikke taget i betragtning. I dette tilfælde er det viskositeten af ​​væsken, der skaber forskydningsspændinger mellem lagene, der forårsager energitab.

Eksempler på laminær strømning er en vandstrøm, der kommer ud af vandhanen ved lav hastighed, røgene begynder at svæve fra en oplyst røgelsestok eller starten af ​​en blækstråle, der indsprøjtes i en vandstrøm, som bestemt af Osborne Reynolds i 1883.

I stedet er den turbulente strøm mindre ordnet og mere kaotisk. Det er en strøm, hvor bevægelsen er uregelmæssig og ikke særlig forudsigelig. Et eksempel er røg fra røgelsepinden, når den holder op med at bevæge sig glat og begynder at danne en række uregelmæssige skænderier kaldet turbulens.

Den dimensionsløse numeriske parameter kaldet Reynolds nummer N _R indikerer, om væsken har et eller andet regime ifølge følgende kriterier:

Hvis N _R <2000, er strømmen laminær; Hvis N _R > 4000 er strømningen turbulent. For mellemværdier betragtes regimet som en overgangsperiode, og bevægelsen er ustabil.

Friktionsfaktoren

Denne faktor gør det muligt at finde energitabet på grund af friktion og afhænger kun af Reynolds-tallet for laminær strømning, men i turbulent strømning er den relative ruhed til stede.

Hvis f er friktionsfaktoren, er der en empirisk ligning til at finde den, kaldet Colebrook-ligningen. Det afhænger af den relative ruhed og Reynolds-antallet, men dens opløsning er ikke let, da f ikke gives eksplicit:

Derfor er der oprettet kurver som Moody-diagrammet, som gør det nemt at finde værdien af ​​friktionsfaktoren for et givet Reynolds-tal og relativ ruhed. Empirisk er der opnået ligninger, der har f eksplicit, som ligger temmelig tæt på Colebrook-ligningen.

Aldrende rør

Der er en empirisk formel til at evaluere stigningen i absolut ujævnhed, der opstår på grund af brug, vel vidende om værdien af ​​fabrikkens absolutte ujævnhed _o:

Hvor e er ujævnheden efter t år, og a er en koefficient med enheder på m / år, inches / år eller fod / år kaldet den årlige stigning i ujævnhedsindeks.

Oprindeligt trukket fra støbejernsrør, men fungerer godt med andre typer rør lavet af ubelagt metal. I disse er væskens pH-værdi vigtig med hensyn til dens holdbarhed, da alkaliske vand reducerer strømmen meget.

På den anden side oplever belagte rør eller plast, cement og glat beton ikke bemærkelsesværdige stigninger i ruhed med tiden.

Referencer

1. Belyadi, Hoss. Hydraulisk brud på kemisk valg og design. Gendannes fra: sciencedirect.com.
2. Cimbala, C. 2006. Fluid Mechanics, Fundamentals and Applications. Mc. Graw Hill. 335- 342.
3. Franzini, J. 1999. Fluid Mechanics with Application er inden for engineering. Mc. Graw Hill 176-177.
4. Mott, R. 2006. Fluid Mechanics. 4th. Edition. Pearson Uddannelse. 240-242.
5. Ratnayaka, D. Hydraulik. Gendannes fra: sciencedirect.com.