घर्षण हानि

घर्षण हानि (या घर्षण हानि) शब्द के संदर्भ के आधार पर कई अलग-अलग अर्थ हैं।


 * द्रव प्रवाह में यह शीर्ष क्षति है जो किसी पाइप या डक्ट जैसे पात्र में होता है, जो पात्र के सतह के निकट तरल पदार्थ की श्यानता के प्रभाव के कारण होता है।
 * आंतरिक दहन इंजन जैसी यांत्रिक प्रणालियों में, यह शब्द दो गतिमान सतहों के बीच घर्षण पर दक्षता पाने में लुप्त हुई शक्ति को संदर्भित करता है।


 * अर्थशास्त्र में, घर्षणात्मक हानि किसी विनिमय में प्राकृतिक और अपूरणीय हानि होती है या व्यापार करने की लागत बहुत कम होती है जिसकी गणना नहीं की जा सकती है। अतः शिपिंग में ट्रेट के साथ तुलना करें, जिसने अन्यथा अगणनीय कारकों के लिए सामान्य भत्ता दिया।

इंजीनियरिंग
जहां भी तरल पदार्थों को प्रवाहित किया जाता है, चाहे वह पूर्ण रूप से पाइप या डक्ट में संवृत हो, या वायु के लिए विवृत सतह के साथ हो, घर्षण हानि महत्वपूर्ण इंजीनियरिंग चिंता है।
 * ऐतिहासिक रूप से, यह पूरे मानव इतिहास में सभी प्रकार के एक्वाडक्ट (जल आपूर्ति) में चिंता का विषय है। यह सीवर लाइनों के लिए भी प्रासंगिक है। अतः व्यवस्थित अध्ययन से ज्ञात होता है कि हेनरी डार्सी, जलसेतु इंजीनियर थे।
 * नदी तल में प्राकृतिक प्रवाह मानव गतिविधि के लिए महत्वपूर्ण हैं; धारा तल में घर्षण हानि का प्रवाह की ऊंचाई पर प्रभाव पड़ता है, विशेष रूप से बाढ़ के समय महत्वपूर्ण।
 * पेट्रोकेमिकल वितरण के लिए पाइपलाइनों की अर्थव्यवस्था घर्षण हानि से अत्यधिक प्रभावित होती है। यमल-यूरोप पाइपलाइन 50×106 से अधिक रेनॉल्ड्स संख्या 32.3 × 109मीप्रति वर्ष 3 गैस की मात्रा प्रवाह दर पर मीथेन ले जाती है।
 * जलविद्युत अनुप्रयोगों में, अवनालिका और जलद्वार में त्वचा के घर्षण से खोई गई ऊर्जा उपयोगी कार्य, जैसे विद्युत उत्पन्न करने, के लिए उपलब्ध नहीं होती है।
 * प्रशीतन अनुप्रयोगों में, पाइप के माध्यम से या कंडेनसर के माध्यम से शीतलक द्रव को पंप करने में ऊर्जा व्यय होती है। अतः स्प्लिट प्रणाली में, शीतलक ले जाने वाले पाइप एचवीएसी प्रणाली में वायु नलिकाओं का स्थान लेते हैं।

आयतनमितीय प्रवाह की गणना
इस प्रकार से निम्नलिखित चर्चा में, हम आयतनमितीय प्रवाह दर V̇ (अर्थात प्रति समय प्रवाहकीय तरल पदार्थ की मात्रा) को

$$\dot{V} = \pi r^2 v$$

के रूप में परिभाषित करते हैं, जहां
 * r = पाइप की त्रिज्या (वृत्ताकार खंड के पाइप के लिए, पाइप की आंतरिक त्रिज्या)।
 * v = पाइप के माध्यम से प्रवाहकीय द्रव का माध्य वेग।
 * A = पाइप का अनुप्रस्थ काट क्षेत्र।

अतः लंबे पाइपों में, दाब में कमी (पाइप समतल है) सम्मिलित पाइप की लंबाई के समानुपाती होती है। घर्षण हानि पाइप L
 * $$\frac{ \Delta p }{ L } $$ की प्रति इकाई लंबाई में दाब Δp में परिवर्तन है।

जब दाब को उस तरल पदार्थ के स्तंभ की समतुल्य ऊंचाई के संदर्भ में व्यक्त किया जाता है, जैसा कि जल के साथ सामान्य है, तो घर्षण हानि को S के रूप में व्यक्त किया जाता है, पाइप की प्रति लंबाई में शीर्ष हानि, आयामहीन मात्रा जिसे हाइड्रोलिक प्रवणता के रूप में भी जाना जाता है।
 * $$S = \frac{h_f }{ L } = \frac{ 1 }{ \rho \mathrm{g} } \frac{ \Delta p }{ L } .$$

