CO JE RELATIVNÍ A ABSOLUTNÍ DRSNOST? - FYZICKÝ - 2025

Relativní drsnost a absolutní drsnost jsou dva termíny, které se používají k popisu souboru nepravidelností existujících uvnitř komerčních trubek, které přepravují tekutiny. Absolutní drsnost je střední nebo průměrná hodnota těchto nepravidelností, převedená na střední odchylku vnitřního poloměru trubky.

Absolutní drsnost je považována za vlastnost použitého materiálu a obvykle se měří v metrech, palcích nebo stopách. Pro svou část je relativní drsnost kvocientem mezi absolutní drsností a průměrem trubky, což je tedy bezrozměrná veličina.

Obrázek 1. Měděné trubky. Zdroj: Pixabay.

Relativní drsnost je důležitá, protože stejná absolutní drsnost má výraznější účinek na tenké trubky než na velké trubky.

Drsnost trubek samozřejmě spolupracuje se třením, což zase snižuje rychlost, s níž se tekutina pohybuje uvnitř nich. U velmi dlouhých trubek se může kapalina dokonce přestat pohybovat.

Proto je velmi důležité vyhodnotit tření v průtokové analýze, protože k udržení pohybu je nutné vyvíjet tlak pomocí čerpadel. Kompenzace ztrát vyžaduje zvýšení výkonu čerpadel, což má vliv na náklady.

Dalšími zdroji tlakové ztráty jsou viskozita kapaliny, průměr zkumavky, její délka, možné zúžení a přítomnost ventilů, kohoutů a loktů.

Původ drsnosti

Vnitřek trubky není nikdy zcela hladký a hladký na mikroskopické úrovni. Stěny mají na povrchu nepravidelnosti, které do značné míry závisí na materiálu, ze kterého jsou vyrobeny.

Obrázek 2. Hrubost uvnitř potrubí. Zdroj: vlastní výroba.

Kromě toho se po uvedení do provozu drsnost zvyšuje vlivem vodního kamene a koroze způsobené chemickými reakcemi mezi materiálem trubky a tekutinou. Toto zvýšení se může pohybovat mezi 5 a 10 násobkem hodnoty drsnosti továrny.

Komerční potrubí udává hodnotu drsnosti v metrech nebo stopách, ačkoli samozřejmě budou platit pro nová a čistá potrubí, protože jakmile čas ujede, drsnost změní svou tovární hodnotu.

Hodnoty drsnosti pro některé materiály pro komerční použití

Níže jsou uvedeny obecně akceptované absolutní hodnoty drsnosti pro komerční trubky:

- Měď, mosaz a olovo: 1,5 x 10 - ⁶ m (5 x 10 - ⁶ ft).

- Nepotahovaná litina: 2,4 x ^10-4 m (8 x 10 ^-4 ft).

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

- Nýtovaná ocel: 1,8 x 10 ^-3 m (6 x 10 ^-3 ft).

- Obchodní ocel nebo svařovaná ocel: 4,6 x 10 ^-5 m (1,5 x 10 ^-4 ft).

- Litina z asfaltu: 1,2 x ^10-4 m (4 x ^10-4 ft).

- Plast a sklo: 0,0 m (0,0 ft).

Relativní drsnost může být vyhodnocena s vědomím průměru trubky vyrobené s dotyčným materiálem. Pokud označíte absolutní drsnost jako e a průměr jako D, relativní drsnost se vyjádří jako:

Výše uvedená rovnice předpokládá válcovou trubku, ale pokud ne, lze použít velikost nazývanou hydraulický poloměr, ve které je průměr nahrazen čtyřnásobkem této hodnoty.

Stanovení absolutní drsnosti

Pro nalezení drsnosti trubek byly navrženy různé empirické modely, které zohledňují geometrické faktory, jako je tvar nepravidelností ve stěnách a jejich rozdělení.

Kolem roku 1933 německý inženýr J. Nikuradse, student Ludwiga Prandtla, povlečil potrubí zrny písku různých velikostí, jejichž známé průměry jsou přesně absolutní drsností e. Nikuradse zpracovával trubky, u nichž se hodnoty e / D pohybovaly od 0,000985 do 0,0333,

V těchto dobře kontrolovaných experimentech byly nerovnosti rovnoměrně rozloženy, což v praxi tomu tak není. Tyto hodnoty e jsou však stále dobrým přiblížením k odhadu toho, jak drsnost ovlivní ztráty třením.

