CE ESTE RUGOZITATEA RELATIVĂ ȘI ABSOLUTĂ? - FIZIC - 2025

Asperitatea relativă și rugozitatea absolută sunt doi termeni care sunt folosiți pentru a descrie setul de nereguli existente în conductele comerciale care transportă fluide. Rugozitatea absolută este valoarea medie sau medie a acestor nereguli, tradusă în variația medie a razei interne a conductei.

Rugozitatea absolută este considerată o proprietate a materialului folosit și este de obicei măsurată în metri, inci sau picioare. La rândul său, rugozitatea relativă este coeficientul dintre rugozitatea absolută și diametrul conductei, fiind deci o cantitate fără dimensiuni.

Figura 1. Țevi de cupru. Sursa: Pixabay.

Rugozitatea relativă este importantă, deoarece aceeași rugozitate absolută are un efect mai accentuat pe conductele subțiri decât pe cele mari.

Evident, rugozitatea țevilor colaborează cu frecarea, care la rândul său reduce viteza cu care fluidul se mișcă în interiorul lor. În conductele foarte lungi, fluidul poate chiar opri mișcarea.

Prin urmare, este foarte important să evaluați frecarea în analiza debitului, deoarece pentru a menține mișcarea este necesară aplicarea presiunii cu ajutorul pompelor. Compensarea pierderilor face necesară creșterea puterii pompelor, afectând costurile.

Alte surse de pierdere a presiunii sunt vâscozitatea fluidului, diametrul tubului, lungimea acestuia, constricțiile posibile și prezența supapelor, robinetelor și coatelor.

Originea rugozității

Interiorul conductei nu este niciodată complet neted și neted la nivel microscopic. Pereții au nereguli în suprafață care depind în mare măsură de materialul cu care sunt confecționate.

Figura 2. Ruperea în interiorul unei conducte. Sursa: realizată de sine.

Mai mult, după ce a fost în funcțiune, rugozitatea crește datorită scării și coroziunii cauzate de reacții chimice între conducta și fluidul. Această creștere poate varia între 5 și 10 ori mai mult decât valoarea grosimii din fabrică.

Țevile comerciale indică valoarea rugozității în metri sau în picioare, deși, evident, vor fi valabile pentru conductele noi și curate, deoarece imediat ce trece timpul, rugozitatea își va modifica valoarea din fabrică.

Valorile de grosime pentru unele materiale pentru uz comercial

Mai jos sunt valorile de rugozitate absolută acceptate în mod obișnuit pentru conductele comerciale:

- cupru, alamă și plumb: 1,5 x 10 ^-6 m (5 x 10 ^-6 ft).

- Fier neacoperit: 2,4 x 10 ^-4 m (8 x 10 ^-4 ft).

- fier forjat: 4,6 x 10 ^-5 m (1,5 x 10 ^-4 ft).

- Oțel nituit: 1,8 x 10 ^-3 m (6 x 10 ^-3 ft).

- Oțel comercial sau oțel sudat: 4,6 x 10 ^-5 m (1,5 x 10 ^-4 ft).

- Fonta căptușită cu asfalt: 1,2 x 10 ^-4 m (4 x 10 ^-4 ft).

- Plastic și sticlă: 0,0 m (0,0 ft).

Rugozitatea relativă poate fi evaluată cunoscând diametrul conductei realizate cu materialul respectiv. Dacă denumiți rugozitatea absolută ca e și diametrul ca D, rugozitatea relativă este exprimată ca:

Ecuația de mai sus presupune o țeavă cilindrică, dar, dacă nu, poate fi utilizată magnitudinea numită raza hidraulică, în care diametrul este înlocuit de patru ori această valoare.

Determinarea rugozității absolute

Pentru a găsi rugozitatea conductelor, au fost propuse diverse modele empirice care iau în considerare factorii geometrici, cum ar fi forma neregulilor din pereți și distribuția acestora.

În jurul anului 1933, inginerul german J. Nikuradse, elev al lui Ludwig Prandtl, a acoperit țevi cu grăunte de nisip de diferite dimensiuni, ale căror diametre cunoscute sunt tocmai rugozitatea absolută e. Nikuradse manevra conducte pentru care valorile e / D variau între 0,000985 și 0,0333,

În aceste experimente bine controlate, rugozitățile au fost distribuite uniform, ceea ce nu este cazul în practică. Cu toate acestea, aceste valori ale e sunt încă o bună aproximare pentru a estima modul în care rugozitatea va influența pierderile prin frecare.

