상대 거칠기와 절대 거칠기 는 유체를 운반하는 상업용 파이프 내부에 존재하는 일련의 불규칙성을 설명하는 데 사용되는 두 가지 용어입니다. 절대 거칠기는 파이프 내부 반경의 평균 변동으로 변환되는 이러한 불규칙성의 평균 또는 평균값입니다.
절대 거칠기는 사용 된 재료의 속성으로 간주되며 일반적으로 미터, 인치 또는 피트 단위로 측정됩니다. 부품의 경우 상대 거칠기는 절대 거칠기와 파이프 직경 사이의 몫이므로 무 차원 수량입니다.
그림 1. 구리 파이프. 출처 : Pixabay.
동일한 절대 거칠기가 큰 파이프보다 얇은 파이프에 더 현저한 영향을 미치기 때문에 상대적 거칠기가 중요합니다.
분명히 파이프의 거칠기는 마찰과 협력하여 유체가 내부로 이동하는 속도를 감소시킵니다. 매우 긴 파이프에서는 유체가 움직이지 않을 수도 있습니다.
따라서 움직임을 유지하려면 펌프를 통해 압력을 가해 야하므로 유동 해석에서 마찰을 평가하는 것이 매우 중요합니다. 손실을 보상하면 펌프의 출력을 높여 비용에 영향을 미칩니다.
압력 손실의 다른 원인은 유체의 점도, 튜브의 직경, 길이, 가능한 수축 및 밸브, 탭 및 엘보의 존재입니다.
거칠기의 기원
파이프 내부는 미세한 수준에서 완전히 매끄럽고 매끄럽지 않습니다. 벽은 표면에 요철이 있으며, 이는 그들이 만들어지는 재료에 크게 의존합니다.
그림 2. 파이프 내부의 거칠기. 출처 : 자체 제작.
또한 사용 후 배관 재료와 유체 사이의 화학 반응으로 인한 스케일 및 부식으로 인해 거칠기가 증가합니다. 이 증가 범위는 공장 거칠기 값의 5 배에서 10 배 사이입니다.
상업용 파이프는 거칠기 값을 미터 또는 피트 단위로 표시하지만 새롭고 깨끗한 파이프에 유효하지만 시간이 지나면 거칠기가 공장 값을 변경하기 때문입니다.
상업용 일부 재료의 거칠기 값
다음은 상업용 파이프에 대해 일반적으로 허용되는 절대 거칠기 값입니다.
-구리, 황동 및 납 : 1.5 x 10 -6 m (5 x 10 -6 ft).
- 비 코팅 주철 : 2.4 × 10 -4 m (8 × 10 -4 피트).
-단철 : 4.6 x 10-5m (1.5 x 10-4 피트).
-리벳이있는 강철 : 1.8 x 10 -3 m (6 x 10 -3 ft).
-상업용 강철 또는 용접 강철 : 4.6 x 10 -5 m (1.5 x 10 -4 ft).
- 아스팔트 늘어선 주철 : 1.2 × 10 -4 m (4 × 10 -4 피트).
-플라스틱 및 유리 : 0.0m (0.0ft).
상대 거칠기는 해당 재료로 만든 파이프의 직경을 알고 평가할 수 있습니다. 절대 거칠기를 e로, 직경을 D로 표시하면 상대 거칠기는 다음과 같이 표현됩니다.
위의 방정식은 원통형 파이프를 가정하지만 그렇지 않은 경우 직경이이 값의 4 배로 대체되는 수력 반경이라고하는 크기를 사용할 수 있습니다.
절대 거칠기 결정
파이프의 거칠기를 찾기 위해 벽의 불규칙한 모양과 분포와 같은 기하학적 요인을 고려한 다양한 경험적 모델이 제안되었습니다.
1933 년경 Ludwig Prandtl의 학생 인 독일 엔지니어 J. Nikuradse는 파이프를 다양한 크기의 모래 알갱이로 코팅했습니다. Nikuradse는 e / D 값이 0.000985에서 0.0333 사이 인 파이프를 처리했습니다.
