KAS YRA SANTYKINIS IR ABSOLIUTUS ŠIURKŠTUMAS? - FIZINIS - 2025

Santykinis šiurkštumas ir absoliutus šiurkštumas yra du terminai, vartojami apibūdinti nelygumų, esančių komerciniuose skysčiuose, vamzdžiuose, rinkinį. Absoliutus nelygumas yra vidutinė arba vidutinė šių nelygumų vertė, perskaičiuota į vamzdžio vidinio spindulio vidutinį pokytį.

Absoliutus šiurkštumas laikomas naudojamos medžiagos savybe ir paprastai matuojamas metrais, coliais arba pėdomis. Savo ruožtu santykinis šiurkštumas yra santykis tarp absoliutaus grublėtumo ir vamzdžio skersmens, taigi tai yra be matmens dydis.

1 pav. Variniai vamzdžiai. Šaltinis: „Pixabay“.

Santykinis šiurkštumas yra svarbus, nes tas pats absoliutus grubumas turi ryškesnį poveikį ploniems vamzdžiams nei dideliems.

Akivaizdu, kad vamzdžių šiurkštumas veikia trintį, o tai savo ruožtu sumažina greitį, kuriuo skystis juda jų viduje. Esant labai ilgiems vamzdžiams, skystis gali net nustoti judėti.

Todėl labai svarbu įvertinti trintį srauto analizėje, nes norint palaikyti judesį būtina slėgį naudoti siurbliais. Norint kompensuoti nuostolius, būtina padidinti siurblių galią, o tai daro įtaką sąnaudoms.

Kiti slėgio nuostolių šaltiniai yra skysčio klampumas, vamzdžio skersmuo, jo ilgis, galimi susitraukimai ir vožtuvų, čiaupų ir alkūnių buvimas.

Šiurkštumo kilmė

Vamzdžio vidus niekada nėra visiškai lygus ir lygus mikroskopiniu lygiu. Sienų paviršiuje yra nelygumų, kurie didžiąja dalimi priklauso nuo medžiagos, su kuria jie yra pagaminti.

Šiurkštumas vamzdžio viduje. Šaltinis: pačių sukurtas.

Be to, po eksploatavimo šiurkštumas padidėja dėl masto ir korozijos, kurią sukelia cheminės reakcijos tarp vamzdžio medžiagos ir skysčio. Šis padidėjimas gali būti nuo 5 iki 10 kartų didesnis už gamyklos nelygumų vertę.

Komerciniai vamzdžiai rodo šiurkštumo vertę metrais arba pėdomis, nors akivaizdu, kad jie bus taikomi naujiems ir švariems vamzdžiams, nes kai tik bėgs laikas, šiurkštumas pakeis gamyklos vertę.

Kai kurių komerciniam naudojimui naudojamų medžiagų šiurkštumo vertės

Žemiau pateikiamos visuotinai priimtos komercinių vamzdžių absoliutaus nelygumo vertės:

- Varis, žalvaris ir švinas: 1,5 x 10 ^–6 m (5 x 10 ^–6 pėdos).

- Nepadengtas ketaus: 2,4 x 10 ^–4 m (8 x 10 ^–4 pėdos).

- Kalvystė: 4,6 x 10 ^–5 m (1,5 x 10 ^–4 pėdos).

- Kniedytas plienas: 1,8 x 10 ^-3 m (6 x 10 ^-3 pėdos).

- Komercinis plienas arba suvirintas plienas: 4,6 x ^10–5 m (1,5 x 10 ^–4 pėdos).

- Asfaltu išklotas ketaus: 1,2 x 10 ^–4 m (4 x 10 ^–4 pėdos).

- Plastikas ir stiklas: 0,0 m (0,0 pėdų).

Santykinis šiurkštumas gali būti įvertintas žinant vamzdžio, pagaminto iš nagrinėjamos medžiagos, skersmenį. Jei absoliučiąjį šiurkštumą žymite kaip e, o skersmenį - kaip D, santykinis šiurkštumas išreiškiamas taip:

Aukščiau pateikta lygtis daro prielaidą, kad cilindrinis vamzdis, bet jei ne, galima naudoti dydį, vadinamą hidrauliniu spinduliu, kurio skersmuo keičiamas keturis kartus iš šios vertės.

Absoliutaus šiurkštumo nustatymas

Norint nustatyti vamzdžių šiurkštumą, buvo pasiūlyti įvairūs empiriniai modeliai, kuriuose atsižvelgiama į geometrinius veiksnius, tokius kaip sienų nelygumų forma ir jų pasiskirstymas.

Apie 1933 m. Vokiečių inžinierius J. Nikuradse'as, Liudviko Prandtlo studentas, vamzdžius padengė įvairaus dydžio smėlio grūdeliais, kurių žinomi skersmenys yra būtent absoliutus šiurkštumas e. „Nikuradse“ valdomi vamzdžiai, kurių e / D vertės svyravo nuo 0,000985 iki 0,0333,

Šiuose gerai kontroliuojamuose eksperimentuose šiurkštumai buvo pasiskirstę tolygiai, o praktikoje taip nėra. Tačiau šios e vertės vis dar yra geras apytikslis būdas įvertinti, kaip šiurkštumas paveiks trinties nuostolius.

