ความหยาบสัมพัทธ์และสัมบูรณ์คืออะไร? - กายภาพ - 2026

ความหยาบสัมพัทธ์และความหยาบสัมบูรณ์เป็นคำศัพท์สองคำที่ใช้เพื่ออธิบายชุดของความผิดปกติที่มีอยู่ภายในท่อทางการค้าที่ขนส่งของเหลว ค่าความหยาบสัมบูรณ์คือค่าเฉลี่ยหรือค่าเฉลี่ยของความผิดปกติเหล่านี้ซึ่งแปลเป็นค่าความแปรผันของรัศมีภายในของท่อ

ความหยาบสัมบูรณ์ถือเป็นคุณสมบัติของวัสดุที่ใช้และโดยปกติจะวัดเป็นเมตรนิ้วหรือฟุต ในส่วนของมันความหยาบสัมพัทธ์คือผลหารระหว่างความหยาบสัมบูรณ์และเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อดังนั้นจึงเป็นปริมาณที่ไม่มีมิติ

รูปที่ 1. ท่อทองแดง ที่มา: Pixabay

ความหยาบสัมพัทธ์มีความสำคัญเนื่องจากความหยาบสัมบูรณ์ที่เท่ากันมีผลต่อท่อบางมากกว่าท่อขนาดใหญ่

เห็นได้ชัดว่าความขรุขระของท่อทำงานร่วมกับแรงเสียดทานซึ่งจะช่วยลดความเร็วที่ของเหลวเคลื่อนที่ภายในท่อ ในท่อที่ยาวมากของเหลวอาจหยุดเคลื่อนไหวด้วยซ้ำ

ดังนั้นจึงเป็นเรื่องสำคัญมากในการประเมินแรงเสียดทานในการวิเคราะห์การไหลเนื่องจากเพื่อรักษาการเคลื่อนไหวจึงจำเป็นต้องใช้แรงดันโดยใช้ปั๊ม การชดเชยความสูญเสียทำให้จำเป็นต้องเพิ่มกำลังของปั๊มซึ่งส่งผลต่อต้นทุน

แหล่งที่มาของการสูญเสียแรงดันอื่น ๆ ได้แก่ ความหนืดของของเหลวเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อความยาวการหดตัวที่เป็นไปได้และการมีวาล์วก๊อกและข้อศอก

ต้นกำเนิดของความหยาบ

ภายในท่อจะไม่เรียบและเรียบสนิทในระดับจุลภาค ผนังมีความผิดปกติในพื้นผิวซึ่งขึ้นอยู่กับวัสดุที่ทำขึ้นในระดับมาก

รูปที่ 2. ความหยาบภายในท่อ ที่มา: self made.

นอกจากนี้หลังจากเข้ารับบริการแล้วความหยาบจะเพิ่มขึ้นเนื่องจากคราบตะกรันและการกัดกร่อนที่เกิดจากปฏิกิริยาทางเคมีระหว่างวัสดุท่อกับของเหลว การเพิ่มขึ้นนี้อาจอยู่ในช่วงระหว่าง 5 ถึง 10 เท่าของค่าความหยาบของโรงงาน

ท่อเชิงพาณิชย์ระบุค่าความหยาบเป็นเมตรหรือฟุตแม้ว่าจะเห็นได้ชัดว่าจะใช้ได้กับท่อใหม่และสะอาดเพราะทันทีที่เวลาผ่านไปความหยาบจะเปลี่ยนมูลค่าโรงงาน

ค่าความหยาบของวัสดุบางชนิดสำหรับใช้ในเชิงพาณิชย์

ด้านล่างนี้เป็นค่าความหยาบสัมบูรณ์ที่ยอมรับโดยทั่วไปสำหรับท่อเชิงพาณิชย์:

- ทองแดงทองเหลืองและตะกั่ว: 1.5 x 10 ^-6ม. (5 x 10 ^-6ฟุต)

- เหล็กหล่อไม่เคลือบผิว: 2.4 x 10 ^-4ม. (8 x 10 ^-4ฟุต)

- เหล็กดัด: 4.6 x 10 ^-5ม. (1.5 x 10 ^-4ฟุต)

- เหล็กตอกหมุด: 1.8 x ^10-3ม. (6 x 10 ^-3ฟุต)

