APAKAH KEKASARAN RELATIF DAN MUTLAK? - FIZIKAL - 2025

Kekasaran relatif dan kekasaran mutlak adalah dua istilah yang digunakan untuk menggambarkan kumpulan penyelewengan yang ada di dalam paip komersial yang mengangkut cecair. Kekasaran mutlak adalah nilai min atau rata-rata penyimpangan ini, yang diterjemahkan ke dalam variasi min jejari dalaman paip.

Kekasaran mutlak dianggap milik bahan yang digunakan dan biasanya diukur dalam meter, inci, atau kaki. Sebaliknya, kekasaran relatif adalah hasil antara kekasaran mutlak dan diameter paip, oleh itu kuantiti tanpa dimensi.

Rajah 1. Paip tembaga. Sumber: Pixabay.

Kekasaran relatif adalah penting kerana kekasaran mutlak yang sama mempunyai kesan yang lebih ketara pada paip nipis daripada yang besar.

Jelasnya kekasaran paip bekerjasama dengan geseran, yang seterusnya mengurangkan kelajuan pergerakan cecair di dalamnya. Dalam paip yang sangat panjang, cecair mungkin berhenti bergerak.

Oleh itu, sangat penting untuk menilai geseran dalam analisis aliran, kerana untuk mengekalkan pergerakan, perlu dilakukan tekanan dengan menggunakan pam. Mengimbangi kerugian menjadikannya perlu meningkatkan kuasa pam, yang mempengaruhi kos.

Punca kehilangan tekanan yang lain adalah kelikatan cecair, diameter tiub, panjangnya, kemungkinan penyempitan dan kehadiran injap, paip dan siku.

Asal kekasaran

Bahagian dalam paip tidak pernah sempurna dan licin pada tahap mikroskopik. Dinding mempunyai penyimpangan di permukaan yang sangat bergantung pada bahan yang dengannya dibuat.

Rajah 2. Kekasaran di dalam paip. Sumber: buatan sendiri.

Selanjutnya, setelah digunakan, kekasaran meningkat kerana skala dan kakisan disebabkan oleh tindak balas kimia antara bahan paip dan bendalir. Kenaikan ini boleh berkisar antara 5 hingga 10 kali ganda nilai kekasaran kilang.

Paip komersial menunjukkan nilai kekasaran dalam meter atau kaki, walaupun jelas ia akan berlaku untuk paip yang baru dan bersih, kerana sebaik sahaja masa berlalu, kekasaran akan mengubah nilai kilangnya.

Nilai kekasaran untuk beberapa bahan untuk kegunaan komersial

Berikut adalah nilai kekasaran mutlak yang biasa diterima untuk paip komersial:

- Tembaga, kuningan dan plumbum: 1.5 x 10 ^-6 m (5 x 10 ^-6 kaki).

- Besi tuang tidak bersalut: 2,4 x 10 ^-4 m (8 x 10 ^-4 kaki).

- Besi tempa: 4,6 x 10 ^-5 m (1,5 x 10 ^-4 kaki).

- Keluli terpaku: 1,8 x 10 ^-3 m (6 x 10 ^-3 kaki).

- Keluli komersial atau keluli yang dikimpal: 4,6 x 10 ^-5 m (1,5 x 10 ^-4 kaki).

- Besi tuang berlapis aspal: 1.2 x 10 ^-4 m (4 x 10 ^-4 kaki).

- Plastik dan gelas: 0,0 m (0,0 kaki).

Kekasaran relatif dapat dinilai mengetahui diameter paip yang dibuat dengan bahan yang dimaksudkan. Sekiranya anda menunjukkan kekasaran mutlak sebagai e dan diameter sebagai D, kekasaran relatif dinyatakan sebagai:

Persamaan di atas mengandaikan paip silinder, tetapi jika tidak, magnitud yang disebut jejari hidraulik dapat digunakan, di mana diameternya digantikan dengan empat kali nilai ini.

Penentuan kekasaran mutlak

Untuk mengetahui kekasaran paip, pelbagai model empirik telah dicadangkan yang mengambil kira faktor geometri seperti bentuk penyelewengan di dinding dan penyebarannya.

Sekitar tahun 1933, jurutera Jerman J. Nikuradse, pelajar Ludwig Prandtl, melapisi paip dengan butiran pasir dengan ukuran yang berbeza, yang diameternya diketahui adalah kekasaran mutlak e. Paip kendali Nikuradse yang nilai e / Dnya berkisar antara 0,000985 hingga 0,0333,

Dalam eksperimen yang dikendalikan dengan baik ini, kekasaran diedarkan secara seragam, yang tidak berlaku dalam praktiknya. Walau bagaimanapun, nilai e ini masih merupakan penghampiran yang baik untuk menganggarkan bagaimana kekasaran akan mempengaruhi kerugian geseran.

