GÖRELI VE MUTLAK PÜRÜZLÜLÜK NEDIR? - FIZIKSEL - 2025

Göreceli pürüzlülük ve mutlak pürüzlülük , sıvıları taşıyan ticari borularda var olan düzensizlikler kümesini tanımlamak için kullanılan iki terimdir. Mutlak pürüzlülük, bu düzensizliklerin ortalama veya ortalama değeridir ve borunun iç yarıçapının ortalama değişimine çevrilir.

Mutlak pürüzlülük, kullanılan malzemenin bir özelliği olarak kabul edilir ve genellikle metre, inç veya fit cinsinden ölçülür. Göreceli pürüzlülük, borunun mutlak pürüzlülüğü ile çapı arasındaki orandır, dolayısıyla boyutsuz bir niceliktir.

Şekil 1. Bakır borular. Kaynak: Pixabay.

Göreceli pürüzlülük önemlidir çünkü aynı mutlak pürüzlülük büyük borulara göre ince borularda daha belirgin bir etkiye sahiptir.

Açıktır ki, boruların pürüzlülüğü sürtünmeyle işbirliği yapar ve bu da sıvının içlerinde hareket etme hızını azaltır. Çok uzun borularda sıvı hareket etmeyi bile durdurabilir.

Bu nedenle akış analizinde sürtünmeyi değerlendirmek çok önemlidir, çünkü hareketi sürdürmek için pompalar vasıtasıyla basınç uygulamak gerekir. Kayıpları telafi etmek, maliyetleri etkileyen pompaların gücünü artırmayı gerekli kılar.

Diğer basınç kaybı kaynakları, sıvının viskozitesi, borunun çapı, uzunluğu, olası daralmaları ve valflerin, muslukların ve dirseklerin varlığıdır.

Pürüzlülüğün kökeni

Borunun içi mikroskobik seviyede asla tamamen pürüzsüz ve pürüzsüz değildir. Duvarların yüzeyinde büyük ölçüde yapıldıkları malzemeye bağlı olan düzensizlikler vardır.

Şekil 2. Bir boru içindeki pürüzlülük. Kaynak: kendi kendine.

Ayrıca hizmete girdikten sonra, boru malzemesi ile akışkan arasındaki kimyasal reaksiyonların neden olduğu ölçek ve korozyon nedeniyle pürüzlülük artar. Bu artış, fabrika pürüzlülüğünün değerinin 5 ila 10 katı arasında değişebilir.

Ticari borular, pürüzlülük değerini metre veya fit cinsinden gösterir, ancak yeni ve temiz borular için geçerli olacakları açıktır, çünkü zaman geçtikçe pürüzlülük fabrika değerini değiştirecektir.

Ticari kullanım için bazı malzemeler için pürüzlülük değerleri

Ticari borular için yaygın olarak kabul edilen mutlak pürüzlülük değerleri aşağıdadır:

- Bakır, pirinç ve kurşun: 1,5 x ^10-6 m (5 x ^10-6 ft).

- Kaplamasız Dökme Demir: 2,4 x ^10-4 m (8 x ^10-4 ft).

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

- Riveted çelik: 1.8 x 10 ^-3 m (6 x 10 ^-3 ft).

- Ticari çelik veya kaynaklı çelik: 4,6 x ^10-5 m (1,5 x ^10-4 ft).

- Asfalt Kaplamalı Dökme Demir: 1,2 x ^10-4 m (4 x ^10-4 ft).

- Plastik ve cam: 0,0 m (0,0 ft).

Bağıl pürüzlülük, söz konusu malzeme ile yapılan borunun çapı bilerek değerlendirilebilir. Mutlak pürüzlülüğü e ve çapı D olarak belirtirseniz, göreli pürüzlülük şu şekilde ifade edilir:

Yukarıdaki denklem silindirik bir boruyu varsayar, ancak aksi takdirde, çapın bu değerin dört katı ile değiştirildiği hidrolik yarıçap olarak adlandırılan büyüklük kullanılabilir.

Mutlak pürüzlülüğün belirlenmesi

Boruların pürüzlülüğünü bulmak için, duvarlardaki düzensizliklerin şekli ve dağılımı gibi geometrik faktörleri hesaba katan çeşitli deneysel modeller önerilmiştir.

1933 civarında, Ludwig Prandtl'ın bir öğrencisi olan Alman mühendis J. Nikuradse, bilinen çapları tam olarak mutlak pürüzlülük olan farklı boyutlarda kum taneleri ile kapladı. E. Nikuradse, e / D değerleri 0.000985 ile 0.0333 arasında değişen borularla uğraştı,

Bu iyi kontrol edilen deneylerde, pürüzlülükler tekdüze olarak dağıtıldı, bu pratikte böyle değildi. Bununla birlikte, bu e değerleri, pürüzlülüğün sürtünme kayıplarını nasıl etkileyeceğini tahmin etmek için hala iyi bir yaklaşımdır.

