KAS IR RELATĪVAIS UN ABSOLŪTAIS RAUPJUMS? - FIZISKĀ - 2025

Relatīvais raupjums un absolūtais raupjums ir divi termini, kas tiek izmantoti, lai aprakstītu pārkāpumu kopumu, kas pastāv komerciālo cauruļu iekšpusē, kas pārvadā šķidrumus. Absolūtais nelīdzenums ir šo pārkāpumu vidējā vai vidējā vērtība, pārrēķinot caurules iekšējā rādiusa vidējās variācijas.

Absolūtais raupjums tiek uzskatīts par izmantotā materiāla īpašību, un to parasti mēra metros, collās vai pēdās. Savukārt relatīvais raupjums ir koeficients starp absolūto raupjumu un caurules diametru, tāpēc tas ir bezmērķa lielums.

1. attēls. Vara caurules. Avots: Pixabay.

Relatīvajam nelīdzenumam ir liela nozīme, jo tas pats absolūtais raupjums daudz izteiktāk ietekmē plānas caurules nekā lielās.

Acīmredzami cauruļu nelīdzenumi sadarbojas ar berzi, kas savukārt samazina ātrumu, ar kādu šķidrums pārvietojas to iekšpusē. Ļoti garās caurulēs šķidrums var pat pārstāt kustēties.

Tāpēc plūsmas analīzē ir ļoti svarīgi novērtēt berzi, jo, lai uzturētu kustību, spiediens jāpieliek ar sūkņu palīdzību. Zaudējumu kompensēšana rada nepieciešamību palielināt sūkņu jaudu, ietekmējot izmaksas.

Citi spiediena zudumu avoti ir šķidruma viskozitāte, caurules diametrs, tā garums, iespējamie sašaurinājumi un vārstu, krānu un elkoņu klātbūtne.

Nelīdzenuma izcelsme

Caurules iekšpuse mikroskopiskā līmenī nekad nav pilnīgi gluda un gluda. Sienu virsmā ir nelīdzenumi, kas lielā mērā ir atkarīgi no materiāla, ar kuru tie ir izgatavoti.

Neattīrība caurules iekšpusē. Avots: pašu gatavots.

Turklāt pēc ekspluatācijas raupjums palielinās mēroga un korozijas dēļ, ko izraisa ķīmiskas reakcijas starp caurules materiālu un šķidrumu. Šis pieaugums var būt no 5 līdz 10 reizēm no rūpnīcas raupjuma vērtības.

Tirdzniecības caurules norāda nelīdzenuma vērtību metros vai pēdās, lai gan acīmredzami tās būs derīgas jaunām un tīrām caurulēm, jo, tiklīdz paiet laiks, raupjums mainīs rūpnīcas vērtību.

Dažu komerciālai lietošanai paredzētu materiālu raupjuma vērtības

Zemāk ir vispārpieņemtas absolūtās nelīdzenuma vērtības komerciālām caurulēm:

- Varš, misiņš un svins: 1,5 x 10 ^-6 m (5 x 10 ^-6 pēdas).

- bez pārklājuma čuguns: 2,4 x 10 ^-4 m (8 x 10 ^-4 pēdas).

- Kalta dzelzs: 4,6 x 10 ^-5 m (1,5 x 10 ^-4 pēdas).

- Kniedēts tērauds: 1,8 x 10 ^-3 m (6 x 10 ^-3 pēdas).

- Tirdzniecības tērauds vai metināts tērauds: 4,6 x 10 ^-5 m (1,5 x 10 ^-4 pēdas).

- Čuguns ar asfalta pārklājumu: 1,2 x 10 ^-4 m (4 x 10 ^-4 pēdas).

- Plastmasa un stikls: 0,0 m (0,0 pēdas).

Relatīvo nelīdzenumu var novērtēt, zinot ar attiecīgo materiālu izgatavotās caurules diametru. Ja jūs apzīmējat absolūto raupjumu kā e un diametru kā D, relatīvo raupjumu izsaka šādi:

Iepriekš minētajā vienādojumā ir pieņemta cilindriska caurule, bet, ja tā nav, var izmantot lielumu, ko sauc par hidraulisko rādiusu, kurā diametru aizstāj ar četras reizes lielāku šo vērtību.

Absolūtā raupjuma noteikšana

Lai atrastu cauruļu raupjumu, ir ierosināti dažādi empīriski modeļi, kas ņem vērā ģeometriskos faktorus, piemēram, sienu nelīdzenumu formu un to sadalījumu.

Ap 1933. gadu vācu inženieris J. Nikuradse, Ludviga Prandtla students, caurules pārklāja ar dažāda lieluma smilšu graudiem, kuru zināmais diametrs ir tieši absolūtais raupjums e. Nikuradse apstrādātas caurules, kurām e / D vērtības svārstījās no 0,000985 līdz 0,0333,

Šajos labi kontrolētajos eksperimentos raupjumi tika vienmērīgi sadalīti, kas praksē tā nav. Tomēr šīs e vērtības joprojām ir labs tuvinājums, lai novērtētu, kā raupjums ietekmēs berzes zudumus.