- เหล็กเชิงพาณิชย์หรือเหล็กเชื่อม: 4.6 x 10 ^-5ม. (1.5 x 10 ^-4ฟุต)

- เหล็กหล่อแอสฟัลต์เรียงราย: 1.2 x 10 ^-4ม. (4 x 10 ^-4ฟุต)

- พลาสติกและแก้ว: 0.0 ม. (0.0 ฟุต)

ความหยาบสัมพัทธ์สามารถประเมินได้เมื่อทราบเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อที่ทำจากวัสดุที่เป็นปัญหา หากคุณแสดงความหยาบสัมบูรณ์เป็น e และเส้นผ่านศูนย์กลางเป็น D ความหยาบสัมพัทธ์จะแสดงเป็น:

สมการข้างต้นถือว่าท่อทรงกระบอก แต่ถ้าไม่เป็นเช่นนั้นสามารถใช้ขนาดที่เรียกว่ารัศมีไฮดรอลิกซึ่งเส้นผ่านศูนย์กลางจะถูกแทนที่ด้วยค่านี้สี่เท่า

การกำหนดความหยาบสัมบูรณ์

เพื่อค้นหาความขรุขระของท่อจึงมีการเสนอแบบจำลองเชิงประจักษ์ต่างๆที่คำนึงถึงปัจจัยทางเรขาคณิตเช่นรูปร่างของความผิดปกติในผนังและการกระจาย

ประมาณปีพ. ศ. 2476 J. Nikuradse วิศวกรชาวเยอรมันนักเรียนของ Ludwig Prandtl ได้เคลือบท่อด้วยเม็ดทรายที่มีขนาดแตกต่างกันซึ่งเส้นผ่านศูนย์กลางที่ทราบคือความหยาบสัมบูรณ์ Nikuradse จัดการไปป์ซึ่งค่า e / D อยู่ระหว่าง 0.000985 ถึง 0.0333

ในการทดลองที่มีการควบคุมอย่างดีเหล่านี้ความหยาบมีการกระจายอย่างสม่ำเสมอซึ่งไม่เป็นเช่นนั้นในทางปฏิบัติ อย่างไรก็ตามค่า e เหล่านี้ยังคงเป็นค่าประมาณที่ดีในการประมาณว่าความหยาบจะมีผลต่อการสูญเสียแรงเสียดทานอย่างไร

ความหยาบที่ระบุโดยผู้ผลิตไปป์นั้นเทียบเท่ากับที่สร้างขึ้นโดยเทียมเช่นเดียวกับที่ Nikuradse และนักทดลองคนอื่น ๆ ทำ ด้วยเหตุนี้บางครั้งจึงเรียกว่าทรายเทียบเท่า

การไหลแบบลามินาร์และการไหลเชี่ยว

ความหยาบของท่อเป็นปัจจัยสำคัญมากที่ต้องพิจารณาขึ้นอยู่กับอัตราการเคลื่อนที่ของของเหลว ของเหลวที่มีความหนืดเกี่ยวข้องสามารถเคลื่อนที่ได้ในระบอบการปกครองแบบลามินาร์หรือในระบบที่ปั่นป่วน

ในการไหลแบบลามินาร์ซึ่งของเหลวเคลื่อนที่อย่างเป็นระเบียบเป็นชั้น ๆ ความผิดปกติของพื้นผิวของท่อจะมีน้ำหนักน้อยกว่าดังนั้นจึงมักไม่นำมาพิจารณา ในกรณีนี้เป็นความหนืดของของเหลวที่สร้างแรงเฉือนระหว่างชั้นทำให้สูญเสียพลังงาน

ตัวอย่างของการไหลแบบลามินาร์คือกระแสน้ำที่ไหลออกมาจากก๊อกน้ำด้วยความเร็วต่ำควันเริ่มพวยพุ่งจากก้านธูปที่จุดไฟหรือจุดเริ่มต้นของการฉีดพ่นหมึกลงในกระแสน้ำตามที่ Osborne Reynolds กำหนด ในปีพ. ศ. 2426

