WAS IST RELATIVE UND ABSOLUTE RAUHEIT? - KÖRPERLICH - 2025

Relative Rauheit und absolute Rauheit sind zwei Begriffe, die verwendet werden, um die Menge von Unregelmäßigkeiten zu beschreiben, die in kommerziellen Rohren vorhanden sind, die Flüssigkeiten transportieren. Die absolute Rauheit ist der Mittelwert oder Durchschnittswert dieser Unregelmäßigkeiten, umgerechnet in die mittlere Variation des Innenradius des Rohrs.

Die absolute Rauheit wird als Eigenschaft des verwendeten Materials angesehen und normalerweise in Metern, Zoll oder Fuß gemessen. Die relative Rauheit ist ihrerseits der Quotient zwischen der absoluten Rauheit und dem Rohrdurchmesser und daher eine dimensionslose Größe.

Abbildung 1. Kupferrohre. Quelle: Pixabay.

Die relative Rauheit ist wichtig, da die gleiche absolute Rauheit bei dünnen Rohren einen deutlicheren Effekt hat als bei großen.

Offensichtlich wirkt sich die Rauheit der Rohre auf die Reibung aus, was wiederum die Geschwindigkeit verringert, mit der sich die Flüssigkeit in ihnen bewegt. In sehr langen Rohren kann die Flüssigkeit sogar aufhören, sich zu bewegen.

Daher ist es sehr wichtig, die Reibung in der Durchflussanalyse zu bewerten, da zur Aufrechterhaltung der Bewegung Druck mit Hilfe von Pumpen ausgeübt werden muss. Der Ausgleich von Verlusten macht es erforderlich, die Leistung der Pumpen zu erhöhen, was sich auf die Kosten auswirkt.

Andere Quellen für Druckverlust sind die Viskosität des Fluids, der Durchmesser des Rohrs, seine Länge, mögliche Verengungen und das Vorhandensein von Ventilen, Gewindebohrern und Bögen.

Ursprung der Rauheit

Das Innere des Rohrs ist auf mikroskopischer Ebene niemals vollständig glatt und glatt. Die Wände weisen Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche auf, die in hohem Maße vom Material abhängen, aus dem sie hergestellt sind.

Abbildung 2. Rauheit in einem Rohr. Quelle: selbst gemacht.

Darüber hinaus nimmt die Rauheit nach dem Betrieb aufgrund von Zunder und Korrosion zu, die durch chemische Reaktionen zwischen dem Rohrmaterial und der Flüssigkeit verursacht werden. Diese Erhöhung kann zwischen dem 5- und 10-fachen des Werts der Werksrauheit liegen.

Handelsübliche Rohre geben den Rauheitswert in Metern oder Fuß an, obwohl sie offensichtlich für neue und saubere Rohre gelten, da die Rauheit im Laufe der Zeit ihren Werkswert ändert.

Rauheitswerte für einige Materialien für den gewerblichen Gebrauch

Nachfolgend sind die allgemein akzeptierten absoluten Rauheitswerte für handelsübliche Rohre aufgeführt:

- Kupfer, Messing und Blei: 1,5 x 10 ^-6 m (5 x 10 ^-6 ft).

- Unbeschichtetes Gusseisen: 2,4 x 10 ^-4 m (8 x 10 ^-4 ft).

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

- Genieteter Stahl: 1,8 x 10 ^-3 m (6 x 10 ^-3 ft).

- Handelsstahl oder geschweißter Stahl: 4,6 x 10 ^-5 m (1,5 x 10 ^-4 ft).

- Mit Asphalt ausgekleidetes Gusseisen: 1,2 x 10 ^-4 m (4 x 10 ^-4 ft).

- Kunststoff und Glas: 0,0 m.

Die relative Rauheit kann unter Kenntnis des Rohrdurchmessers bewertet werden, der mit dem betreffenden Material hergestellt wurde. Wenn Sie die absolute Rauheit als e und den Durchmesser als D bezeichnen, wird die relative Rauheit ausgedrückt als:

Die obige Gleichung nimmt ein zylindrisches Rohr an, aber wenn nicht, kann die als hydraulischer Radius bezeichnete Größe verwendet werden, bei der der Durchmesser das Vierfache dieses Wertes ersetzt.

Bestimmung der absoluten Rauheit

Um die Rauheit der Rohre zu ermitteln, wurden verschiedene empirische Modelle vorgeschlagen, die geometrische Faktoren wie die Form der Unregelmäßigkeiten in den Wänden und ihre Verteilung berücksichtigen.

