- מקור החספוס
- ערכי חספוס לחומרים מסוימים לשימוש מסחרי
- קביעת חספוס מוחלט
- זרימה למינרית וזרימה סוערת
- גורם החיכוך
- צינורות הזדקנות
- הפניות
חספוס יחסי וחספוס מוחלט הם שני מונחים המשמשים לתיאור מערך האי סדרים הקיימים בצינורות מסחריים המובילים נוזלים. החספוס המוחלט הוא הערך הממוצע או הממוצע של אי סדרים אלה, המתורגמים לשונות הממוצעת של הרדיוס הפנימי של הצינור.
חספוס מוחלט נחשב למאפיין של החומר המשמש ונמדד בדרך כלל במטרים, סנטימטרים או רגליים. החספוס היחסי הוא מצדו בין החספוס המוחלט לקוטר הצינור, ולכן הוא כמות חסרת ממדים.
איור 1. צינורות נחושת. מקור: Pixabay.
חספוס יחסי חשוב מאחר ואותו חספוס מוחלט משפיע יותר על צינורות דקים מאשר על גדולים.
ברור שחספוס הצינורות משתף פעולה עם חיכוך, מה שבתורו מקטין את המהירות שבה הנוזל נע בתוכם. בצינורות ארוכים מאוד, הנוזל עשוי אף להפסיק לנוע.
לכן חשוב מאוד להעריך את החיכוך בניתוח הזרימה, שכן כדי לשמור על התנועה יש צורך להפעיל לחץ באמצעות משאבות. הפיצוי על הפסדים גורם להגדלת כוח המשאבות, ומשפיע על העלויות.
מקורות נוספים לאובדן לחץ הם צמיגות הנוזל, קוטר הצינור, אורכו, היצרות אפשרית ונוכחות שסתומים, ברזים ומרפקים.
מקור החספוס
החלק הפנימי של הצינור לעולם אינו חלק וחלק ברמה המיקרוסקופית. לקירות חריגות במשטח התלויות במידה רבה בחומר עמו הם מיוצרים.
איור 2. חספוס בתוך צינור. מקור: תוצרת עצמית.
יתרה מזאת, לאחר שירותם, החספוס עולה כתוצאה מגודל וקורוזיה הנגרמת כתוצאה מתגובות כימיות בין חומר הצינור לנוזל. עלייה זו יכולה לנוע בין פי 5 לעשרה מערך חספוס המפעל.
צינורות מסחריים מציינים את ערך החספוס במטר או ברגליים, אם כי ברור שהם תקפים לצינורות חדשים ונקיים, מכיוון שברגע שיעבור הזמן החספוס ישנה את ערכו של היצרן.
ערכי חספוס לחומרים מסוימים לשימוש מסחרי
להלן הערכים המקובלים של חספוס מוחלט עבור צינורות מסחריים:
- נחושת, פליז ועופרת: 1.5 x 10 -6 מ '(5 x 10 -6 רגל).
ברזל יצוק ללא ציפוי -: 2.4 x 10 -4 מ '(8 x 10 -4 רגל).
חישול -: 4.6 x 10 -5 מ '(1.5 x 10 -4 רגל).
פלדה מרותקת -: 1.8 x 10 -3 מ '(6 x 10 -3 רגל).
- פלדה מסחרית או פלדה מרותכת: 4.6 x 10 -5 מ '(1.5 x 10 -4 רגל).
ברזל יצוק מצופה אספלט -: 1.2 x 10 -4 מ '(4 x 10 -4 רגל).
- פלסטיק וזכוכית: 0.0 מ '.
ניתן להעריך את החספוס היחסי בידיעת קוטר הצינור המיוצר עם החומר המדובר. אם אתה מציין את החספוס המוחלט כ- e והקוטר כ- D, החספוס היחסי בא לידי ביטוי כ:
המשוואה לעיל מניחה צינור גלילי, אך אם לא, ניתן להשתמש בעוצמה הנקראת הרדיוס ההידראולי, בה מוחלף הקוטר בארבע פעמים בערך זה.
קביעת חספוס מוחלט
כדי למצוא את חספוס הצינורות, הוצעו מודלים אמפיריים שונים המתחשבים בגורמים גיאומטריים כמו צורת אי סדרים בקירות ופיזורם.
בסביבות שנת 1933, המהנדס הגרמני ג'יי ניקוראדס, תלמידו של לודוויג פראנדטל, מצפה צינורות עם גרגרי חול בגדלים שונים, שקטריהם הידועים הם בדיוק החספוס המוחלט e. Nikuradse טיפל בצינורות שעבורם ערכי e / D נעים בין 0.000985 ל- 0.0333,
בניסויים מבוקרים אלה חולקו החספוסים באופן אחיד, מה שלא היה המקרה בפועל. עם זאת, ערכים אלה של e הם עדיין קירוב טוב להערכת כיצד החספוס ישפיע על הפסדי החיכוך.
