imported>Boehm K (typog) |
imported>Rainald62 (Das Differentialoperator-d nicht kursiv, die 2 näher zum rho, Reynolds-Zahl einheitlich mit Bindestrich und den Abschnitt →Definition: omA-tauglich.) |
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{{Infobox Kennzahl | {{Infobox Physikalische Kennzahl | ||
| Name = | | Name = | ||
| Formelzeichen = <math>\lambda</math> | | Formelzeichen = <math>\lambda</math> | ||
| Dimension = [[Dimensionslose Kennzahl|dimensionslos]] | | Dimension = [[Dimensionslose Kennzahl|dimensionslos]] | ||
| Definition = <math>\lambda = \frac{ | | Definition = <math>\lambda = \frac{\mathrm dp}{\mathrm dx}~ \frac{2D}{\rho v^2}</math> | ||
| Größentabelle = <math>\ | | Größentabelle = <math>\frac{\mathrm dp}{\mathrm dx}</math>= Druckgradient im Rohr, <math>D </math>=Rohrdurchmesser, <math>v </math>=mittlere Geschwindigkeit, <math>\rho </math>=[[Dichte]] | ||
| Anwendungsbereich = Rohrströmungen | | Anwendungsbereich = Rohrströmungen | ||
}} | }} | ||
[[Datei:Rohrreibung Diagramm.png|mini|Das Rohrreibungsdiagramm (Moody-Diagramm) stellt die Abhängigkeit | [[Datei:Rohrreibung Diagramm.png|mini|Das Rohrreibungsdiagramm ([[Moody-Diagramm]]) stellt die Rohrreibungszahl in Abhängigkeit von der [[Reynolds-Zahl]] und der Rauheit k dar. Sie ist so definiert, dass sie bei voll ausgebildeter Turbulenz (das Gebiet rechts oben) unabhängig von der Reynolds-Zahl ist.]] | ||
Die '''Rohrreibungszahl λ''' (Lambda) ist eine [[dimensionslose Kennzahl]] zur Berechnung des [[Druckverlust|Druckabfalls]] | Die '''Rohrreibungszahl λ''' (Lambda) ist eine [[dimensionslose Kennzahl]] zur Berechnung des [[Druckverlust|Druckabfalls]] einer Strömung in einem geraden Rohr. | ||
== Definition == | == Definition == | ||
Der | Der Druckverlust <math>\Delta p</math> ist bei gegebener (eventuell komplizierter) Geometrie und turbulenter Strömung näherungsweise proportional zur [[Kinetische Energie|kinetischen Energiedichte]]. Das wird mit dem [[Druckverlustbeiwert]] ζ ([[Zeta]]) berücksichtigt: | ||
:<math>\Delta p = \zeta ~\frac \rho 2 v^2</math> | |||
Darin ist <math>\rho</math> die [[Dichte]] des Mediums und <math>v</math> die mittlere Strömungsgeschwindigkeit. | |||
:<math>\ | Für lange, gerade Rohre liegt es nahe, auch den Einfluss der Länge <math>L</math> und des Durchmessers <math>D</math> explizit zu berücksichtigen: | ||
:<math>\Delta p = \lambda ~\frac L D \frac \rho 2 v^2</math> | |||
:<math> | Für weniger lange Rohre gilt das nur näherungsweise, bzw. genügend weit hinter dem Eintritt differenziell: | ||
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: | === Laminare Strömung === | ||
Für die [[Laminare Strömung|laminare]], voll ausgebildete Strömung in einem kreisrunden Rohr bestimmt sich die Rohrreibungszahl nach dem [[Gesetz von Hagen-Poiseuille]] zu: | |||
:<math>\lambda = \frac{64}{Re}</math> | |||
mit der [[Reynolds-Zahl]] (Re < 2300) | |||
=== Turbulente Strömung === | |||
Bei [[Turbulente Strömung|turbulenter Strömung]] gibt es zur Bestimmung der Rohrreibungszahl mehrere [[Approximation|Näherungsformeln]], die je nach Rauheit des Rohrs angewendet werden: | |||