Um 1933 beschichtete der deutsche Ingenieur J. Nikuradse, ein Schüler Ludwig Prandtls, Rohre mit Sandkörnern unterschiedlicher Größe, deren bekannte Durchmesser genau die absolute Rauheit e sind. Nikuradse handhabte Rohre, für die die E / D-Werte zwischen 0,000985 und 0,0333 lagen.

In diesen gut kontrollierten Experimenten waren die Rauheiten gleichmäßig verteilt, was in der Praxis nicht der Fall ist. Diese Werte von e sind jedoch immer noch eine gute Annäherung, um abzuschätzen, wie die Rauheit die Reibungsverluste beeinflusst.

Die vom Hersteller eines Rohrs angegebene Rauheit entspricht tatsächlich der künstlich erzeugten, genau wie Nikuradse und andere Experimentatoren. Aus diesem Grund wird es manchmal als äquivalenter Sand bezeichnet.

Laminare Strömung und turbulente Strömung

Die Rauheit des Rohrs ist ein sehr wichtiger Faktor, der in Abhängigkeit von der Bewegungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit zu berücksichtigen ist. Die Flüssigkeiten, in denen die Viskosität relevant ist, können sich in einem laminaren Regime oder in einem turbulenten Regime bewegen.

Bei laminarer Strömung, bei der sich das Fluid in Schichten geordnet bewegt, haben die Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche des Rohrs ein geringeres Gewicht und werden daher normalerweise nicht berücksichtigt. In diesem Fall ist es die Viskosität des Fluids, die Scherspannungen zwischen den Schichten erzeugt, die Energieverluste verursachen.

Beispiele für laminare Strömung sind ein Wasserstrahl, der mit niedriger Geschwindigkeit aus dem Wasserhahn austritt, der Rauch, der aus einem brennenden Räucherstäbchen zu sprudeln beginnt, oder der Beginn eines Tintenstrahls, der in einen Wasserstrahl injiziert wird, wie von Osborne Reynolds bestimmt im Jahr 1883.

Stattdessen ist die turbulente Strömung weniger geordnet und chaotischer. Es ist ein Fluss, in dem die Bewegung unregelmäßig und nicht sehr vorhersehbar ist. Ein Beispiel ist der Rauch des Räucherstäbchens, wenn er sich nicht mehr reibungslos bewegt und eine Reihe unregelmäßiger Streifen bildet, die als Turbulenzen bezeichnet werden.

Der dimensionslose numerische Parameter mit der Reynolds-Zahl N _R gibt an, ob das Fluid das folgende Regime gemäß den folgenden Kriterien aufweist:

Wenn N _R <2000 ist, ist die Strömung laminar; Wenn N _R > 4000 ist, ist die Strömung turbulent. Bei Zwischenwerten gilt das Regime als vorübergehend und die Bewegung ist instabil.

Der Reibungsfaktor

Dieser Faktor ermöglicht das Auffinden des Energieverlusts aufgrund von Reibung und hängt nur von der Reynolds-Zahl für laminare Strömung ab, aber bei turbulenter Strömung ist die relative Rauheit vorhanden.

Wenn f der Reibungsfaktor ist, gibt es eine empirische Gleichung, die als Colebrook-Gleichung bezeichnet wird. Es hängt von der relativen Rauheit und der Reynolds-Zahl ab, aber seine Auflösung ist nicht einfach, da f nicht explizit angegeben wird:

Aus diesem Grund wurden Kurven wie das Moody-Diagramm erstellt, mit denen der Wert des Reibungsfaktors für eine bestimmte Reynolds-Zahl und relative Rauheit leicht ermittelt werden kann. Empirisch wurden Gleichungen erhalten, die f explizit haben, die der Colebrook-Gleichung ziemlich nahe kommen.

Alternde Rohre

Es gibt eine empirische Formel zur Bewertung der Zunahme der absoluten Rauheit, die aufgrund der Verwendung auftritt, unter Kenntnis des Werts der absoluten Rauheit der Fabrik e _o :

Wobei e die Rauheit nach Ablauf von t Jahren ist und α ein Koeffizient mit Einheiten von m / Jahr, Zoll / Jahr oder Fuß / Jahr ist, der als Rate der jährlichen Zunahme der Rauheit bezeichnet wird.

Ursprünglich für Gusseisenrohre abgezogen, funktioniert aber gut mit anderen Rohrtypen aus unbeschichtetem Metall. Bei diesen ist der pH-Wert der Flüssigkeit im Hinblick auf ihre Haltbarkeit wichtig, da alkalisches Wasser den Durchfluss stark verringert.

Auf der anderen Seite erfahren beschichtete Rohre oder Kunststoff, Zement und glatter Beton mit der Zeit keine merkliche Zunahme der Rauheit.

Verweise

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