Caurules ražotāja norādītais nelīdzenums faktiski ir līdzvērtīgs mākslīgi radītajam, tāpat kā to darīja Nikuradse un citi eksperimentētāji. Šī iemesla dēļ to dažreiz sauc par līdzvērtīgām smiltīm.

Lamināra plūsma un turbulenta plūsma

Caurules nelīdzenums ir ļoti svarīgs faktors, kas jāņem vērā atkarībā no šķidruma kustības ātruma. Šķidrumi, kuriem ir atbilstoša viskozitāte, var pārvietoties laminārā režīmā vai turbulenta režīmā.

Laminārā plūsmā, kurā šķidrums pārvietojas kārtīgi pa slāņiem, nelīdzenumiem caurules virsmā ir mazāks svars, un tāpēc tos parasti neņem vērā. Šajā gadījumā šķidruma viskozitāte rada bīdes spriegumus starp slāņiem, izraisot enerģijas zudumus.

Laminārās plūsmas piemēri ir ūdens straume, kas no krāna iznāk nelielā ātrumā, dūmi sāk izplūst no iedegtas vīraka nūjas vai tintes strūklas sākums, ko ievada ūdens straumē, kā noteicis Osborns Reinoldss. 1883. gadā.

Tā vietā vētrainā plūsma ir mazāk sakārtota un haotiskāka. Tā ir plūsma, kurā kustība ir neregulāra un nav ļoti paredzama. Kā piemēru var minēt dūmus, kas rodas no vīraka nūjas, kad tas pārstāj kustēties vienmērīgi un sāk veidot neregulāru vītu sēriju, ko sauc par turbulenci.

Neizmēra skaitliskais parametrs ar nosaukumu Reinoldsa skaitlis N _R norāda, vai šķidrumam ir viens vai cits režīms saskaņā ar šādiem kritērijiem:

Ja N _R <2000, plūsma ir lamināra; Ja N _R > 4000, plūsma ir turbulenta. Starpposma vērtībām režīms tiek uzskatīts par pārejošu, un kustība ir nestabila.

Berzes koeficients

Šis faktors ļauj atrast enerģijas zudumus berzes dēļ un ir atkarīgs tikai no Reinoldsa skaita laminārajai plūsmai, bet turbulentā plūsmā ir relatīvais raupjums.

Ja f ir berzes koeficients, tā atrašanai ir empīrisks vienādojums, ko sauc par Colebrook vienādojumu. Tas ir atkarīgs no relatīvā raupjuma un Reinoldsa skaitļa, bet tā izšķirtspēja nav viegla, jo f nav skaidri norādīts:

Tāpēc ir izveidotas tādas līknes kā Moody diagramma, kas ļauj viegli atrast berzes koeficienta vērtību dotajam Reinoldsa skaitlim un relatīvajam nelīdzenumam. Empīriskā izteiksmē ir iegūti vienādojumi, kas izteikti izteikti f, kas ir diezgan tuvu Kolebrook vienādojumam.

Novecojošās caurules

Ir empīriska formula, lai novērtētu absolūtā raupjuma palielināšanos, kas rodas lietošanas dēļ, zinot rūpnīcas absolūtā raupjuma vērtību e _o :

Kur e ir raupjums pēc t gadu beigām un α ir koeficients ar m / gada, collas / gads vai pēdas / gada vienībām, ko sauc par gada raupjuma pieauguma ātrumu.

Sākotnēji atskaitīts par čuguna caurulēm, bet labi darbojas ar cita veida caurulēm, kas izgatavotas no neapklāta metāla. Tajos šķidruma pH ir svarīgs tā izturības ziņā, jo sārmaini ūdeņi ievērojami samazina plūsmu.

No otras puses, pārklātajām caurulēm vai plastmasai, cementam un gludajam betonam laika gaitā nav novērojams ievērojams raupjuma pieaugums.

Atsauces

1. Belyadi, Hoss. Hidrauliskā skaldīšanas ķīmiskā atlase un projektēšana. Atgūts no: sciencedirect.com.
2. Cimbala, C. 2006. Šķidruma mehānika, pamati un pielietojumi. Mak. Graw Hill. 335-342.
3. Franzini, J. 1999. Šķidruma mehānika ar pielietojumu ir inženierzinātnēs. Mak. Graw Hill., 176.-177.
4. Mott, R. 2006. Fluid Mechanics. 4. Izdevums. Pīrsona izglītība. 240–242.
5. Ratnayaka, D. Hidraulika. Atgūts no: sciencedirect.com.