जहां
 * ρ = घनत्व, (एसआई kg / m3)
 * g = स्थानीय गुरुत्वाकर्षण त्वरण;

घर्षण हानि की विशेषता
घर्षण हानि, जो पाइप की सतह और भीतर प्रवाहकीय तरल पदार्थ के बीच कतरनी तनाव के कारण होती है, प्रवाह की स्थितियों और प्रणाली के भौतिक गुणों पर निर्भर करती है। अतः इन स्थितियों को आयामहीन संख्या Re में समाहित किया जा सकता है, जिसे रेनॉल्ड्स संख्या
 * $$\mathrm{Re}=\frac{1}{\nu}VD$$

के रूप में जाना जाता है, जहां V माध्य द्रव वेग है और D (बेलनाकार) पाइप का व्यास है। इस अभिव्यक्ति में, द्रव के गुण स्वयं गतिक श्यानता ν
 * $$\nu=\frac{\mu}{\rho}$$ तक कम हो जाते हैं,

जहां
 * μ = श्यानता (एसआई kg / m • s)

सीधे पाइप में घर्षण हानि
पाइप के समान, सीधे खंडों में घर्षण हानि, जिसे प्रमुख हानि के रूप में जाना जाता है, श्यानता के प्रभाव, दूसरे के विरुद्ध या पाइप की (संभवतः खुरदरी) दीवार के विरुद्ध द्रव अणुओं की गति के कारण होता है। यहां, यह इस बात से बहुत प्रभावित होता है कि प्रवाह लैमिनार प्रवाह (Re<2000) है या अशांत प्रवाह (Re> 4000):


 * लामिना के प्रवाह में, हानि हेगन-पॉइज़ुइल समीकरण, V हैं; वह वेग द्रव के थोक और पाइप की सतह के बीच सुचारू रूप से भिन्न होता है, जहां यह शून्य है। पाइप की सतह का खुरदरापन न तो द्रव प्रवाह और न ही घर्षण हानि को प्रभावित करता है।


 * अशांत प्रवाह में, हानि डार्सी-वेस्बैक समीकरण, V2 के समानुपाती होते हैं; यहां, पाइप की सतह के निकट अराजक भंवरों और भंवरों की परत, जिसे श्यान उप-परत कहा जाता है, थोक प्रवाह में संक्रमण बनाती है। अतः इस डोमेन में, पाइप की सतह के खुरदरेपन के प्रभावों पर विचार किया जाना चाहिए। उस खुरदरेपन को खुरदरापन ऊंचाई ε और पाइप व्यास D, सापेक्ष खुरदरापन के अनुपात के रूप में चित्रित करना उपयोगी है। इस प्रकार से तीन उप-डोमेन अशांत प्रवाह से संबंधित हैं:
 * चिकने पाइप डोमेन में, घर्षण हानि खुरदरापन के प्रति अपेक्षाकृत असंवेदनशील है।
 * खुरदरे पाइप डोमेन में, घर्षण हानि सापेक्ष खुरदरापन पर प्रभावी होती है और रेनॉल्ड्स संख्या के प्रति असंवेदनशील होती है।
 * संक्रमण क्षेत्र में, घर्षण हानि दोनों के प्रति संवेदनशील है।
 * रेनॉल्ड्स संख्या 2000 <Re<4000 के लिए, प्रवाह अस्थिर है, समय के साथ परिवर्तित होता रहता है क्योंकि प्रवाह के भीतर भंवर बनते हैं और यादृच्छिक रूप से लुप्त हो जाते हैं। प्रवाह का यह क्षेत्र ठीक रूप से तैयार नहीं किया गया है, न ही विवरण ठीक रूप से समझा गया है।

रूप घर्षण
सीधे पाइप प्रवाह के अतिरिक्त अन्य कारक घर्षण हानि को प्रेरित करते हैं; इस प्रकार से इन्हें साधारण हानि के रूप में जाना जाता है: अतः किसी प्रणाली की कुल घर्षण हानि की गणना के प्रयोजनों के लिए, घर्षण के स्रोतों को कभी-कभी पाइप की समतुल्य लंबाई तक कम कर दिया जाता है।
 * फिटिंग, जैसे बेंड्स, कपलिंग, वाल्व, या नली (नलिका) या पाइपलाइन व्यास में संक्रमण, या
 * द्रव प्रवाह में अंतर्वेधित करने वाली वस्तुएँ।