Rugozitatea indicată de producătorul unei conducte este de fapt echivalentă cu cea creată artificial, la fel cum au făcut Nikuradse și alți experimentatori. Din acest motiv este uneori cunoscut sub numele de nisip echivalent.

Fluxul laminar și fluxul turbulent

Rugozitatea țevii este un factor foarte important de luat în considerare în funcție de viteza de mișcare a fluidului. Fluidele în care este relevantă vâscozitatea se pot deplasa într-un regim laminar sau turbulent.

În fluxul laminar, în care fluidul se mișcă ordonat în straturi, neregularitățile de pe suprafața conductei au o greutate mai mică și, prin urmare, nu sunt luate în considerare de obicei. În acest caz, vâscozitatea fluidului este cea care creează tensiuni de forfecare între straturi care provoacă pierderi de energie.

Exemple de curgere laminară sunt un flux de apă care iese din robinet la viteză mică, fumul începând să curgă dintr-un băț de tămâie aprins sau începutul unui jet de cerneală injectat într-un flux de apă, așa cum a fost stabilit de Osborne Reynolds în 1883.

În schimb, fluxul turbulent este mai puțin ordonat și mai haotic. Este un flux în care mișcarea este neregulată și nu este foarte previzibilă. Un exemplu este fumul din tămâia de tămâie atunci când încetează să se miște lin și începe să formeze o serie de înțepături neregulate numite turbulență.

Parametrul numeric fără dimensiuni numit Reynolds numărul N _R indică dacă fluidul are unul sau alt regim, în conformitate cu următoarele criterii:

Dacă N _R <2000 debitul este laminar; Dacă N _R > 4000 debitul este turbulent. Pentru valori intermediare, regimul este considerat tranzitoriu și mișcarea este instabilă.

Factorul de frecare

Acest factor permite găsirea pierderii de energie datorată frecării și depinde doar de numărul Reynolds pentru fluxul laminar, dar în fluxul turbulent, rugozitatea relativă este prezentă.

Dacă f este factorul de frecare, există o ecuație empirică pentru a o găsi, numită ecuația Colebrook. Depinde de rugozitatea relativă și de numărul Reynolds, dar rezoluția sa nu este ușoară, deoarece f nu este dat explicit:

De aceea, au fost create curbe precum diagrama Moody, care facilitează găsirea valorii factorului de frecare pentru un număr Reynolds dat și rugozitatea relativă. În mod empiric, au fost obținute în mod explicit ecuații care sunt destul de apropiate de ecuația Colebrook.

Țevi de îmbătrânire

Există o formulă empirică pentru a evalua creșterea rugozității absolute care apare din cauza utilizării, știind valoarea rugozității absolute din fabrică e _o :

Unde e rugozitatea după expirarea t ani și α este un coeficient cu unități de m / an, inci / an sau picior / an numită rata de creștere anuală a rugozității.

Inițial dedusă pentru țevi din fontă, dar funcționează bine cu alte tipuri de țeavă din metal neacoperit. În acestea, pH-ul fluidului este important în ceea ce privește durabilitatea acestuia, deoarece apele alcaline reduc mult debitul.

Pe de altă parte, conductele acoperite sau plasticul, cimentul și betonul neted nu înregistrează creșteri notabile ale rugozității cu timpul.

Referințe

1. Belyadi, Hoss. Selecție și proiectare chimică de fracturare hidraulică. Recuperat de la: sciencedirect.com.
2. Cimbala, C. 2006. Mecanica fluidelor, elementelor fundamentale și aplicațiilor. Mc. Dealul Graw. 335- 342.
3. Franzini, J. 1999. Mecanica fluidelor cu aplicație este în inginerie. Mc. Dealul Graw 176-177.
4. Mott, R. 2006. Mecanica fluidelor. 4a. Ediție. Pearson Education. 240-242.
5. Ratnayaka, D. Hidraulică. Recuperat de la: sciencedirect.com.