- أصل الخشونة
- قيم الخشونة لبعض المواد للاستخدام التجاري
- تحديد الخشونة المطلقة
- التدفق الصفحي والتدفق المضطرب
- عامل الاحتكاك
- شيخوخة الأنابيب
- المراجع
الخشونة النسبية والخشونة المطلقة هما مصطلحان يستخدمان لوصف مجموعة المخالفات الموجودة داخل الأنابيب التجارية التي تنقل السوائل. الخشونة المطلقة هي متوسط أو متوسط قيمة هذه المخالفات ، وتُترجم إلى متوسط التباين في نصف القطر الداخلي للأنبوب.
تعتبر الخشونة المطلقة خاصية للمادة المستخدمة وتقاس عادة بالمتر أو البوصة أو القدم. من جانبها ، فإن الخشونة النسبية هي الحاصل بين الخشونة المطلقة وقطر الأنبوب ، وبالتالي فهي كمية بلا أبعاد.
الشكل 1. أنابيب النحاس. المصدر: Pixabay.
تعتبر الخشونة النسبية مهمة لأن نفس الخشونة المطلقة لها تأثير ملحوظ على الأنابيب الرقيقة أكثر من تلك الكبيرة.
من الواضح أن خشونة الأنابيب تتعاون مع الاحتكاك ، مما يقلل بدوره من السرعة التي ينتقل بها السائل داخلها. في الأنابيب الطويلة جدًا ، قد يتوقف السائل عن الحركة.
لذلك من المهم للغاية تقييم الاحتكاك في تحليل التدفق ، لأنه للحفاظ على الحركة ، من الضروري ممارسة الضغط عن طريق المضخات. التعويض عن الخسائر يجعل من الضروري زيادة قوة المضخات ، مما يؤثر على التكاليف.
المصادر الأخرى لفقدان الضغط هي لزوجة السائل وقطر الأنبوب وطوله والقيود المحتملة ووجود الصمامات والمفاتيح والأكواع.
أصل الخشونة
لا يكون الجزء الداخلي من الأنبوب سلسًا وسلسًا تمامًا على المستوى المجهري. الجدران بها مخالفات في السطح تعتمد إلى حد كبير على المادة التي صنعت بها.
الشكل 2. خشونة داخل أنبوب. المصدر: عصامي.
علاوة على ذلك ، بعد أن تكون في الخدمة ، تزداد الخشونة بسبب الحجم والتآكل الناجم عن التفاعلات الكيميائية بين مادة الأنبوب والسائل. يمكن أن تتراوح هذه الزيادة بين 5 و 10 أضعاف قيمة خشونة المصنع.
تشير الأنابيب التجارية إلى قيمة الخشونة بالأمتار أو الأقدام ، على الرغم من أنه من الواضح أنها ستكون صالحة للأنابيب الجديدة والنظيفة ، لأنه بمجرد مرور الوقت ، ستغير الخشونة من قيمة المصنع.
قيم الخشونة لبعض المواد للاستخدام التجاري
فيما يلي قيم الخشونة المطلقة المقبولة عمومًا للأنابيب التجارية:
- النحاس والنحاس الأصفر والرصاص: 1.5 × 10-6 م (5 × 10-6 قدم).
- الحديد الزهر غير المطلي: 2.4 × 10-4 م (8 × 10 -4 قدم).
- الحديد المطاوع: 4.6 × 10-5 م (1.5 × 10-4 قدم).
- فولاذ برشام: 1.8 × 10 -3 م (6 × 10 -3 قدم).
- الصلب التجاري أو الصلب الملحوم: 4.6 × 10-5 م (1.5 × 10 -4 قدم).
- الحديد الزهر المبطن بالاسفلت: 1.2 × 10 -4 م (4 × 10 -4 قدم).
- بلاستيك وزجاج: 0.0 م (0.0 قدم).
يمكن تقييم الخشونة النسبية بمعرفة قطر الأنبوب المصنوع من المادة المعنية. إذا أشرت إلى الخشونة المطلقة كـ e والقطر كـ D ، فسيتم التعبير عن الخشونة النسبية على النحو التالي:
تفترض المعادلة أعلاه وجود أنبوب أسطواني ، ولكن إذا لم يكن الأمر كذلك ، فيمكن استخدام الحجم المسمى نصف القطر الهيدروليكي ، حيث يتم استبدال القطر بأربعة أضعاف هذه القيمة.
تحديد الخشونة المطلقة
للعثور على خشونة الأنابيب ، تم اقتراح نماذج تجريبية مختلفة تأخذ في الاعتبار العوامل الهندسية مثل شكل المخالفات في الجدران وتوزيعها.
حوالي عام 1933 ، قام المهندس الألماني ج. نيكورادس ، طالب من لودفيج براندتل ، بتغليف الأنابيب بحبيبات الرمل بأحجام مختلفة ، والتي تعرف أقطارها بدقة الخشونة المطلقة e. تعاملت Nikuradse مع الأنابيب التي تراوحت قيم e / D من 0.000985 إلى 0.0333 ،
في هذه التجارب التي تم التحكم فيها جيدًا ، تم توزيع الخشونة بشكل موحد ، وهذا ليس هو الحال في الممارسة العملية. ومع ذلك ، لا تزال قيم e تقديرًا تقريبيًا جيدًا لتقدير كيفية تأثير الخشونة على خسائر الاحتكاك.