Drsnost naznačená výrobcem potrubí je ve skutečnosti ekvivalentní drsnosti vytvořené uměle, stejně jako Nikuradse a další experimentátoři. Z tohoto důvodu se někdy nazývá ekvivalentní písek.

Laminární tok a turbulentní tok

Drsnost potrubí je velmi důležitým faktorem, který je třeba vzít v úvahu v závislosti na rychlosti pohybu tekutiny. Tekutiny, ve kterých je viskozita relevantní, se mohou pohybovat v laminárním režimu nebo v turbulentním režimu.

V laminárním toku, ve kterém se tekutina pohybuje řádně ve vrstvách, mají nepravidelnosti na povrchu trubky menší hmotnost, a proto se obvykle neberou v úvahu. V tomto případě je to viskozita kapaliny, která vytváří smyková napětí mezi vrstvami, což způsobuje energetické ztráty.

Příkladem laminárního proudění je proud vody vycházející z kohoutku při nízké rychlosti, kouř začínající tryskat ze zapáleného kadidla nebo začátek inkoustového paprsku vstřikovaného do proudu vody, jak stanoví Osborne Reynolds v roce 1883.

Místo toho je turbulentní tok méně uspořádaný a chaotičtější. Je to tok, ve kterém je pohyb nepravidelný a málo předvídatelný. Příkladem je kouř z vonné tyčinky, když se přestane pohybovat hladce a začne tvořit řadu nepravidelných švů zvaných turbulence.

Bezrozměrný numerický parametr s názvem Reynoldsovo číslo N _R udává, zda má tekutina jeden nebo druhý režim, podle následujících kritérií:

Pokud _NR <2000, tok je laminární; Pokud _NR > 4000 je tok turbulentní. Pro střední hodnoty je režim považován za přechodný a pohyb je nestabilní.

Třecí faktor

Tento faktor umožňuje najít ztrátu energie způsobenou třením a závisí pouze na Reynoldsově čísle pro laminární proudění, ale v turbulentním proudění je přítomna relativní drsnost.

Jestliže f je faktor tření, existuje empirická rovnice, která ji najde, nazvaná Colebrookova rovnice. Závisí to na relativní drsnosti a Reynoldsově čísle, ale jeho rozlišení není snadné, protože f není výslovně uvedeno:

Proto byly vytvořeny křivky, jako je Moodyho diagram, které usnadňují nalezení hodnoty faktoru tření pro dané Reynoldsovo číslo a relativní drsnost. Empiricky byly získány rovnice, které výslovně f, které jsou docela blízké Colebrookově rovnici.

Stárnutí potrubí

Existuje empirický vzorec pro vyhodnocení nárůstu absolutní drsnosti, ke kterému dochází v důsledku použití, s vědomím hodnoty absolutní drsnosti továrny e _o:

Kde e je drsnost po uplynutí t let a α je koeficient s jednotkami m / rok, palce / rok nebo stopa / rok nazvaný roční nárůst indexu drsnosti.

Původně se odečítal pro litinové trubky, ale dobře funguje s jinými typy trubek vyrobených z nepotaženého kovu. V nich je pH tekutiny důležité z hlediska její trvanlivosti, protože alkalické vody značně snižují průtok.

Na druhé straně u potažených trubek nebo plastů, cementu a hladkého betonu se časem neznatelně zvyšuje drsnost.

Reference

1. Belyadi, Hossi. Výběr a provedení hydraulického štěpení. Obnoveno z: sciposedirect.com.
2. Cimbala, C. 2006. Mechanika tekutin, základy a aplikace. Mc. Graw Hill. 335-342.
3. Franzini, J. 1999. Mechanika tekutin s aplikací je ve strojírenství. Mc. Graw Hill, 176-177.
4. Mott, R. 2006. Fluid Mechanics. 4. Edice. Pearsonovo vzdělávání. 240-242.
5. Ratnayaka, D. Hydraulics. Obnoveno z: sciposedirect.com.