- Az érdesség eredete
- Egyes anyagok kereskedelmi szempontból történő érzékenységi értékei
- Az abszolút érdesség meghatározása
- Lamináris áramlás és turbulens áramlás
- A súrlódási tényező
- Öregedő csövek
- Irodalom
A relatív érdesség és az abszolút érdesség két olyan kifejezés, amelyek a folyadékokat szállító kereskedelmi csövekben fennálló szabálytalanságok sorozatának leírására szolgálnak. Az abszolút durvaság a szabálytalanságok átlagértéke vagy átlagértéke, a cső belső sugárának átlagos variációjaként átszámítva.
Az abszolút érdességet a felhasznált anyag tulajdonságának tekintik, és általában méterben, hüvelykben vagy lábban mérik. A relatív durvaság a hányados az abszolút érdesség és a cső átmérője között, tehát méret nélküli mennyiség.
1. ábra: Rézcsövek. Forrás: Pixabay.
A relatív érdesség fontos, mivel ugyanaz az abszolút érdesség jobban megmutatja a vékony csöveket, mint a nagyokat.
A csövek érdességének nyilvánvalóan súrlódásuk van, amely viszont csökkenti a folyadék mozgatásának sebességét. Nagyon hosszú csövekben a folyadék elállhat.
Ezért nagyon fontos a súrlódás értékelése az áramlás elemzésében, mivel a mozgás fenntartásához szivattyúkkal kell nyomást gyakorolni. A veszteségek kompenzálása szükségessé teszi a szivattyúk teljesítményének növelését, ez befolyásolja a költségeket.
A nyomásveszteség további forrásai a folyadék viszkozitása, a cső átmérője, hossza, a lehetséges szűkítések és a szelepek, csapok és könyök jelenléte.
Az érdesség eredete
A cső belseje soha nem lehet teljesen sima és mikroszkopikus szinten sima. A falak felületének szabálytalanságai vannak, amelyek nagymértékben függenek az anyagtól, amellyel készültek.
2. ábra: A cső belsejében lévő érdesség. Forrás: saját készítésű.
Ezenkívül üzembe helyezés után az érdesség növekszik a cső anyag és a folyadék közötti kémiai reakciók által okozott skála és korrózió miatt. Ez a növekedés a gyári érdesség 5-10-szerese lehet.
A kereskedelmi csövek jelzik az érdesség értékét méterben vagy lábban, bár nyilvánvalóan érvényesek lesznek új és tiszta csövekre is, mivel az idő múlásával az érdesség megváltoztatja gyári értékét.
Egyes anyagok kereskedelmi szempontból történő érzékenységi értékei
Az alábbiakban a kereskedelmi csövek általánosan elfogadott abszolút érdességértékei vannak:
- Réz, sárgaréz és ólom: 1,5 x 10 -6 m (5 x 10 -6 ft).
- Nem bevont öntöttvas: 2,4 x 10 -4 m (8 x 10 -4 ft).
- Kovácsoltvas: 4,6 x 10–5 m (1,5 x 10–4 láb).
- Szegecselt acél: 1,8 x 10 -3 m (6 x 10 -3 láb).
- Kereskedelmi acél vagy hegesztett acél: 4,6 x 10–5 m (1,5 x 10–4 láb).
- Aszfalt bélésű öntöttvas: 1,2 x 10 -4 m (4 x 10 -4 ft).
- Műanyag és üveg: 0,0 m (0,0 ft).
A relatív érdesség felmérhető a kérdéses anyaggal készült cső átmérőjének ismeretében. Ha az abszolút durvaságot e-ként és az átmérőt D-ként jelöli, akkor a relatív durvaságot a következőképpen fejezik ki:
A fenti egyenlet hengeres csövet feltételez, de ha nem, akkor a hidraulikus sugárnak nevezett nagyságot lehet használni, amelyben az átmérőt az érték négyszeresére váltja fel.
Az abszolút érdesség meghatározása
A csövek érdességének meghatározására különféle empirikus modelleket javasoltak, amelyek figyelembe veszik a geometriai tényezőket, például a falak szabálytalanságainak alakját és eloszlását.
1933 körül J. Nikuradse német mérnök, Ludwig Prandtl hallgatója csöveket különféle méretű homok szemcsékkel borított, amelyek ismert átmérője pontosan az abszolút érdesség e. Nikuradse által kezelt csövek, amelyek e / D értéke 0,000985 és 0,0333 között volt,
Ezekben a jól ellenőrzött kísérletekben az érdesség egyenletes eloszlást mutatott, ami a gyakorlatban nem ez a helyzet. Ezek az e értékek azonban még mindig jó közelítés annak becsléséhez, hogy az érdesség hogyan befolyásolja a súrlódási veszteségeket.
