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 и отложения осадков.

В качестве основной характеристики шероховатости служит так называемая абсолютная равнозернистая (эквивалентная) шероховатость Кэ(Δ), 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).

Рисунок 36 – Пример физической шероховатости (а),

равнозернистой (б), гидравлически гладких (в) и шероховатых (г) труб

Если ламинарный слой полностью их перекрывает (δ>К_Э), 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.

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 (δ>К_Э) и гидравлически шероховатые (δ<К_Э). При этом необходимо отметить, что понятие «гладкой» стенки является относительным.

При возрастании скорости возрастает и число Рейнольдса, толщина ламинарного слоя уменьшается и при каком-то значении V и Rе она становится меньше величины 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_Э к некоторому линейному размеру, характеризующему сечение потока (как правило, к внутреннему диаметру трубопровода):

ε=К_Э/d.

Иногда используют обратную величину – относительную гладкость:

ε^/=d/К_Э,

где К_Э – эквивалентная равнозернистая шероховатость, значения которой приводятся в справочниках для труб из различного материала.