Bir borunun üreticisi tarafından belirtilen pürüzlülük, Nikuradse ve diğer deneycilerin yaptığı gibi aslında yapay olarak yaratılana eşdeğerdir. Bu nedenle bazen eşdeğer kum olarak bilinir.

Laminer akış ve türbülanslı akış

Borunun pürüzlülüğü, sıvının hareket hızına bağlı olarak dikkate alınması gereken çok önemli bir faktördür. Viskozitenin ilgili olduğu sıvılar laminer bir rejimde veya türbülanslı bir rejimde hareket edebilir.

Sıvının katmanlar halinde düzenli olarak hareket ettiği laminer akışta, boru yüzeyindeki düzensizlikler daha az ağırlığa sahiptir ve bu nedenle genellikle hesaba katılmaz. Bu durumda, enerji kayıplarına neden olan katmanlar arasında kesme gerilmeleri yaratan akışkanın viskozitesidir.

Osborne Reynolds tarafından belirlendiği üzere, düşük hızda musluktan çıkan su akışı, yanan bir tütsü çubuğundan fışkırmaya başlayan duman veya su akışına enjekte edilen mürekkep püskürtmesinin başlangıcı laminer akış örnekleri. 1883'te.

Bunun yerine, türbülanslı akış daha az düzenli ve daha kaotiktir. Bu, hareketin düzensiz olduğu ve pek tahmin edilemez olduğu bir akıştır. Tütsü çubuğundan çıkan dumanın düzgün hareket etmeyi bırakması ve türbülans adı verilen bir dizi düzensiz sümük oluşturmaya başlaması buna bir örnektir.

Reynolds sayısı N _{R olarak} adlandırılan boyutsuz sayısal parametre , aşağıdaki kriterlere göre sıvının bir veya başka bir rejime sahip olup olmadığını gösterir:

N _R <2000 ise akış laminerdir; N _R > 4000 ise akış türbülanslıdır. Ara değerler için rejim geçişken kabul edilir ve hareket istikrarsızdır.

Sürtünme faktörü

Bu faktör, sürtünmeden kaynaklanan enerji kaybını bulmaya izin verir ve yalnızca laminer akış için Reynolds sayısına bağlıdır, ancak türbülanslı akışta göreceli pürüzlülük mevcuttur.

Sürtünme faktörü f ise, onu bulmak için Colebrook denklemi adı verilen ampirik bir denklem vardır. Göreli pürüzlülüğe ve Reynolds sayısına bağlıdır, ancak çözünürlüğü kolay değildir, çünkü f açıkça belirtilmemiştir:

Bu nedenle, belirli bir Reynolds sayısı ve göreli pürüzlülük için sürtünme faktörünün değerini bulmayı kolaylaştıran Moody diyagramı gibi eğriler oluşturulmuştur. Ampirik olarak, Colebrook denklemine oldukça yakın olan, açıkça f'ye sahip olan denklemler elde edilmiştir.

Yaşlanan borular

Fabrika mutlak pürüzlülüğünün değerini bilerek, kullanıma bağlı olarak meydana gelen mutlak pürüzlülükteki artışı değerlendirmek için ampirik bir formül vardır e _o :

E, t yılı geçtikten sonra pürüzlülük olduğunda ve α, pürüzlülükteki yıllık artış oranı olarak adlandırılan m / yıl, inç / yıl veya ayak / yıl birimleriyle bir katsayıdır.

Başlangıçta dökme demir borular için düşülmüştür, ancak kaplamasız metalden yapılan diğer boru türleriyle iyi çalışır. Bunlarda, alkali sular akışı büyük ölçüde azalttığı için sıvının pH'ı dayanıklılığı açısından önemlidir.

Öte yandan, kaplanmış borular veya plastik, çimento ve pürüzsüz beton, zamanla pürüzlülükte kayda değer artışlar yaşamaz.

Referanslar

1. Belyadi, Hoss. Hidrolik Çatlatma Kimyasal Seçimi ve Tasarımı. Kurtarıldı: sciencedirect.com.
2. Cimbala, C. 2006. Akışkanlar Mekaniği, Temelleri ve Uygulamaları. Mc. Graw Hill. 335- 342.
3. Franzini, J. 1999. Uygulamalı Akışkanlar Mekaniği Mühendislik Alanındadır. Mc. Graw Hill. 176-177.
4. Mott, R. 2006. Akışkanlar Mekaniği. 4. Baskı. Pearson Education. 240-242.
5. Ratnayaka, D. Hidrolik. Kurtarıldı: sciencedirect.com.