A cső gyártója által megadott érdesség valójában megegyezik a mesterségesen létrehozott durvasággal, ahogyan a Nikuradse és más kísérletezők. Ezért néha ekvivalens homoknak nevezik.
Lamináris áramlás és turbulens áramlás
A cső érdessége nagyon fontos tényező, amelyet figyelembe kell venni a folyadék mozgásának sebességétől függően. Azok a folyadékok, amelyekben a viszkozitás releváns, lamináris vagy turbulens üzemmódban mozoghatnak.
Lamináris áramlás esetén, amelyben a folyadék rendben mozog rétegekben, a cső felületének szabálytalanságai kevésbé súlyosak, ezért ezeket általában nem veszik figyelembe. Ebben az esetben a folyadék viszkozitása hoz létre nyírófeszültségeket a rétegek között, ami energiaveszteséget okoz.
A lamináris áramlásra példa: a csapból kis sebességgel kijövő vízfolyás, a füst a kivilágított füstölőpálcából kezd felszívódni, vagy a vízfolyásba injektált tintasugaras kezdete, Osborne Reynolds meghatározása szerint. 1883-ban.
Ehelyett a turbulens áramlás kevésbé rendezett és kaotikusabb. Ez egy olyan áramlás, amelyben a mozgás szabálytalan és nem túl kiszámítható. Példa erre a füstölőkéből származó füst, amikor abbahagyja a sima mozgást, és turbulenciának nevezett szabálytalan hulladék sorozatot alkot.
A dimenzió nélküli számszerű paramétert úgynevezett Reynolds-szám N R jelzi, hogy a folyadék egy vagy másik rendszer szerint a következő kritériumok:
Ha N R <2000, az áramlás lamináris; Ha N R > 4000, az áramlás turbulens. A közbenső értékeknél a rendszert átmenetinek tekintik, és a mozgás instabil.
A súrlódási tényező
Ez a tényező lehetővé teszi a súrlódás miatti energiaveszteség megállapítását, és csak a lamináris áramlás Reynolds-számától függ, de turbulens áramlás esetén a relatív érdesség jelen van.
Ha f a súrlódási tényező, van egy empirikus egyenlet, amelyet Colebrook-egyenletnek nevezünk. A relatív érdességtől és a Reynolds-számtól függ, de a felbontása nem könnyű, mivel az f kifejezést nem kifejezetten adják meg:
Ezért jött létre olyan görbék, mint a Moody-diagram, amelyek megkönnyítik a súrlódási tényező értékének megadását egy adott Reynolds-számhoz és a relatív durvasághoz. Empirikusan olyan egyenleteket kaptunk, amelyek kifejezetten f-vel rendelkeznek, amelyek nagyon közel állnak a Colebrook-egyenlethez.
Öregedő csövek
Van egy tapasztalati képlet, hogy értékelje a növekedés abszolút egyenetlenség miatt előfordul, hogy használat, tudva az érték a gyári abszolút egyenetlenség e o:
Ahol e a durvaság t év elteltével és α együttható m / év, hüvelyk / év vagy láb / év mértékegységgel, az úgynevezett durvaság éves növekedésének arányával.
Eredetileg levontak az öntöttvas csövekről, de jól működnek más bevonat nélküli fémből készült csövekkel. Ezekben a folyadék pH-ja fontos a tartóssága szempontjából, mivel az lúgos vizek nagymértékben csökkentik az áramlást.
Másrészt a bevont csövek vagy a műanyag, a cement és a sima beton az idő múlásával nem mutatnak jelentős durvaságot.
Irodalom
- Belyadi, Hoss. Hidraulikus repesztés kémiai kiválasztása és tervezése. Helyreállítva: sciencedirect.com.
- Cimbala, C. 2006. Folyadékmechanika, alapok és alkalmazások. Mc. Graw Hill. 335-342.
- Franzini, J. 1999. A folyadékmechanika az alkalmazásban van a mérnöki munkában. Mc. Graw Hill, 176-177.
- Mott, R. 2006. Fluid Mechanics. 4.. Kiadás. Pearson oktatás. 240-242.
- Ratnayaka, D. Hidraulika. Helyreállítva: sciencedirect.com.