Шероховатость абсолютная и относительная. Понятие о механизме турбулентного течения в гидравлически гладких и шероховатых трубах.
### Шероховатость: абсолютная и относительная
Шероховатость — совокупность неровностей поверхности с относительно малыми шагами на базовой длине.
1. Абсолютная шероховатость (k):
-
Это измерение средней высоты неровностей
поверхности относительно ее среднего
уровня. Абсолютная шероховатость
является физической характеристикой
конкретного материала и его обработки.
2. Относительная шероховатость (ε):
- Это отношение абсолютной шероховатости к Ø трубы. Относительная шероховатость позволяет сравнивать шероховатость различных материалов и Ø труб, что делает её более универсальной характеристикой.
- Формула:
ε/=d/КЭ,
где КЭ – эквивалентная равнозернистая шероховатость, значения которой приводятся в справочниках .
# Механизм турбулентного течения. Турбулентное течение жидкости в трубах может существенно различаться в зависимости от шероховатости стенок. Рассмотрим механизмы течения в гидравлически гладких и шероховатых трубах:
#### 1. Гидравлически гладкие трубы
- Определение: Трубы с низкой абсолютной шероховатостью (например, пластиковые или хорошо обработанные стальные трубы).
- Механизм течения: В гидравлически гладких трубах турбулентное течение характеризуется стабильными вихревыми структурами, которые формируются на достаточно большом расстоянии от входа потока.
- Поток становится турбулентным при Re>4000), где происходит переход от ламинарного к турбулентному режиму.
- В таких трубах происходит меньшее количество потерь на трение по сравнению с шероховатыми трубами, так как менее выраженные вихри не создают дополнительных сопротивлений.
#### 2. Шероховатые трубы
- Определение: Трубы с высокой абсолютной шероховатостью (например, трубы из черного металла с коррозией или бетонные трубы).
- Механизм течения: В шероховатых трубах турбулентное течение начинается при более низких значениях числа Рейнольдса из-за воздействия неровностей на стенках.
- Шероховатость вызывает дополнительное сопротивление потоку, так как вихри и завихрения, возникающие вблизи стенок, становятся более интенсивными.
- Это приводит к увеличению потерь на трение и ухудшению характеристик потока.
Потери напора на трение при турбулентном движении. Формула Дарси-Вейсбаха.
# Потери напора на трение в трубопроводах при турбулентном движении связаны с действием силы сопротивления, возникающей из-за взаимодействия жидкости с шероховатой поверхностью трубы. Эти потери можно количественно оценить с помощью уравнения Darcy-Weisbach, которое связывает потерю напора с длиной трубы, диаметром, скоростью потока и характеристиками жидкости.
#Основные понятия
1. Потеря напора на трение. Потеря напора на трение определяется как разница в давлении между двумя точками в трубе, обусловленная сопротивлением, которое испытывает жидкость.
2. Коэффициент трения. Коэффициент трения в турбулентном режиме зависит от относительной шероховатости трубы и числа Рейнольдса .
Критическое число Рейнольдса: Для трубопроводов переход от ламинарного к турбулентному течению происходит примерно при числе Рейнольдса (Re˃4000). В турбулентном режиме потери на трение обычно значительно выше, чем в ламинарном.
Зависимость от скорости потока: Потери напора на трение увеличиваются с ростом скорости потока. При высоких значениях скорости характерные турбулентные возмущения становятся более значительными, вызывая дополнительные потери.
Влияние шероховатости: Чем больше шероховатость трубы, тем выше коэффициент трения, и, соответственно, потери на трение. Это делает управление шероховатостью поверхности критически важным для снижения потерь в трубопроводах.