सतह खुरदरापन
पाइप या डक्ट की सतह का खुरदरापन अशांत प्रवाह के शासन में मूडी आरेख को प्रभावित करता है। इस प्रकार से सामान्यतः ε द्वारा निरूपित, कुछ प्रतिनिधि विवरणों के लिए जल प्रवाह की गणना के लिए उपयोग किए जाने वाले मान हैं: अतः इस प्रकार से नलिकाओं (उदाहरण के लिए, वायु) में घर्षण हानि की गणना में उपयोग किए जाने वाले मान हैं:

हेगन-पॉइज़ुइल
अभ्यास में लेमिनर प्रवाह का सामना बहुत श्यान तरल पदार्थों, जैसे मोटर तेल, के साथ होता है, जो कम वेग से छोटे-व्यास ट्यूबों के माध्यम से बहता है। लैमिनर प्रवाह की स्थितियों के अंतर्गत घर्षण हानि हेगन-पॉइज़ुइल समीकरण का पालन करती है, जो नेवियर-स्टोक्स समीकरणों से हेगन-पॉइज़ुइल प्रवाह का यथार्थ हल है। घनत्व ρ और श्यानता μ के तरल पदार्थ के साथ गोलाकार पाइप के लिए, हाइड्रोलिक प्रवणता S को
 * $$S = \frac{64}{\mathrm{Re}} \frac{V^2}{2gD} = \frac{64\nu}{2g} \frac{V}{D^2}$$ व्यक्त किया जा सकता है।

लामिना प्रवाह में (अर्थात् Re<~2000 के साथ), हाइड्रोलिक प्रवणता प्रवाह वेग के समानुपाती होता है।

डार्सी-वेस्बैक
कई व्यावहारिक इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों में, द्रव प्रवाह अधिक तीव्र होता है, इसलिए लामिना के अतिरिक्त अशांत होता है। अशांत प्रवाह के अंतर्गत, घर्षण हानि लगभग प्रवाह वेग के वर्ग के समानुपाती और पाइप व्यास के व्युत्क्रमानुपाती पाई जाती है, अर्थात, घर्षण हानि घटनात्मक डार्सी-वेस्बैक समीकरण का अनुसरण करती है जिसमें हाइड्रोलिक प्रवणता S को
 * $$S = f_D \frac{ 1 }{ 2g } \frac{V^2}{D} $$

व्यक्त किया जा सकता है, जहां हमने डार्सी घर्षण कारक fD प्रस्तुत किया है (परंतु डार्सी-वेस्बैक समीकरण या फैनिंग घर्षण कारक के साथ भ्रम देखें);
 * fD = डार्सी घर्षण कारक सूत्र

ध्यान दें कि इस आयामहीन कारक का मान पाइप व्यास D और पाइप सतह की खुरदरापन ε पर निर्भर करता है। इसके अतिरिक्त, यह प्रवाह वेग V और द्रव के भौतिक गुणों पर भी भिन्न होता है (सामान्यतः रेनॉल्ड्स संख्या Re में साथ डाला जाता है)। इस प्रकार, घर्षण हानि प्रवाह वेग के वर्ग के लिए निश्चित आनुपातिक नहीं है, न ही पाइप व्यास के व्युत्क्रम के लिए: घर्षण कारक इन मापदंडों पर शेष निर्भरता को ध्यान में रखता है।