Vamzdžio gamintojo nurodytas šiurkštumas iš tikrųjų yra lygus dirbtinai sukurtam šiurkštumui, kaip tai padarė „Nikuradse“ ir kiti eksperimentatoriai. Dėl šios priežasties jis kartais žinomas kaip lygiavertis smėlis.

Laminarinis srautas ir turbulentinis srautas

Vamzdžio šiurkštumas yra labai svarbus veiksnys, į kurį reikia atsižvelgti atsižvelgiant į skysčio judėjimo greitį. Skysčiai, kurių klampumas yra tinkamas, gali judėti laminariniu ar turbulenciniu režimu.

Laminariniame sraute, kuriame skystis juda tvarkingai sluoksniais, nelygumai vamzdžio paviršiuje turi mažiau svorio, todėl į juos paprastai neatsižvelgiama. Tokiu atveju skysčio klampumas sukuria šlyties įtempius tarp sluoksnių ir sukelia energijos nuostolius.

Laminarinio srauto pavyzdžiai yra vandens srautas, iš kurio iš maišytuvo išeina mažas greitis, dūmai, kurie pradeda skleisti nuo uždegtos smilkalų lazdelės, arba rašalo purkštuko, įpurškto į vandens srovę, pradžia, kurią nustatė Osbornas Reynoldsas. 1883 m.

Vietoj to, neramus srautas yra mažiau tvarkingas ir labiau chaotiškas. Tai srautas, kuriame judėjimas nereguliarus ir nelabai nuspėjamas. Pavyzdys yra dūmų iš smilkalų lazdelė, kai jie nustoja sklandžiai judėti ir pradeda formuotis netaisyklingų tarpelių, vadinamų turbulencija, serija.

Skaičių be matmenų parametras, vadinamas Reynoldso skaičiumi N _R, parodo, ar skystis turi vienokį ar kitokį režimą pagal šiuos kriterijus:

Jei N _R <2000, srautas yra sluoksninis; Jei N _R > 4000, srautas yra neramus. Tarpinėms vertybėms režimas laikomas pereinamuoju, o judėjimas nestabilus.

Trinties koeficientas

Šis koeficientas leidžia nustatyti energijos nuostolius dėl trinties ir priklauso tik nuo Reynoldso skaičiaus, atsižvelgiant į sluoksninį srautą, tačiau esant turbulenciniam srautui santykinis šiurkštumas yra.

Jei f yra trinties koeficientas, jį rasti yra empirinė lygtis, vadinama Colebrook lygtimi. Tai priklauso nuo santykinio šiurkštumo ir Reynoldso skaičiaus, tačiau jo skiriamoji geba nėra lengva, nes f nėra aiškiai nurodytas:

Štai kodėl buvo sukurtos tokios kreivės kaip „Moody“ schema, leidžianti lengvai rasti trinties koeficiento reikšmę tam tikram Reynoldso skaičiui ir santykinį šiurkštumą. Empiriškai buvo gautos lygtys, kurios aiškiai turi f, kurios yra gana artimos Colebrook lygčiai.

Senėjimo vamzdžiai

Yra empirinių formulė įvertinti absoliutus šiurkštumo padidėjimą, kuris atsiranda dėl naudojimo, žinant gamyklos absoliuti šiurkštumo e vertę _o :

Kur e yra šiurkštumas praėjus t metams, o α yra koeficientas su m / metų, coliais / metais arba pėda / metais vienetais, vadinamais metinio šiurkštumo padidėjimo greičiu.

Iš pradžių išskaičiuota už ketaus vamzdžius, tačiau gerai veikia su kitų rūšių vamzdžiais, pagamintais iš nepadengto metalo. Juose skysčio pH yra svarbus atsižvelgiant į jo patvarumą, nes šarminiai vandenys labai sumažina tekėjimą.

Kita vertus, dengti vamzdžiai ar plastikas, cementas ir lygus betonas laikui bėgant nepadidėja.

Nuorodos

1. Belyadi, Hossas. Hidraulinio ardymo cheminis pasirinkimas ir projektavimas. Atkurta iš: sciencedirect.com.
2. Cimbala, C. 2006. Skysčių mechanika, pagrindai ir programos. Mc. Graw Hill. 335 - 342.
3. Franzini, J. 1999. Skysčių mechanika su taikymu yra inžinerijoje. Mc. Graw Hill 176–177.
4. Mott, R. 2006. Skysčių mechanika. 4-asis. Leidimas. „Pearson Education“. 240–242.
5. Ratnayaka, D. Hidraulika. Atkurta iš: sciencedirect.com.