ĐỘ NHÁM TƯƠNG ĐỐI VÀ ĐỘ NHÁM TUYỆT ĐỐI LÀ GÌ? - VẬT LÝ - 2026

Độ nhám tương đối và độ nhám tuyệt đối là hai thuật ngữ được sử dụng để mô tả tập hợp các điểm bất thường tồn tại bên trong các đường ống thương mại vận chuyển chất lỏng. Độ nhám tuyệt đối là giá trị trung bình hoặc giá trị trung bình của những điểm không đều này, được chuyển thành sự thay đổi trung bình của bán kính bên trong của ống.

Độ nhám tuyệt đối được coi là một thuộc tính của vật liệu được sử dụng và thường được đo bằng mét, inch hoặc feet. Về phần mình, độ nhám tương đối là thương số giữa độ nhám tuyệt đối và đường kính của ống, do đó, là một đại lượng không thứ nguyên.

Hình 1. Ống đồng. Nguồn: Pixabay.

Độ nhám tương đối rất quan trọng vì cùng độ nhám tuyệt đối có ảnh hưởng rõ rệt hơn đối với các ống mỏng hơn là các ống lớn.

Rõ ràng là độ nhám của đường ống cộng tác với ma sát, do đó làm giảm tốc độ chất lỏng di chuyển bên trong chúng. Trong các đường ống rất dài, chất lỏng thậm chí có thể ngừng di chuyển.

Do đó, điều rất quan trọng là đánh giá ma sát trong phân tích dòng chảy, vì để duy trì chuyển động, cần phải tạo áp suất bằng máy bơm. Việc bù lỗ khiến phải tăng công suất máy bơm, ảnh hưởng đến chi phí.

Các nguồn tổn thất áp suất khác là độ nhớt của chất lỏng, đường kính của ống, chiều dài của nó, sự co thắt có thể xảy ra và sự hiện diện của van, vòi và khuỷu.

Nguồn gốc của độ nhám

Bên trong đường ống không bao giờ hoàn toàn nhẵn và mịn ở cấp độ vi mô. Các bức tường có những bất thường trên bề mặt phụ thuộc rất nhiều vào vật liệu mà chúng được tạo ra.

Hình 2. Độ nhám bên trong đường ống. Nguồn: tự làm.

Hơn nữa, sau khi đi vào hoạt động, độ nhám tăng lên do đóng cặn và ăn mòn do phản ứng hóa học giữa vật liệu làm ống và chất lỏng. Mức tăng này có thể dao động từ 5 đến 10 lần giá trị độ nhám của nhà máy.

Các đường ống thương mại cho biết giá trị độ nhám tính bằng mét hoặc feet, mặc dù rõ ràng chúng sẽ có giá trị đối với các đường ống mới và sạch, bởi vì ngay khi thời gian trôi qua, độ nhám sẽ thay đổi giá trị xuất xưởng của nó.

Giá trị độ nhám cho một số vật liệu sử dụng thương mại

Dưới đây là các giá trị độ nhám tuyệt đối thường được chấp nhận cho các đường ống thương mại:

- Đồng, đồng thau và chì: 1,5 x 10 ^-6 m (5 x 10 ^-6 ft).

- Gang không tráng: 2,4 x 10 ^-4 m (8 x 10 ^-4 ft).

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

- Thép đinh tán: 1,8 x 10 ^-3 m (6 x 10 ^-3 ft).

- Thép thương phẩm hoặc thép hàn: 4,6 x 10 ^-5 m (1,5 x 10 ^-4 ft).

- Gang Lót Asphalt: 1,2 x 10 ^-4 m (4 x 10 ^-4 ft).

- Nhựa và thủy tinh: 0,0 m (0,0 ft).

Độ nhám tương đối có thể được đánh giá khi biết đường kính của ống được làm bằng vật liệu được đề cập. Nếu bạn biểu thị độ nhám tuyệt đối là e và đường kính là D, thì độ nhám tương đối được biểu thị bằng:

Phương trình trên giả định là một đường ống hình trụ, nhưng nếu không, có thể sử dụng độ lớn được gọi là bán kính thủy lực, trong đó đường kính được thay bằng bốn lần giá trị này.

Xác định độ nhám tuyệt đối

Để tìm độ nhám của đường ống, nhiều mô hình thực nghiệm khác nhau đã được đề xuất có tính đến các yếu tố hình học như hình dạng của các điểm bất thường trong tường và sự phân bố của chúng.

Vào khoảng năm 1933, kỹ sư người Đức J. Nikuradse, một học sinh của Ludwig Prandtl, đã phủ các đường ống bằng các hạt cát có kích thước khác nhau, có đường kính chính xác là độ nhám tuyệt đối e. Nikuradse xử lý các đường ống có giá trị e / D dao động từ 0,000985 đến 0,0333,

Trong các thí nghiệm được kiểm soát tốt này, các độ nhám được phân bố đồng đều, điều này không đúng trong thực tế. Tuy nhiên, các giá trị e này vẫn là một giá trị gần đúng để ước tính độ nhám sẽ ảnh hưởng như thế nào đến tổn thất ma sát.