* '''Hydraulisch glattes Rohr''', d. h. die Unebenheiten der Rohrwand sind zur Gänze von einer [[Fluiddynamische Grenzschicht|viskosen Unterschicht]] umhüllt. Der Wert von <math>\lambda</math> errechnet sich mit der Formel von ''[[Ludwig Prandtl|Prandtl]]'' [[Iteration|iterativ]]. Als Startwert kann <math>\lambda = 0{,}02</math> verwendet werden<ref>{{Literatur |Autor=Wolfgang Kalide |Titel=Einführung in die technische Strömungslehre |Auflage=7., durchgesehene |Verlag=Hanser |Ort=München/Wien |Datum=1990 |ISBN=3-446-15892-8 |Seiten=58}}</ref>: | |||
::<math>\frac{1}{\sqrt{\lambda}} = 2{,}0 \log_{10} \left( Re {\sqrt{\lambda}} \right) - 0{,}8 = -2 \log_{10} \left( \frac{2{,}51}{Re \sqrt {\lambda}} \right)</math> | |||
:Über die [[Lambertsche W-Funktion]] lässt sich auch eine explizite Formulierung angeben: | |||
::<math>\lambda = \left(\frac{\ln 10}{2}\right)^2\cdot \left[W\left(\frac{\ln 10}{2}\cdot\exp\left(-0{,}8\cdot \frac{\ln 10}{2}\right)\cdot Re\right)\right]^{-2}= | |||
\frac{1{,}32547}{\left[W\left(0{,}458338\cdot Re\right)\right]^2}</math> | |||
:<math> | : Eine häufig verwendete einfache Korrelation zur näherungsweisen Berechnung des Druckverlustverhaltens des glatten Rohres im Bereich <math>Re<10^{5}</math> ist die nach ''[[Heinrich Blasius|Blasius]]'':<ref>Heinrich Blasius (1883–1970), [http://www.dglr.de/literatur/publikationen/pfeilfluegel/Kapitel1.pdf dglr.de] (PDF; 2,6 MB)</ref> | ||
:<math>Re</math> | ::<math>\lambda = \frac{0{,}3164}{Re^{0{,}25}}</math> | ||
* '''Hydraulisch raues Rohr''', d. h. die Unebenheiten der Wand des Rohres werden nicht mehr von einer ''viskosen Unterschicht'' umhüllt. Der Wert von <math>\lambda</math> errechnet sich mit der Formel von ''[[Johann Nikuradse|Nikuradse]]'': | |||
::<math>\frac 1{\sqrt{\lambda}} = -2 \log_{10} \left( \frac k{3{,}71 D} \right)</math> | |||
:mit | |||
::der absoluten [[Rauheit]] <math>k</math> (in mm) | |||
* '''Übergangsbereich''' zwischen den vorstehend angeführten Zuständen. Hier gilt nach ''[[Cyril Frank Colebrook|Colebrook]]'' und ''[[Cedric Masey White|White]]'': | |||
::<math>\lambda = \frac{ | ::<math>\frac 1{\sqrt{\lambda}} = -2 \log_{10} \left( \frac{2{,}51}{Re \sqrt {\lambda}} + \frac k{3{,}71 D} \right)</math> | ||
:Diese Formel kann näherungsweise auch für den hydraulisch glatten Bereich <math>(k \to 0)</math> und den hydraulisch rauen Bereich <math>(k \to \infty)</math> genutzt werden. | |||
: | :Die Grenze zwischen Übergangs- und rauem Bereich verläuft nach ''Moody''<ref>Lewis F. Moody, Professor für Hydraulic Engineering, [[Princeton University]]: “Friction Factors for Pipe Flow” Trans. [[ASME]], vol. 66, 1944.</ref> bei | ||
::<math>Re \sqrt{\lambda} \ \frac k D = 200 \Leftrightarrow \frac 1{\sqrt{\lambda}} = \frac {Re}{200} \ \frac k D</math>. | |||
::<math> | |||
== Erläuterungen == | == Erläuterungen == | ||
=== Rauheiten === | |||
