WAT IS RELATIEVE EN ABSOLUTE RUWHEID? - FYSIEK - 2026

Relatieve ruwheid en absolute ruwheid zijn twee termen die worden gebruikt om de reeks onregelmatigheden te beschrijven die aanwezig zijn in commerciële leidingen die vloeistoffen transporteren. De absolute ruwheid is de gemiddelde of gemiddelde waarde van deze onregelmatigheden, vertaald in de gemiddelde variatie van de inwendige straal van de buis.

Absolute ruwheid wordt beschouwd als een eigenschap van het gebruikte materiaal en wordt meestal gemeten in meters, inches of feet. De relatieve ruwheid van zijn kant is het quotiënt tussen de absolute ruwheid en de diameter van de buis, en is dus een dimensieloze grootheid.

Figuur 1. Koperen leidingen. Bron: Pixabay.

Relatieve ruwheid is belangrijk omdat dezelfde absolute ruwheid een duidelijker effect heeft op dunne buizen dan op grote.

Het is duidelijk dat de ruwheid van de pijpen samengaat met wrijving, wat op zijn beurt de snelheid vermindert waarmee de vloeistof erin beweegt. In zeer lange leidingen kan de vloeistof zelfs stoppen met bewegen.

Daarom is het erg belangrijk om de wrijving in de stromingsanalyse te evalueren, omdat het om de beweging te behouden noodzakelijk is om druk uit te oefenen door middel van pompen. Om verliezen te compenseren, is het nodig om het vermogen van de pompen te vergroten, wat de kosten beïnvloedt.

Andere bronnen van drukverlies zijn de viscositeit van de vloeistof, de diameter van de buis, de lengte, mogelijke vernauwingen en de aanwezigheid van kleppen, kranen en ellebogen.

Oorsprong van ruwheid

De binnenkant van de buis is op microscopisch niveau nooit helemaal glad en glad. De wanden hebben oneffenheden in het oppervlak die in grote mate afhankelijk zijn van het materiaal waarmee ze gemaakt zijn.

Figuur 2. Ruwheid in een buis. Bron: zelf gemaakt.

Bovendien neemt de ruwheid na gebruik toe als gevolg van kalkaanslag en corrosie veroorzaakt door chemische reacties tussen het buismateriaal en de vloeistof. Deze toename kan variëren van 5 tot 10 keer de waarde van de fabrieksruwheid.

Commerciële buizen geven de ruwheidswaarde in meter of voet aan, hoewel ze uiteraard gelden voor nieuwe en schone buizen, want zodra de tijd verstrijkt, zal de ruwheid de fabriekswaarde veranderen.

Ruwheidswaarden voor sommige materialen voor commercieel gebruik

Hieronder staan ​​de algemeen aanvaarde absolute ruwheidswaarden voor commerciële buizen:

- Koper, messing en lood: 1,5 x ^10-6 m (5 x ^10-6 ft).

- Ongecoat gietijzer: 2,4 x ^10-4 m (8 x ^10-4 ft).

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

- Geklonken staal: 1,8 x ^10-3 m (6 x ^10-3 ft).

- Commercieel staal of gelast staal: 4,6 x ^10-5 m (1,5 x ^10-4 ft).

- Met asfalt bekleed gietijzer: 1,2 x ^10-4 m (4 x ^10-4 ft).

- Kunststof en glas: 0,0 m (0,0 ft).

De relatieve ruwheid kan worden geëvalueerd door de diameter van de buis te kennen die is gemaakt met het materiaal in kwestie. Als je de absolute ruwheid aangeeft als e en de diameter als D, wordt de relatieve ruwheid uitgedrukt als:

De bovenstaande vergelijking gaat uit van een cilindrische buis, maar als dat niet het geval is, kan de grootte, de zogenaamde hydraulische straal, worden gebruikt, waarbij de diameter wordt vervangen door vier keer deze waarde.

Bepaling van de absolute ruwheid

Om de ruwheid van de buizen te vinden, zijn verschillende empirische modellen voorgesteld die rekening houden met geometrische factoren zoals de vorm van de onregelmatigheden in de wanden en hun verdeling.

Rond 1933 bekleedde de Duitse ingenieur J. Nikuradse, een leerling van Ludwig Prandtl, pijpen met zandkorrels van verschillende afmetingen, waarvan de bekende diameters precies de absolute ruwheid e zijn. Nikuradse behandelde pijpen waarvoor e / D-waarden varieerden van 0,000985 tot 0,0333,

Bij deze goed gecontroleerde experimenten werden de ruwheden gelijkmatig verdeeld, wat in de praktijk niet het geval is. Deze waarden van e zijn echter nog steeds een goede benadering om in te schatten hoe ruwheid de wrijvingsverliezen zal beïnvloeden.