Độ nhám được chỉ ra bởi nhà sản xuất ống thực sự tương đương với độ nhám được tạo ra một cách nhân tạo, giống như Nikuradse và những người thử nghiệm khác đã làm. Vì lý do này, nó đôi khi được gọi là cát tương đương.

Dòng chảy laminar và dòng chảy hỗn loạn

Độ nhám của đường ống là một yếu tố rất quan trọng cần xem xét tùy thuộc vào tốc độ chuyển động của chất lỏng. Các chất lỏng có liên quan đến độ nhớt có thể chuyển động theo chế độ tầng hoặc chế độ hỗn loạn.

Trong dòng chảy tầng, trong đó chất lỏng di chuyển có trật tự theo từng lớp, các điểm bất thường trên bề mặt của ống có trọng lượng ít hơn và do đó thường không được tính đến. Trong trường hợp này, độ nhớt của chất lỏng tạo ra ứng suất cắt giữa các lớp gây ra tổn thất năng lượng.

Ví dụ về dòng chảy tầng là một dòng nước chảy ra khỏi vòi ở tốc độ thấp, khói bắt đầu phun ra từ một cây nhang thắp sáng hoặc bắt đầu một tia mực phun vào một dòng nước, theo xác định của Osborne Reynolds vào năm 1883.

Thay vào đó, dòng chảy hỗn loạn kém trật tự và hỗn loạn hơn. Đó là một dòng chảy trong đó chuyển động không đều và không thể đoán trước được. Một ví dụ là khói từ cây nhang khi nó ngừng chuyển động trơn tru và bắt đầu tạo thành một loạt các nhịp không đều được gọi là nhiễu loạn.

Tham số số không thứ nguyên được gọi là số Reynolds N _R cho biết chất lỏng có chế độ này hay chế độ khác, theo các tiêu chí sau:

Nếu N _R <2000 dòng chảy là tầng; Nếu N _R > 4000 thì dòng chảy hỗn loạn. Đối với các giá trị trung gian, chế độ được coi là quá độ và chuyển động không ổn định.

Yếu tố ma sát

Hệ số này cho phép tìm ra sự mất mát năng lượng ma sát và chỉ phụ thuộc vào số Reynolds đối với dòng chảy tầng, nhưng trong dòng chảy rối, độ nhám tương đối hiện diện.

Nếu f là hệ số ma sát, có một phương trình thực nghiệm để tìm nó, được gọi là phương trình Colebrook. Nó phụ thuộc vào độ nhám tương đối và số Reynolds, nhưng việc giải quyết nó không dễ dàng, vì f không được cho một cách rõ ràng:

Đó là lý do tại sao các đường cong như biểu đồ Moody đã được tạo ra, giúp dễ dàng tìm giá trị của hệ số ma sát cho một số Reynolds nhất định và độ nhám tương đối. Theo kinh nghiệm, các phương trình có f một cách rõ ràng đã thu được, khá gần với phương trình Colebrook.

Đường ống lão hóa

Có một công thức kinh nghiệm để đánh giá sự gia tăng độ nhám tuyệt đối xảy ra do sử dụng, biết giá trị của nhà máy nhám tuyệt đối e _o :

Trong đó e là độ nhám sau t năm trôi qua và α là hệ số có đơn vị là m / năm, inch / năm hoặc foot / năm được gọi là chỉ số độ nhám tăng hàng năm.

Ban đầu được trừ cho ống gang nhưng hoạt động tốt với các loại ống khác được làm từ kim loại không tráng phủ. Trong đó, độ pH của chất lỏng rất quan trọng về độ bền của nó, vì nước có tính kiềm làm giảm đáng kể lưu lượng.

Mặt khác, ống tráng hoặc nhựa, xi măng và bê tông mịn không có sự gia tăng đáng kể về độ nhám theo thời gian.

Người giới thiệu

1. Belyadi, Hoss. Lựa chọn và thiết kế hóa chất bẻ gãy thủy lực. Khôi phục từ: sciricalirect.com.
2. Cimbala, C. 2006. Cơ học chất lỏng, các nguyên tắc cơ bản và ứng dụng. Mc. Đồi Graw. 335- 342.
3. Franzini, J. 1999. Cơ học chất lỏng có ứng dụng trong Kỹ thuật. Mc. Đồi Graw. 176-177.
4. Mott, R. 2006. Cơ học chất lỏng. lần thứ 4. Phiên bản. Giáo dục Pearson. 240-242.
5. Ratnayaka, D. Thủy lực. Khôi phục từ: sciricalirect.com.