Die nachstehende Tabelle enthält Beispiele für absolute Rauheiten.<ref>{{Literatur |Autor=Wolfgang Kalide |Titel=Einführung in die technische Strömungslehre |Auflage=7., durchgesehene |Verlag=Hanser |Ort=München/Wien |Datum=1990 |ISBN=3-446-15892-8 |Seiten=237}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=Walter Wagner |Titel=Strömung und Druckverlust: mit Beispielsammlung |Auflage=5., überarb. |Verlag=Vogel |Ort=Würzburg |Datum=2001 |ISBN=3-8023-1879-X |Seiten=79}}</ref><ref>{{Literatur |Hrsg=Buderus Heiztechnik |Titel=Handbuch für Heizungstechnik. Arbeitshilfe für die tägliche Praxis |Auflage=34. |Verlag=Beuth |Ort=Berlin/Wien/Zürich |Datum=2002 |ISBN=3-410-15283-0 |Seiten=696}}</ref> | |||
Die nachstehende Tabelle enthält Beispiele für absolute | |||
{| class="wikitable" | {| class="wikitable" | ||
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|0,3 … 0,8 | |0,3 … 0,8 | ||
|- | |- | ||
|neu, | |neu, rau | ||
|2,0 … 3,0 | |2,0 … 3,0 | ||
|- | |- | ||
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Die Verlustbeiwerte können berechnet oder aus Tabellen bzw. Diagrammen entnommen werden. | Die Verlustbeiwerte können berechnet oder aus Tabellen bzw. Diagrammen entnommen werden. | ||
In Entsprechung der Berechnung der Verlustbeiwerte für vollgefüllte Rohre | === Verlustbeiwerte für teilgefüllte Rohre bzw. beliebige Gerinnequerschnitte === | ||
In Entsprechung der Berechnung der Verlustbeiwerte für vollgefüllte Rohre können Verlustbeiwerte auch für teilgefüllte Rohre bzw. beliebige [[Gerinne]]<nowiki/>querschnitte ermittelt werden. Dabei wird in der Berechnung statt des Rohrinnendurchmessers <math>D</math> der [[Hydraulischer Durchmesser|hydraulische Durchmesser]] <math>d_{h}</math> verwendet: | |||
d_{h} | |||
</math> | |||
:<math>d_{h} | :<math>d_{h} = \frac{4 \cdot A}U</math> | ||
Die Anwendung der Rohrreibungszahl hat sich für die Berechnung des | mit | ||
* der Querschnittsfläche <math>A</math> | |||
* dem benetzten Umfang <math>U</math>. | |||
Die Anwendung der Rohrreibungszahl hat sich für die Berechnung des [[Abfluss]]es in offenen Gerinnen bisher nicht durchgesetzt und wird nur zur Berechnung des Abflusses in Rohren angewendet. Zur Berechnung des [[Strömungen in offenen Gerinnen|Abflusses in offenen Gerinnen]] wird zumeist auf die [[empirisch]] gewonnene [[Fließformel]] nach ''Strickler''<ref>Sektionschef des Eidgenössischen Amtes für Wasserwirtschaft, Albert Strickler (1887 - 1963) Beiträge zur Frage der Geschwindigkeitsformel und der Rauhigkeitszahl für Ströme, Kanäle und geschlossene Leitungen. Mitteilungen des Eidg. Amtes für Wasserwirtschaft, Bern, 1923.</ref> (im englischen Sprachraum nach ''[[Robert Manning|Manning]]''),<ref>antiquiert auch Philipe Gaspard Gauckler (1826–1905) bezeichnet</ref> zurückgegriffen. | |||
== Siehe auch == | == Siehe auch == |
Physikalische Kennzahl | |||||||||
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Name | Rohrreibungszahl | ||||||||
Formelzeichen | $ \lambda $ | ||||||||
Dimension | dimensionslos | ||||||||
Definition | $ \lambda ={\frac {\mathrm {d} p}{\mathrm {d} x}}~{\frac {2D}{\rho v^{2}}} $ | ||||||||
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Anwendungsbereich | Rohrströmungen |
Die Rohrreibungszahl λ (Lambda) ist eine dimensionslose Kennzahl zur Berechnung des Druckabfalls einer Strömung in einem geraden Rohr.
