Useimmille vesi- ja LVI-tyyppisille virtauksille ruostumattomasta teräksestä valmistetussa putkessa käytännöllinen Darcy-kitkakerroin on tyypillisesti f ≈ 0,018–0,022 (täysin turbulentti, "pehmeästä lievästi karkeaan" -alue). Suuremmilla Reynolds-luvuilla (erittäin nopea virtaus) f suuntautuu usein kohti ~0,015–0,018 ; alemmille turbulenteille Reynolds-luvuille (lähes 5 000–20 000) f voi olla ~0,03–0,04 .
Tarkkuuden vuoksi laske f Reynoldsin luvusta (Re) ja ruostumattoman teräksen karheudesta (ε) käyttämällä eksplisiittistä korrelaatiota (esim. Swamee–Jain tai Haalja) tai Colebrook-yhtälöä.
Ruostumattoman teräsputken kitkakerroin: mitä arvoa käyttää
Käytä Darcyn kitkakerroin (kutsutaan myös Darcy–Weisbach-kitkatekijäksi), ellei kaaviossa tai ohjelmistossa ole nimenomaisesti sanottu "Fanning". Darcy-tekijä on 4× Fanning-tekijä.
Nopea, perusteltu arvio, kun et vielä tiedä tarkkaa kulkua:
- Vesi tyypillisessä ruostumattomassa putkissa (Re ~ 50 000–300 000): f ≈ 0,018–0,022
- Erittäin korkea Re (~1 000 000): f lähestyy usein ~0,015–0,018
- Alempi turbulenttinen Re (~5 000–20 000): f yleensä ~0,03–0,04
Tarkenna sitten alla olevilla laskentavaiheilla, kun tiedät halkaisijan, virtausnopeuden ja nesteen viskositeetin.
Ruostumattoman teräksen karheus: tulos, joka ohjaa tulosta
Pyörteisessä virtauksessa kitkakerroin riippuu voimakkaasti suhteellinen karheus (ε/D). Ruostumaton teräs on yleensä "sileä", mutta oletetulla ε:llä on silti merkitystä.
| Pinta / oletus | Absoluuttinen karheus, ε (mm) | Absoluuttinen karheus, ε (m) | Milloin käyttää |
|---|---|---|---|
| Puhdas ruostumaton teräs (yleinen suunnitteluoletus) | 0.015 | 1,5×10⁻⁵ | Uusi/puhdas putki, konservatiivinen mutta sileä perusviiva |
| Hieman vanhentunut/kalvokertymä (peukalosääntö) | 0.03 | 3,0 × 10⁻⁵ | Jos odotat talletuksia tai vähemmän hallittua palvelua |
| Tuntematon kunto (suunnittelumarginaali) | 0.045 | 4,5 × 10⁻⁵ | Kun tarvitset ylimääräistä konservatiivisuutta |
Laske suhteellinen karheus muodossa ε/D käyttäen sisähalkaisija (ei nimelliskoko). Pienetkin muutokset D:ssä tai ε/D:ssä voivat merkittävästi muuttaa f:tä täysin turbulenttisella alueella.