Kekasaran yang ditunjukkan oleh pengeluar paip sebenarnya setara dengan yang dibuat secara buatan, seperti yang dilakukan oleh Nikuradse dan eksperimen lain. Atas sebab ini kadang-kadang dikenali sebagai pasir yang setara.

Aliran lamina dan aliran bergelora

Kekasaran paip adalah faktor yang sangat penting untuk dipertimbangkan bergantung pada kadar pergerakan bendalir. Cecair di mana kelikatannya relevan dapat bergerak dalam rejim lamina atau dalam keadaan bergolak.

Dalam aliran laminar, di mana bendalir bergerak dengan teratur dalam lapisan, penyimpangan pada permukaan paip mempunyai berat badan yang lebih rendah dan oleh itu biasanya tidak diambil kira. Dalam kes ini, kelikatan cecair yang menyebabkan tegangan ricih di antara lapisan menyebabkan kehilangan tenaga.

Contoh aliran lamina adalah aliran air yang keluar dari keran pada kelajuan rendah, asap mulai terpancut dari tongkat dupa yang menyala, atau permulaan jet dakwat yang disuntikkan ke dalam aliran air, seperti yang ditentukan oleh Osborne Reynolds pada tahun 1883.

Sebaliknya, aliran bergelora kurang teratur dan lebih huru-hara. Ini adalah aliran di mana pergerakannya tidak teratur dan tidak dapat diramalkan. Contohnya ialah asap dari batang dupa ketika berhenti bergerak dengan lancar dan mula membentuk serangkaian gumpalan tidak teratur yang disebut turbulensi.

Parameter berangka tanpa dimensi yang disebut Reynolds number N _R menunjukkan sama ada bendalir mempunyai satu atau satu rejim lain, mengikut kriteria berikut:

Sekiranya N _R <2000 alirannya adalah lamina; Sekiranya N _R > 4000 aliran bergelora. Untuk nilai pertengahan, rejim dianggap peralihan dan pergerakannya tidak stabil.

Faktor geseran

Faktor ini memungkinkan untuk mencari kehilangan tenaga kerana geseran dan hanya bergantung pada bilangan Reynolds untuk aliran laminar, tetapi dalam aliran bergelora, kekasaran relatif ada.

Sekiranya f adalah faktor geseran, ada persamaan empirik untuk mencarinya, yang disebut persamaan Colebrook. Ia bergantung pada kekasaran relatif dan bilangan Reynolds, tetapi penyelesaiannya tidak mudah, kerana f tidak diberikan secara eksplisit:

Itulah sebabnya lengkung seperti gambar rajah Moody telah dibuat, yang memudahkan untuk mencari nilai faktor geseran untuk nombor Reynolds dan kekasaran relatif. Secara empirikal, persamaan yang jelas telah diperoleh, yang cukup dekat dengan persamaan Colebrook.

Paip penuaan

Terdapat formula empirik untuk menilai peningkatan dalam kekasaran mutlak yang berlaku akibat penggunaan, mengetahui nilai kilang kekasaran mutlak e _o :

Di mana e adalah kekasaran setelah t tahun berlalu dan α adalah pekali dengan unit m / tahun, inci / tahun atau kaki / tahun yang disebut peningkatan tahunan dalam indeks kekasaran.

Pada asalnya dipotong untuk paip besi tuang tetapi berfungsi dengan baik dengan jenis paip lain yang diperbuat daripada logam yang tidak dilapisi. Di dalamnya, pH bendalir adalah penting dari segi ketahanannya, kerana perairan beralkali sangat mengurangkan alirannya.

Sebaliknya, paip atau plastik bersalut, simen dan konkrit licin tidak mengalami peningkatan kekasaran yang ketara dengan masa.

Rujukan

1. Belyadi, Hoss. Pemilihan dan Reka Bentuk Kimia Pecahan Hidraulik. Dipulihkan dari: sciencedirect.com.
2. Cimbala, C. 2006. Mekanik, Asas dan Aplikasi Fluida. Mc. Bukit Graw. 335- 342.
3. Franzini, J. 1999. Mekanik Fluida dengan Aplikasi adalah dalam Kejuruteraan. Mc. Bukit Graw.176-177.
4. Mott, R. 2006. Mekanik Bendalir. Ke-4. Edisi. Pendidikan Pearson. 240-242.
5. Ratnayaka, D. Hidraulik. Dipulihkan dari: sciencedirect.com.