Понятие о гладких и шероховатых трубах

На механизм турбулентного потока большое влияние оказывает состояние ограничивающих его твердых стенок, всегда в той или иной степени обладающих неравномерной физической шероховатостью. Шероховатость характеризуется величиной и формой выступов и неровностей, имеющихся на стенках, и зависит от материала стенок и их обработки. Обычно с течением временем шероховатость изменяется от появления ржавчины, коррозии, отложения осадков.

В качестве основной характеристики шероховатости служит так называемая абсолютная равнозернистая (эквивалентная) шероховатость которую обычно представляют как среднюю величину выступов и неровностей, измеренную в линейных единицах.

Предположим, что поток, находящийся в турбулентном режиме движения, движется по трубе, выступы шероховатости которой имеют размер (рис. 36).

Если ламинарный слой полностью их перекрывает ,то потери напора не будут зависеть от шероховатости стенок трубы, а будут обусловлены лишь свойствами самой жидкости. В этом случае жидкость скользит по ламинарному слою не касаясь выступов шероховатости, которые погружены в него, и имеет место трение жидкости о жидкость.

 

 

Рисунок 36 - Пример физической шероховатости(а), равнозернистой (б), гидравлически гладких (в) и шероховатых (г) труб

 

 

Если же выступы шероховатости больше толщины ламинарного слоя (δ<К_Э) то потери напора будут в значительной степени зависеть от шероховатости стенок, так как в этом случае трение турбулентного ядра жидкости происходит о шероховатую поверхность, не сглаженную ламинарным слоем.

В соответствии со сказанным различают две категории стенок труб: гидравлически гладкие () и гидравлически шероховатые (). При этом необходимо отметить, что понятие "гладкой" стенки является относительной.

При возрастании скорости, возрастает число Рейнольдса, толщина ламинарного слоя уменьшается и при каком-то значении V и Rе она становится меньше шероховатости, гидравлически гладкая труба становится гидравлически шероховатой. Следовательно, одна и та же труба может вести себя по разному: в одном случае - как гладкая, а в другом - как шероховатая. Для характеристики влияния шероховатости на гидравлические сопротивления с учетом условий соблюдения подобия в гидравлике вводится понятие относительной шероховатости ε, под которой понимается безразмерное отношение абсолютной шероховатости к некоторому линейному размеру, характеризующему сечение потока (как правило к внутреннему диаметру трубопровода):

.

Иногда используют обратную величину - относительную гладкость:

,

где - эквивалентная равнозернистая шероховатость, значение которой приводятся в справочниках для труб из различного материала.