إن الخشونة التي أشارت إليها الشركة المصنعة للأنبوب تعادل في الواقع الخشونة المصطنعة ، تمامًا كما فعل نيكورادس وغيره من المجربين. لهذا السبب يُعرف أحيانًا بالرمل المكافئ.
التدفق الصفحي والتدفق المضطرب
تعتبر خشونة الأنبوب عاملاً مهمًا للغاية يجب مراعاته اعتمادًا على معدل حركة السائل. يمكن أن تتحرك السوائل ذات الصلة باللزوجة في نظام رقائقي أو في نظام مضطرب.
في التدفق الصفحي ، حيث يتحرك السائل بشكل منظم في طبقات ، يكون للمخالفات الموجودة في سطح الأنبوب وزنًا أقل وبالتالي لا يتم أخذها في الاعتبار عادةً. في هذه الحالة ، فإن لزوجة المائع هي التي تخلق ضغوط القص بين الطبقات مما يتسبب في فقد الطاقة.
أمثلة على التدفق الصفحي هي تدفق المياه المتدفقة من الصنبور بسرعة منخفضة ، يبدأ الدخان بالتدفق من عود بخور مشتعل ، أو بداية نفث حبر يتم حقنه في مجرى مائي ، وفقًا لما حدده أوزبورن رينولدز في عام 1883.
بدلاً من ذلك ، يكون التدفق المضطرب أقل تنظيماً وأكثر فوضوية. إنه تدفق تكون فيه الحركة غير منتظمة ولا يمكن التنبؤ بها بشكل كبير. مثال على ذلك هو دخان عود البخور عندما يتوقف عن الحركة بسلاسة ويبدأ في تكوين سلسلة من الخصلات غير المنتظمة تسمى الاضطرابات.
تشير المعلمة العددية التي لا تحتوي على أبعاد والتي تسمى رقم رينولدز N R إلى ما إذا كان السائل له نظام أو آخر ، وفقًا للمعايير التالية:
إذا كان N R <2000 يكون التدفق رقائقيًا ؛ إذا كان N R > 4000 يكون التدفق مضطربًا. بالنسبة للقيم الوسيطة ، يعتبر النظام انتقالي والحركة غير مستقرة.
عامل الاحتكاك
يسمح هذا العامل بإيجاد فقدان الطاقة بسبب الاحتكاك ويعتمد فقط على رقم رينولدز للتدفق الصفحي ، ولكن في التدفق المضطرب ، تكون الخشونة النسبية موجودة.
إذا كانت f هي عامل الاحتكاك ، فهناك معادلة تجريبية للعثور عليه ، تسمى معادلة Colebrook. يعتمد ذلك على الخشونة النسبية ورقم رينولدز ، لكن حلها ليس سهلاً ، حيث أن f لم تُعطى صراحة:
هذا هو السبب في إنشاء منحنيات مثل مخطط مودي ، مما يجعل من السهل العثور على قيمة عامل الاحتكاك لرقم رينولدز المحدد والخشونة النسبية. تجريبيًا ، تم الحصول على المعادلات التي تحتوي على f صراحة ، وهي قريبة جدًا من معادلة Colebrook.
شيخوخة الأنابيب
هناك معادلة تجريبية لتقييم الزيادة في الخشونة المطلقة التي تحدث نتيجة الاستخدام ، مع معرفة قيمة الخشونة المطلقة للمصنع e o:
حيث e هي الخشونة بعد مرور t سنوات و α هو معامل بوحدات م / سنة ، بوصة / سنة أو قدم / سنة يسمى معدل الزيادة السنوية في الخشونة.
تم خصمها في الأصل لأنابيب الحديد الزهر ولكنها تعمل بشكل جيد مع الأنواع الأخرى من الأنابيب المصنوعة من المعدن غير المطلي. في هذه ، يكون الرقم الهيدروجيني للسائل مهمًا من حيث متانته ، لأن المياه القلوية تقلل التدفق بشكل كبير.
من ناحية أخرى ، لا تشهد الأنابيب المطلية أو البلاستيك والأسمنت والخرسانة الملساء زيادات ملحوظة في الخشونة بمرور الوقت.
المراجع
- بليدي ، حص. اختيار وتصميم المواد الكيميائية للتكسير الهيدروليكي. تم الاسترجاع من: sciencedirect.com.
- Cimbala، C. 2006. ميكانيكا الموائع ، الأساسيات والتطبيقات. مولودية. جراو هيل. 335 - 342.
- Franzini، J. 1999. ميكانيكا الموائع مع التطبيق في الهندسة. مولودية. جراو هيل176-177.
- موت ، ر. 2006. ميكانيكا الموائع. الرابعة. الإصدار. تعليم بيرسون. 240-242.
- راتناياكا ، د. الهيدروليكا. تم الاسترجاع من: sciencedirect.com.