Kann die Erhöhung der Turbulenz in einer Pipeline den Durchfluss wirtschaftlich erhöhen?

Nein, das kann es im allgemeinen Fall nicht. Die Formeln, die den Druckverlust in einem Kanal angeben, haben immer die Form P = K.Geometrie.rho.V², wobei K ein empirischer Reibungskoeffizient ist, die Geometrie geometrische Parameter (Durchmesser, Länge usw.) enthält, rho die Dichte und V die ist Geschwindigkeit.

K hängt nun typischerweise von der Reynolds-Zahl und von der Rauhigkeit der Kanalwand ab. Sobald die Art des Fluids und die Geometrie des Kanals festgelegt sind, hängt der Druckverlust nur noch von K.V² ab.

Was bedeutet "zunehmende Turbulenz" im Kanal? Nur 2 mögliche Antworten:

1) Erhöhung der Geschwindigkeit. Da dies sowohl K als auch V² erhöht, erhöht es den Druckverlust. Schlecht.

2) Erhöhung der Rauhigkeit des Kanals. Dadurch wird K erhöht, ohne V zu ändern. Der Druckverlust steigt wieder. Schlecht.

Natürlich sind laminare Strömungen mit sehr niedriger Geschwindigkeit auch sehr schlechte Druckverlierer, aber dann bewegen sie so wenig Flüssigkeit, dass sie sowieso nicht verwendet werden. Der Übergang von laminar zu turbulent kann je nach Rauigkeit besser oder schlechter sein, aber man hat im Allgemeinen keine Wahl, da die Strömung (kg/s) eine Einschränkung darstellt und die turbulente Strömung das Ergebnis ist. Sobald die turbulente Strömung gegeben ist, ist es am besten, die Rauhigkeit so weit wie möglich zu reduzieren.

Sie haben hier einen ausgezeichneten Taschenrechner und können mit allen möglichen Strömungen spielen: http://www.engineeringtoolbox.com/colebrook-equation-d_1031.html

Als Bonus gibt es auch eine Tabelle für Darcy-Reibungskoeffizienten in Abhängigkeit von Reynolds und Rauhigkeit.

Ja: bis zu einem gewissen Punkt

Die Gleichung von Darcy Weisbach berücksichtigt Reibungsverluste in einem Rohr:

$f L D \frac{v^2}{2 g}$

$f$stammt typischerweise aus einem Moody Diagram . Wenn Sie sich eines ansehen, werden Sie sehen, dass der Reibungsfaktor für ein Rohr mit zunehmender Reynolds-Zahl abnimmt, bis die Strömung als "vollständig turbulent" gilt, an welchem ​​Punkt sich der Reibungsfaktor einpendelt.

Der physikalische Grund dafür ist, dass sich am Rohrrand eine turbulente Grenzschicht bildet, die das Rohr effektiv glatter macht. Das mittlere Geschwindigkeitsprofil einer Rohrströmung mit niedriger Reynolds-Zahl ist parabolisch, während eine Strömung mit hoher Reynolds-Zahl gleichmäßiger ist und die Strömung daher die Wände des Rohrs weniger "fühlt".

Ein Rohr, das von einer Reynolds-Zahl von 3.000 auf 300.000 geht, könnte eine Verringerung seines Reibungsfaktors um fast die Hälfte erfahren, aber ein Rohr, das von Re 300.000 auf 3.000.000 geht, wird fast keine Verringerung des Reibungsfaktors feststellen.

Riblets können den Flüssigkeitsfluss in einem Rohr um 3-15 % verbessern. Sie wurden ursprünglich beim Studium der Haihaut entdeckt.

Die kleinen Riblets, die die Haut schnell schwimmender Haie bedecken, wirken, indem sie die gesamte Scherspannung über der Oberfläche verringern und die Querströmung der Wirbel in Strömungsrichtung in der viskosen Unterschicht behindern. Während diese Effekte und ihre Rolle bei der endgültigen Verringerung des Widerstands verstanden und reproduzierbar sind, sind die zugrunde liegenden Mechanismen, die die Verringerung der Wirbeltranslation verursachen, nicht vollständig verstanden.