이러한 잘 제어 된 실험에서는 거칠기가 균일하게 분포되어 실제로는 그렇지 않습니다. 그러나 이러한 e 값은 거칠기가 마찰 손실에 미치는 영향을 추정하는 데 여전히 좋은 근사치입니다.
파이프 제조업체가 표시 한 거칠기는 실제로 Nikuradse 및 다른 실험자들이 한 것처럼 인위적으로 만든 것과 동일합니다. 이러한 이유로 때로는 동등한 모래로 알려져 있습니다.
층류 및 난류
파이프의 거칠기는 유체의 이동 속도에 따라 고려해야 할 매우 중요한 요소입니다. 점도가 관련된 유체는 층류 영역 또는 난류 영역에서 이동할 수 있습니다.
유체가 층상에서 순서대로 움직이는 층류에서 파이프 표면의 불규칙성은 무게가 적으므로 일반적으로 고려되지 않습니다. 이 경우 에너지 손실을 일으키는 층 사이에 전단 응력을 생성하는 것은 유체의 점도입니다.
층류의 예로는 낮은 속도로 수도꼭지에서 나오는 물의 흐름, 불이 켜진 향 스틱에서 분출하기 시작하는 연기, 또는 Osborne Reynolds에 의해 결정된 물 흐름에 분사되는 잉크 제트의 시작이 있습니다. 1883 년.
대신, 난류는 덜 질서 있고 더 혼란 스럽습니다. 움직임이 불규칙하고 예측할 수없는 흐름입니다. 예를 들어 향 스틱이 부드럽게 움직이지 않고 난류라고 불리는 일련의 불규칙한 위스프를 형성하기 시작할 때의 연기가 있습니다.
레이놀즈 수 N R 이라고하는 무 차원 수치 매개 변수 는 다음 기준에 따라 유체에 하나 또는 다른 영역이 있는지 여부를 나타냅니다.
N R <2000이면 흐름은 층류입니다. N R > 4000이면 흐름이 난류입니다. 중간 값의 경우 정권은 과도기로 간주되며 움직임이 불안정합니다.
마찰 계수
이 계수를 사용하면 마찰로 인한 에너지 손실을 찾을 수 있으며 층류의 경우 레이놀즈 수에만 의존하지만 난류에서는 상대 거칠기가 존재합니다.
f가 마찰 계수이면이를 찾을 수있는 경험적 방정식 인 Colebrook 방정식이 있습니다. 상대 거칠기와 레이놀즈 수에 따라 다르지만 f가 명시 적으로 제공되지 않기 때문에 해상도가 쉽지 않습니다.
그래서 주어진 레이놀즈 수와 상대적 거칠기에 대한 마찰 계수의 값을 쉽게 찾을 수 있도록 무디 다이어그램과 같은 곡선이 만들어졌습니다. 경험적으로 f를 명시 적으로 얻은 방정식은 Colebrook 방정식에 매우 가깝습니다.
노화 파이프
공장 절대 거칠기 e o 의 값을 알고 사용으로 인해 발생하는 절대 거칠기의 증가를 평가하는 경험적 공식이 있습니다 .
여기서 e는 t 년 경과 후의 거칠기이고 α는 연간 거칠기 증가율이라고하는 m / 년, 인치 / 년 또는 피트 / 년 단위의 계수입니다.
원래는 주철 파이프에 대해 공제되었지만 코팅되지 않은 금속으로 만들어진 다른 유형의 파이프와 잘 작동합니다. 이것에서 알칼리수는 흐름을 크게 감소시키기 때문에 유체의 pH는 내구성 측면에서 중요합니다.
반면에 코팅 된 파이프 또는 플라스틱, 시멘트 및 매끄러운 콘크리트는 시간이 지남에 따라 거칠기가 눈에 띄게 증가하지 않습니다.
참고 문헌
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