החספוס המצוין על ידי יצרן הצינור שווה למעשה לזה שנוצר באופן מלאכותי, בדיוק כמו שעשו ניקוראדס ומנסיינים אחרים. מסיבה זו ידוע לפעמים כחול שווה ערך.
זרימה למינרית וזרימה סוערת
חספוס הצינור הוא גורם חשוב מאוד שיש לקחת בחשבון בהתאם לקצב התנועה של הנוזל. הנוזלים שבהם הצמיגות רלוונטית יכולים לנוע במשטר למינרי או במשטר סוער.
בזרימה למינרית, בה הנוזל נע מסודר בשכבות, יש לאי סדרים במשטח הצינור פחות משקל ולכן לרוב אינם נלקחים בחשבון. במקרה זה צמיגות הנוזל היא זו שיוצרת מתחי גזירה בין השכבות הגורמים להפסדי אנרגיה.
דוגמאות לזרימה למינרית הן זרם מים שיוצא מהברז במהירות נמוכה, עשן מתחיל לשפוך ממקל קטורת מואר, או תחילתו של סילון דיו המוזרק לזרם מים, כפי שקבע אוסבורן ריינולדס. בשנת 1883.
במקום זאת, הזרימה הסוערת פחות מסודרת ויותר כאוטית. זוהי זרימה שבה התנועה אינה סדירה ולא מאוד ניתנת לחיזוי. דוגמא לכך הוא העשן ממקל הקטורת כשהוא מפסיק לנוע בצורה חלקה ומתחיל ליצור סדרה של חוכמות לא סדירות הנקראות סערבולנס.
הפרמטר המספרי חסר הממדים הנקרא ריינולדס מספר N R מציין אם לנוזל יש משטר כזה או אחר, על פי הקריטריונים הבאים:
אם N R <2000 הזרימה היא למינרית; אם N R > 4000 הזרימה סוערת. לגבי ערכי ביניים המשטר נחשב למעבר והתנועה אינה יציבה.
גורם החיכוך
גורם זה מאפשר למצוא את אובדן האנרגיה כתוצאה מחיכוך ותלוי רק במספר ריינולדס לזרימה למינרית, אך בזרימה סוערת קיים החספוס היחסי.
אם f הוא גורם החיכוך, יש משוואה אמפירית למצוא אותו, הנקראת משוואת Colebrook. זה תלוי בחספוס היחסי ובמספר ריינולדס, אך הרזולוציה שלו אינה קלה, מכיוון ש f לא ניתן במפורש:
זו הסיבה שנוצרו עקומות כמו דיאגרמת המודי, שמקלות למצוא את הערך של גורם החיכוך עבור מספר נתון של ריינולדס וחספוס יחסי. מבחינה אמפירית, הושגו משוואות שאמנם היו במפורש, והן די קרובות למשוואת קולוברוק.
צינורות הזדקנות
ישנה נוסחא אמפירית להעריך את גידול החספוס מוחלט המתרחש עקב שימוש, לדעת את הערך של e חספוס המפעל מוחלט o :
כאשר e הוא החספוס לאחר שנים שחלפו ו- α הוא מקדם עם יחידות של מ 'לשנה, אינץ' לשנה או רגל / שנה המכונה קצב העלייה השנתית בחספוס.
במקור מנוכה לצינורות ברזל יצוק אך עובד היטב עם סוגים אחרים של צינור העשוי ממתכת לא מצופה. באלה, pH של הנוזל חשוב מבחינת עמידותו, שכן מים אלקליין מצמצמים מאוד את הזרימה.
לעומת זאת, צינורות מצופים או פלסטיק, מלט ובטון חלק אינם חווים עלייה ניכרת בחספוס עם הזמן.
הפניות
- בליאדי, הוס. שבירה הידראולית בחירה כימית ועיצוב. התאושש מ: sciencedirect.com.
- Cimbala, C. 2006. מכניקת נוזלים, יסודות ויישומים. מק. היל גריי. 335-342.
- Franzini, J. 1999. מכניקת נוזלים עם יישום הינה בהנדסה. מק. היל גריי. 176-177.
- Mott, R. 2006. מכניקת נוזלים. רביעי. מַהֲדוּרָה. פירסון חינוך. 240-242.
- Ratnayaka, D. Hydraulics. התאושש מ: sciencedirect.com.