Eine klassische Ursache für erhöhten Luftwiderstand, den Haihaut nachahmende Riblet-Oberflächen aufweisen, ist eine Zunahme des benetzten Oberflächenbereichs. Im turbulenten Strömungsbereich steigt der Fluidwiderstand typischerweise dramatisch mit einer Vergrößerung des Oberflächenbereichs aufgrund der Scherspannungen an der Oberfläche, die über den neuen, größeren Oberflächenbereich wirken. Wenn sich jedoch Wirbel über der Riblet-Oberfläche bilden, bleiben sie über den Riblets, interagieren nur mit den Spitzen und verursachen selten eine Hochgeschwindigkeitsströmung in den Tälern der Riblets. Da die Wirbel mit höherer Geschwindigkeit nur mit einem kleinen Oberflächenbereich an den Riblet-Spitzen interagieren, erfährt nur dieser lokalisierte Bereich hohe Scherspannungen. Die Fluidströmung mit niedriger Geschwindigkeit in den Tälern der Riblets erzeugt sehr geringe Scherspannungen über den größten Teil der Oberfläche der Riblets. Indem die Wirbel über den Riblet-Spitzen gehalten werden, die Querstrom-Geschwindigkeitsschwankungen innerhalb der Riblet-Täler sind viel geringer als die Querstrom-Geschwindigkeitsschwankungen über einer flachen Platte (Lee und Lee, 2001). Dieser Unterschied in den Schwankungen der Querstromgeschwindigkeit ist ein Beweis für eine Verringerung der Scherspannung und der Impulsübertragung nahe der Oberfläche, wodurch die Wirkung der vergrößerten Oberfläche minimiert wird.Quelle: "Die Wirkung von Haihaut-inspirierten Riblet-Geometrien auf den Luftwiderstand in rechteckigen Kanalströmungen." Brian Doublas Dekan, Ohio State University, 2011.

Die Wirksamkeit von Riblets hängt stark von der Geschwindigkeit der Flüssigkeit ab.

Es gibt eine umfangreiche Literatur zur Widerstandsreduzierung durch Riblets in turbulenter Grenzschichtströmung über ebenen Platten. Einige der frühesten und wichtigeren Ergebnisse wurden von Walshs erzielt$^{1,2,3}$. Er zeigte, dass eine Verringerung des Luftwiderstands erreicht werden kann, wenn die Höhe der Riblet-Struktur in wll-Einheiten ausgedrückt wird$S^+ =\frac{Su^+}{v}$ist unter 30; das Maximum von 7-8% trat auf, wenn$S^+$ist ungefähr 15. Hier ist S die Höhe und Basis der Riblets,$u^+$ist die Reibungsgeschwindigkeit und$v$ist die kinematische Viskosität. Er fand auch heraus, dass dreieckige Rillen zu den effektivsten gehören, um den Luftwiderstand zu reduzieren.

Weniger bekannt ist die Wirkung von Riblets auf die Strömungswiderstandsminderung in Rohrströmungen. Nitschke$^4$untersuchten den Luftstrom in einem Rohr mit abgerundeten Spitzen und flachen Tälern, die in die Rohroberfläche eingearbeitet sind. Es wurde eine maximale Widerstandsreduzierung von 3% gemessen.... Bei höheren Geschwindigkeiten führen Riblet-Beläge zu einer Widerstandserhöhung. Quelle: "Widerstandsminderung in mit Riblets ausgekleideten Rohren." KN Liu, C. Christodoulou, O. Ciccius, CC Joseph, Universität von Minnesota, Minneapolis, MN.

Turbulenzen können auch reduziert werden, um die Effizienz zu erhöhen, indem eine superhydrophobe Beschichtung aufgebracht wird.