Đối với hầu hết các dòng nước và loại HVAC trong ống thép không gỉ, hệ số ma sát Darcy thực tế thường là f ≈ 0,018–0,022 (hoàn toàn hỗn loạn, phạm vi từ mịn đến nhẹ). Đối với số Reynolds cao hơn (dòng chảy rất nhanh), f thường có xu hướng hướng tới ~0,015–0,018 ; đối với các số Reynolds hỗn loạn thấp hơn (gần 5.000–20.000), f có thể là ~0,03–0,04 .
Để chính xác, hãy tính f từ số Reynolds (Re) và độ nhám của thép không gỉ (ε) bằng cách sử dụng mối tương quan rõ ràng (ví dụ: Swamee–Jain hoặc Haalvà) hoặc phương trình Colebrook.
Hệ số ma sát cho ống thép không gỉ: nên sử dụng giá trị nào
Sử dụng Hệ số ma sát Darcy (còn được gọi là hệ số ma sát Darcy–Weisbach) trừ khi biểu đồ hoặc phần mềm của bạn ghi rõ ràng là “Fanning”. Hệ số Darcy là 4× yếu tố Fanning.
Một ước tính nhanh chóng, có thể phòng ngừa được khi bạn chưa biết chính xác luồng là:
- Nước trong đường ống không gỉ điển hình (Re ~ 50.000–300.000): f ≈ 0,018–0,022
- Re rất cao (~1.000.000): f thường tiến gần ~0,015–0,018
- Re hỗn loạn thấp hơn (~5.000–20.000): f phổ biến ~0,03–0,04
Sau đó, tinh chỉnh các bước tính toán bên dưới khi bạn biết đường kính, tốc độ dòng chảy và độ nhớt của chất lỏng.
Độ nhám của thép không gỉ: đầu vào quyết định kết quả
Trong dòng chảy rối hệ số ma sát phụ thuộc rất nhiều vào độ nhám tương đối (ε/D). Thép không gỉ nói chung là “mịn”, nhưng ε giả định vẫn có vấn đề.
| Bề mặt/giả định | Độ nhám tuyệt đối, ε (mm) | Độ nhám tuyệt đối, ε (m) | Khi nào nên sử dụng |
|---|---|---|---|
| Sạch không gỉ (giả định thiết kế chung) | 0.015 | 1,5×10⁻⁵ | Ống mới/sạch, đường cơ sở ổn định nhưng trơn tru |
| Hơi cũ/dựng phim (quy tắc ngón tay cái) | 0.03 | 3.0×10⁻⁵ | Nếu bạn mong đợi tiền gửi hoặc dịch vụ ít được kiểm soát hơn |
| Điều kiện không xác định (lề thiết kế) | 0.045 | 4,5×10⁻⁵ | Khi bạn cần thêm sự bảo thủ |
Tính độ nhám tương đối là ε/D bằng cách sử dụng đường kính trong (không phải kích thước danh nghĩa). Ngay cả những thay đổi nhỏ trong D hoặc ε/D cũng có thể thay đổi đáng kể f trong vùng hỗn loạn hoàn toàn.
Tính toán từng bước (Re → f) bạn có thể tin tưởng
1) Tính số Reynolds
Đối với một ống tròn đầy đủ:
Re = (V·D)/ν
- V = vận tốc trung bình (m/s)
- D = đường kính trong (m)
- ν = độ nhớt động học (m2/s)
2) Chọn quy tắc chế độ dòng chảy phù hợp
- Gỗ nhiều lớp (Re < 2300): f = 64/Re
- Chuyển tiếp (2300–4000): tránh “độ chính xác”; xác nhận bằng dữ liệu thử nghiệm hoặc sử dụng lề vừa phải
- Hỗn loạn (Re > 4000): sử dụng ε/D với mối tương quan rõ ràng
3) Dòng chảy rối: các công thức tường minh thực tế
Hai tùy chọn rõ ràng được sử dụng rộng rãi (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 ] )
Nếu bạn đang lặp lại trong phần mềm, tài liệu tham khảo cổ điển là Colebrook (ẩn):
1/√f = -2·log10( (ε/(3.7D)) (2.51/(Re·√f)) )
Ví dụ hoạt động: hệ số ma sát của ống không gỉ và độ giảm áp suất
Giả sử nước có nhiệt độ gần 20°C, độ nhám không gỉ sạch ε = 0,015mm (1,5×10⁻⁵ m) và đường kính trong của ống D = 0,0525 m (khoảng 2 inch ID Lịch trình 40). Tốc độ dòng chảy Q = 50 gpm (0,003154 m³/s).
Tính vận tốc và số Reynolds
- Diện tích A = πD2/4 = 0,002165 m2
- Vận tốc V = Q/A = 1,46 m/s
- Độ nhớt động học ν ≈ 1,0×10⁻⁶ m2/s
- Re = (V·D)/ν ≈ 7,6×10⁴
- Độ nhám tương đối ε/D ≈ 2,86×10⁻⁴
Tính hệ số ma sát (Swamee–Jain)
Hệ số ma sát Darcy f ≈ 0.0203
Chuyển f thành tổn thất áp suất (Darcy–Weisbach)
Với chiều dài L = 100 m, mật độ ρ ≈ 998 kg/m³:
ΔP = f·(L/D)·(ρV²/2) ≈ 41 kPa trên 100 m (khoảng 4,2 m cột nước trên 100 m).
Bảng tham khảo nhanh: hệ số ma sát thép không gỉ so với số Reynolds
Các giá trị dưới đây giả sử ε = 0,015mm and D = 0,0525 m (ε/D = 2,86×10⁻⁴), sử dụng mối tương quan Swamee–Jain. Sử dụng điều này để kiểm tra kết quả của bạn một cách tỉnh táo.
| Số Reynolds (Re) | Hệ số ma sát Darcy (f) | Giải thích điển hình |
|---|---|---|
| 5.000 | 0.038 | Hỗn loạn thấp; f vẫn tương đối cao |
| 10.000 | 0.031 | Hỗn loạn sớm; nhạy cảm với Re |
| 50.000 | 0.0219 | Vùng thiết kế chung cho nước bơm |
| 100.000 | 0.0194 | Giữa hỗn loạn; f ổn định |
| 1.000.000 | 0.0156 | Rất hỗn loạn; tiếp cận hành vi kiểm soát độ nhám |
Những cạm bẫy thường gặp gây ra sai số ma sát
- Sử dụng kích thước ống danh nghĩa thay vì đường kính trong: f phụ thuộc vào ε/D và tổn thất áp suất phụ thuộc vào L/D, do đó ID quan trọng gấp đôi.
- Trộn hệ số ma sát Darcy và Fanning: nếu kết quả của bạn có vẻ sai lệch 4× thì đây là lý do thông thường.
- Bỏ qua nhiệt độ chất lỏng: độ nhớt thay đổi Re; nước lạnh hơn tăng ν và có thể tăng f.
- Giả sử thép không gỉ luôn “hoàn toàn trơn tru”: các mối hàn, cặn hoặc tích tụ sản phẩm có thể biện minh cho việc sử dụng ε cao hơn ống mới, sạch.
- Mong đợi độ chính xác cao trong dòng chuyển tiếp: coi 2300–4000 là không chắc chắn và được thiết kế có biên độ.
Điểm mấu chốt: ống thép không gỉ thường mang lại f khoảng 0,02 trong các dịch vụ nước hỗn loạn thông thường, nhưng con số đáng tin cậy nhất đến từ Re và ε/D sử dụng mối tương quan tiêu chuẩn.