แต่กระแสที่ไหลเชี่ยวจะไม่เป็นระเบียบและวุ่นวายมากขึ้น เป็นการไหลที่การเคลื่อนไหวผิดปกติและไม่สามารถคาดเดาได้มากนัก ตัวอย่างคือควันจากก้านธูปเมื่อมันหยุดเคลื่อนไหวอย่างราบรื่นและเริ่มก่อตัวเป็นกระจุกที่ผิดปกติเรียกว่าความปั่นป่วน

พารามิเตอร์ตัวเลขไร้มิติที่เรียกว่า Reynolds number N _Rบ่งชี้ว่าของไหลมีระบอบการปกครองอย่างใดอย่างหนึ่งตามเกณฑ์ต่อไปนี้:

ถ้า N _R <2000 การไหลจะเป็นแบบลามินาร์ ถ้า N _R > 4000 กระแสจะปั่นป่วน สำหรับค่ากลางระบอบการปกครองถือเป็นการเปลี่ยนผ่านและการเคลื่อนไหวไม่เสถียร

ปัจจัยแรงเสียดทาน

ปัจจัยนี้ช่วยให้สามารถค้นหาการสูญเสียพลังงานเนื่องจากแรงเสียดทานและขึ้นอยู่กับหมายเลขเรย์โนลด์สำหรับการไหลแบบลามินาร์เท่านั้น แต่ในการไหลแบบปั่นป่วนความหยาบสัมพัทธ์จะมีอยู่

ถ้า f คือตัวประกอบความเสียดทานมีสมการเชิงประจักษ์ที่จะหาได้เรียกว่าสมการโคลบรูค ขึ้นอยู่กับความหยาบสัมพัทธ์และจำนวนเรย์โนลด์ แต่ความละเอียดไม่ใช่เรื่องง่ายเนื่องจาก f ไม่ได้ระบุไว้อย่างชัดเจน:

นั่นคือเหตุผลที่เส้นโค้งเช่นแผนภาพ Moody ถูกสร้างขึ้นซึ่งทำให้ง่ายต่อการหาค่าของปัจจัยแรงเสียดทานสำหรับจำนวนเรย์โนลด์ที่กำหนดและความหยาบสัมพัทธ์ ในเชิงประจักษ์ได้รับสมการที่มี f อย่างชัดเจนซึ่งค่อนข้างใกล้เคียงกับสมการโคลบรูค

ท่อผู้สูงอายุ

มีสูตรเชิงประจักษ์ในการประเมินการเพิ่มขึ้นของความหยาบสัมบูรณ์ที่เกิดขึ้นเนื่องจากการใช้งานโดยทราบค่าของความหยาบสัมบูรณ์ของโรงงาน e _o :

โดยที่ e คือความหยาบหลังจากเวลาผ่านไป t ปีและαคือค่าสัมประสิทธิ์ที่มีหน่วย m / ปีนิ้ว / ปีหรือฟุต / ปีเรียกว่าอัตราการเพิ่มขึ้นของความหยาบต่อปี

เดิมหักสำหรับท่อเหล็กหล่อ แต่ใช้ได้ดีกับท่อประเภทอื่นที่ทำจากโลหะไม่เคลือบผิว ด้วยเหตุนี้ pH ของของเหลวจึงมีความสำคัญในแง่ของความทนทานเนื่องจากน้ำอัลคาไลน์จะลดการไหลลงอย่างมาก

ในทางกลับกันท่อเคลือบหรือพลาสติกซีเมนต์และคอนกรีตเรียบจะไม่พบความหยาบเพิ่มขึ้นอย่างเห็นได้ชัดเมื่อเวลาผ่านไป

อ้างอิง

1. Belyadi, Hoss. การเลือกและออกแบบสารเคมีแตกหักไฮดรอลิก ดึงมาจาก: sciencedirect.com.
2. Cimbala, C. 2006. กลศาสตร์ของไหลความรู้พื้นฐานและการประยุกต์ใช้. Mc. Graw Hill 335-334
3. Franzini, J. 1999. Fluid Mechanics with Application is in Engineering. Mc. Graw Hill. 176-177.
4. Mott, R. 2549. กลศาสตร์ของไหล. อันดับ 4 ฉบับ การศึกษาของเพียร์สัน. 240-242.
5. รัตนยากะง. ชลศาสตร์. ดึงมาจาก: sciencedirect.com.