De ruwheid die door de fabrikant van een pijp wordt aangegeven, is eigenlijk gelijk aan de ruwheid die kunstmatig is gemaakt, net als Nikuradse en andere onderzoekers deden. Om deze reden wordt het ook wel gelijkwaardig zand genoemd.

Laminaire stroming en turbulente stroming

De ruwheid van de buis is een zeer belangrijke factor om te overwegen, afhankelijk van de bewegingssnelheid van de vloeistof. De vloeistoffen waarin de viscositeit relevant is, kunnen bewegen in een laminair regime of in een turbulent regime.

Bij laminaire stroming, waarbij het fluïdum ordelijk in lagen beweegt, hebben de onregelmatigheden in het oppervlak van de buis minder gewicht en wordt daarom meestal geen rekening gehouden. In dit geval is het de viscositeit van de vloeistof die schuifspanningen tussen de lagen veroorzaakt die energieverliezen veroorzaken.

Voorbeelden van laminaire stroming zijn een waterstroom die met lage snelheid uit de kraan komt, rook die begint te gutsen uit een brandende wierookstokje of het begin van een inktstraal die in een stroom water wordt geïnjecteerd, zoals bepaald door Osborne Reynolds in 1883.

In plaats daarvan is de turbulente stroming minder ordelijk en chaotischer. Het is een stroom waarbij de beweging onregelmatig is en niet erg voorspelbaar. Een voorbeeld is de rook van de wierookstok wanneer deze niet meer soepel beweegt en een reeks onregelmatige slierten begint te vormen die turbulentie worden genoemd.

De dimensieloze parameter genaamd numerieke Reynoldsgetal N _R geeft aan of het fluïdum een of andere regeling, volgens de volgende criteria:

Als N _R <2000 is de stroming laminair; Als N _R > 4000 is de stroming turbulent. Voor tussenliggende waarden wordt het regime als overgangsperiode beschouwd en is de beweging onstabiel.

De wrijvingsfactor

Deze factor maakt het mogelijk het energieverlies als gevolg van wrijving te vinden en is alleen afhankelijk van het Reynoldsgetal voor laminaire stroming, maar bij turbulente stroming is de relatieve ruwheid aanwezig.

Als f de wrijvingsfactor is, is er een empirische vergelijking om die te vinden, de zogenaamde Colebrook-vergelijking. Het hangt af van de relatieve ruwheid en het Reynoldsgetal, maar de resolutie is niet eenvoudig, aangezien f niet expliciet wordt gegeven:

Daarom zijn er curven zoals het Moody-diagram gemaakt, die het gemakkelijk maken om de waarde van de wrijvingsfactor te vinden voor een gegeven Reynoldsgetal en relatieve ruwheid. Empirisch zijn vergelijkingen verkregen die expliciet f hebben, die vrij dicht bij de Colebrook-vergelijking liggen.

Verouderende pijpen

Er is een empirische formule om de toename in absolute ruwheid die optreedt als gevolg van gebruik te evalueren, waarbij de waarde van de absolute fabrieksruwheid e _{o bekend is} :

Waar e de ruwheid is nadat t jaren zijn verstreken en α een coëfficiënt is met eenheden van m / jaar, inches / jaar of voet / jaar, de snelheid van jaarlijkse toename van ruwheid.

Oorspronkelijk in mindering gebracht voor gietijzeren buizen, maar werkt goed met andere soorten buizen gemaakt van ongecoat metaal Hierin is de pH van de vloeistof belangrijk in termen van de duurzaamheid, aangezien alkalisch water de stroming aanzienlijk vermindert.

Aan de andere kant ervaren gecoate buizen of plastic, cement en glad beton na verloop van tijd geen noemenswaardige toename in ruwheid.

Referenties

1. Belyadi, Hoss. Hydraulisch breken Chemische selectie en ontwerp. Hersteld van: sciencedirect.com.
2. Cimbala, C. 2006. Vloeistofmechanica, grondbeginselen en toepassingen. Mc. Graw Hill. 335-342.
3. Franzini, J. 1999. Vloeistofmechanica met toepassing is in engineering. Mc. Graw Hill.176-177.
4. Mott, R. 2006. Vloeistofmechanica. 4e. Editie. Pearson Education. 240-242.
5. Ratnayaka, D. Hydraulics. Hersteld van: sciencedirect.com.