Der Druckverlust $ \Delta p $ ist bei gegebener (eventuell komplizierter) Geometrie und turbulenter Strömung näherungsweise proportional zur kinetischen Energiedichte. Das wird mit dem Druckverlustbeiwert ζ (Zeta) berücksichtigt:
Darin ist $ \rho $ die Dichte des Mediums und $ v $ die mittlere Strömungsgeschwindigkeit.
Für lange, gerade Rohre liegt es nahe, auch den Einfluss der Länge $ L $ und des Durchmessers $ D $ explizit zu berücksichtigen:
Für weniger lange Rohre gilt das nur näherungsweise, bzw. genügend weit hinter dem Eintritt differenziell:
Für die laminare, voll ausgebildete Strömung in einem kreisrunden Rohr bestimmt sich die Rohrreibungszahl nach dem Gesetz von Hagen-Poiseuille zu:
mit der Reynolds-Zahl (Re < 2300)
Bei turbulenter Strömung gibt es zur Bestimmung der Rohrreibungszahl mehrere Näherungsformeln, die je nach Rauheit des Rohrs angewendet werden:
Die nachstehende Tabelle enthält Beispiele für absolute Rauheiten.[4][5][6]
Werkstoff und Rohrart | Zustand der Rohre | $ k $ in mm |
---|---|---|
absolut glattes Rohr | theoretisch | 0 |
neuer Gummidruckschlauch | technisch glatt | ca. 0,0016 |
Rohre aus Kupfer, Leichtmetall, Glas | technisch glatt | 0,001 … 0,0015 |
Kunststoff | neu | 0,0015 … 0,007 |
Rohr aus Gusseisen | neu | 0,25 … 0,5 |
angerostet | 1,0 … 1,5 | |
verkrustet | 1,5 … 3,0 | |
Stahlrohre | gleichmäßige Rostnarben | ca. 0,15 |
neu, mit Walzhaut | 0,02 … 0,06 | |
leichte Verkrustung | 0,15 … 0,4 | |
starke Verkrustung | 2,0 … 4,0 | |
Betonrohre | neu, Glattstrich | 0,3 … 0,8 |
neu, rau | 2,0 … 3,0 | |
nach mehrjährigen Betrieb mit Wasser | 0,2 … 0,3 | |
Asbest-Zementrohre | neu | 0,03 … 0,1 |
Steinzeugrohre | neu, mit Muffen und Stößen | 0,02 … 0,25 |
Tonrohre | neu, gebrannt | 0,6 … 0,8 |
Um verschiedene Rauheiten zu vergleichen, kann man die äquivalente Sandrauigkeit verwenden.
Die Verlustbeiwerte können berechnet oder aus Tabellen bzw. Diagrammen entnommen werden.
In Entsprechung der Berechnung der Verlustbeiwerte für vollgefüllte Rohre können Verlustbeiwerte auch für teilgefüllte Rohre bzw. beliebige Gerinnequerschnitte ermittelt werden. Dabei wird in der Berechnung statt des Rohrinnendurchmessers $ D $ der hydraulische Durchmesser $ d_{h} $ verwendet:
mit
Die Anwendung der Rohrreibungszahl hat sich für die Berechnung des Abflusses in offenen Gerinnen bisher nicht durchgesetzt und wird nur zur Berechnung des Abflusses in Rohren angewendet. Zur Berechnung des Abflusses in offenen Gerinnen wird zumeist auf die empirisch gewonnene Fließformel nach Strickler[7] (im englischen Sprachraum nach Manning),[8] zurückgegriffen.