Vaiheittainen laskenta (Re → f), johon voit luottaa
1) Laske Reynoldsin luku
Täysi pyöreä putki:
Re = (V·D)/ν
- V = keskinopeus (m/s)
- D = sisähalkaisija (m)
- ν = kinemaattinen viskositeetti (m²/s)
2) Valitse oikea virtaussääntö
- Laminaari (Re < 2300): f = 64/Re
- Siirtymävaihe (2300–4000): vältä "tarkkuutta"; vahvista testitiedoilla tai käytä varovaisia marginaaleja
- Turbulentti (Re > 4000): käytä ε/D eksplisiittisellä korrelaatiolla
3) Turbulenttinen virtaus: käytännölliset eksplisiittiset kaavat
Kaksi yleisesti käytettyä eksplisiittistä vaihtoehtoa (Darcy f):
- Swamee-Jain: f = 0,25 / [log10( (ε/(3,7D)) (5,74/Re^0,9) )]^2
- Haaland: 1/√f = -1.8·log10( [ (ε/(3.7D))^1.11 ] [ 6.9/Re ] )
Jos iteroit ohjelmistossa, klassinen viittaus on Colebrook (implisiittinen):
1/√f = -2·log10( (ε/(3,7D)) (2,51/(Re·√f)))
Toiminut esimerkki: ruostumattoman putken kitkakerroin ja painehäviö
Oletetaan, että vesi on lähellä 20 °C, puhdas ruostumaton karheus e = 0,015 mm (1,5 × 10-5 m) ja putken sisähalkaisija D = 0,0525 m (noin 2 tuuman Schedule 40 ID). Virtausnopeus Q = 50 gpm (0,003154 m³/s).
Laske nopeus ja Reynoldsin luku
- Pinta-ala A = πD²/4 = 0,002165 m²
- Nopeus V = Q/A = 1,46 m/s
- Kinemaattinen viskositeetti ν ≈ 1,0×10⁻⁶ m²/s
- Re = (V·D)/ν ≈ 7,6 × 104
- Suhteellinen karheus ε/D ≈ 2,86×10⁻⁴
Laske kitkakerroin (Swamee–Jain)
Darcyn kitkakerroin f ≈ 0.0203
Käännä f painehäviöksi (Darcy–Weisbach)
Pituudella L = 100 m, tiheys ρ ≈ 998 kg/m³:
ΔP = f·(L/D)·(ρV²/2) ≈ 41 kPa/100 m (noin 4,2 m vesikorkeus 100 metriä kohti).
Pikaviitetaulukko: ruostumattoman teräksen kitkakerroin vs. Reynoldsin luku
Alla olevat arvot oletetaan e = 0,015 mm and D = 0,0525 m (ε/D = 2,86 × 10-⁴), käyttämällä Swamee–Jain-korrelaatiota. Käytä tätä tarkistaaksesi tulokset.
| Reynoldsin numero (Re) | Darcyn kitkakerroin (f) | Tyypillinen tulkinta |
|---|---|---|
| 5 000 | 0.038 | Matala turbulentti; f on edelleen suhteellisen korkea |
| 10 000 | 0.031 | Varhainen myrskyinen; herkkä Re |
| 50 000 | 0.0219 | Pumpattavalle vedelle yhteinen suunnittelualue |
| 100 000 | 0.0194 | Keski myrskyinen; f stabiloituu |
| 1 000 000 | 0.0156 | Erittäin myrskyisä; lähestyy karkeuskontrolloitua käyttäytymistä |
Yleisiä sudenkuoppia, jotka aiheuttavat vääriä kitkatekijöitä
- Putken nimelliskoon käyttäminen sisähalkaisijan sijaan: f riippuu ε/D:stä ja painehäviö riippuu L/D:stä, joten ID on kaksinkertainen.
- Darcyn ja Fanningin kitkakertoimien sekoittaminen: Jos tuloksesi näyttää 4-kertaiselta, tämä on tavallinen syy.
- Nesteen lämpötilan huomioimatta jättäminen: viskositeetin muutokset Re; kylmempi vesi lisää ν ja voi lisätä f.
- Olettaen, että ruostumaton teräs on aina "täysin sileä": hitsit, hilseily tai tuotteen kerääntyminen voivat oikeuttaa suuremman ε:n käytön kuin uudessa, puhtaassa putkessa.
- Odotetaan suurta tarkkuutta siirtymävaiheessa: Käsittele 2300–4000 epävarmana ja suunnittele marginaalilla.
Alarivi: ruostumattomasta teräksestä valmistettu putki antaa usein periksi f noin 0,02 yleisissä myrskyisissä vesipalveluissa, mutta luotettavin luku tulee Re:stä ja ε/D:stä käyttämällä standardikorrelaatiota.