प्रयोगात्मक माप से, fD की भिन्नता की सामान्य विशेषताएं निश्चित सापेक्ष खुरदरापन के लिए ε / D और रेनॉल्ड्स संख्या Re = V D / ν > ~2000 के लिए हैं,
 * सापेक्ष खुरदरापन के साथ ε / D <10−6, fD अनुमानित शक्ति नियम में Re बढ़ने के साथ मान में गिरावट आती है, fD में परिमाण परिवर्तन के क्रम के साथ Re में परिमाण के चार क्रम से अधिक है। इसे चिकनी पाइप व्यवस्था कहा जाता है, जहां प्रवाह अशांत होता है परंतु पाइप की खुरदरापन विशेषताओं के प्रति संवेदनशील नहीं होता है (क्योंकि भंवर उन विशेषताओं से बहुत बड़े होते हैं)।
 * उच्च खुरदरेपन पर, रेनॉल्ड्स संख्या बढ़ने के साथ Re, fD अपने चिकने पाइप मान से चढ़ता है, अनंतस्पर्शी तक पहुंचता है जो सापेक्ष खुरदरापन ε / D के साथ लघुगणकीय रूप से भिन्न होता है; इस व्यवस्था को खुरदरे पाइप प्रवाह कहा जाता है।
 * सुचारू प्रवाह से प्रस्थान का बिंदु रेनॉल्ड्स संख्या पर होता है जो सापेक्ष खुरदरेपन के मान के लगभग व्युत्क्रमानुपाती होता है: सापेक्ष खुरदरापन जितना अधिक होगा, प्रस्थान का Re उतना ही कम होगा। चिकने पाइप प्रवाह और खुरदरे पाइप प्रवाह के बीच Re और ε/D की सीमा को संक्रमणकालीन लेबल किया गया है। अतः इस क्षेत्र में, निकुराडसे की माप fD के मान में गिरावट दर्शाती है पुनः के साथ, नीचे से इसके स्पर्शोन्मुख मान तक पहुँचने से पहले, यद्यपि मूडी ने अपने आरेख में उन डेटा का अनुसरण न करने का निर्णय लिया, जो डार्सी घर्षण कारक सूत्र या कोलब्रुक-व्हाइट समीकरण पर आधारित है।
 * 2000 <Re<4000 के मानों पर, प्रवाह का महत्वपूर्ण क्षेत्र है, लामिना से अशांति तक संक्रमण, जहां fD का मान इसके लेमिनर मान 64 /Re से इसके चिकने पाइप मान तक बढ़ जाता है। इस क्षेत्र में, द्रव प्रवाह अस्थिर पाया जाता है, समय के साथ प्रवाह के भीतर भंवर दिखाई देते हैं और लुप्त हो जाते हैं।
 * fD की संपूर्ण निर्भरता पाइप व्यास पर D को रेनॉल्ड्स संख्या Re और सापेक्ष खुरदरापन ε / D में समाहित किया गया है, इसी प्रकार द्रव गुण घनत्व ρ और श्यानता μ पर संपूर्ण निर्भरता को रेनॉल्ड्स संख्या Re में समाहित किया गया है। इसे स्केलिंग कहा जाता है।

fD के प्रयोगात्मक रूप से मापा गया मान (पुनरावर्ती) डार्सी घर्षण कारक सूत्रों द्वारा उचित यथार्थता के लिए उपयुक्त हैं, मूडी आरेख में ग्राफिक रूप से दर्शाया गया है जो सापेक्ष खुरदरापन ε / D के चयनित मूल्यों के लिए घर्षण कारक fD बनाम रेनॉल्ड्स संख्या Re को प्लॉट करता है।

एक पाइप में जल के लिए घर्षण हानि की गणना
एक डिज़ाइन समस्या में, कोई उम्मीदवार पाइप के व्यास D और इसकी खुरदरापन ε के आधार पर एक विशेष हाइड्रोलिक प्रवणता S के लिए पाइप का चयन कर सकता है। इनपुट के रूप में इन मात्राओं के साथ, घर्षण कारक fD को कोलब्रुक-व्हाइट समीकरण या अन्य फिटिंग क्रिया में संवृत रूप में व्यक्त किया जा सकता है, और प्रवाह मात्रा Q और प्रवाह वेग V की गणना वहां से की जा सकती है।

जल की स्थिति में (ρ = 1 g/cc, μ = 1 g/m/s ) 12-इंच (300 मिमी) शेड्यूल-40 पीवीसी पाइप (ε = 0.0015 मिमी, = 11.938 इंच) के माध्यम से बहते हुए, हाइड्रोलिक प्रवणता S = 0.01 (1%) प्रवाह दर Q = 157 एलपीएस (लीटर प्रति सेकंड), या वेग V = 2.17 m/s (मीटर प्रति सेकंड) पर पहुंचा जाता है। निम्न तालिका रेनॉल्ड्स संख्या Re, डार्सी घर्षण कारक fD देती है, प्रवाह दर Q, और वेग V देती है जैसे कि विभिन्न नाममात्र पाइप (एनपीएस) आकारों के लिए हाइड्रोलिक प्रवणता S = hf / L = 0.01। ध्यान दें कि उद्धृत स्रोत सुझाव देते हैं कि प्रवाह वेग 5 फीट/सेकंड (~1.5 मीटर/सेकेंड) से नीचे रखा जाना चाहिए।

यह भी ध्यान दें कि दिया गया fD इस तालिका में वस्तुतः एनएफपीए और उद्योग द्वारा अपनाई गई मात्रा है, जिसे C के नाम से जाना जाता है, जिसमें शाही इकाइयां psi/(00 gpm2ft) हैं, और इस प्रकार से निम्नलिखित संबंध का उपयोग करके गणना की जा सकती है:
 * $$ \Delta P_f' = CQ'^2L' $$

जहां $$\Delta P_f'$$ पीएसआई में दाब है, $$Q'$$ 100gpm में प्रवाह है और $$L'$$ पाइप की लंबाई 100 फीट है।

एक वाहिनी में वायु के लिए घर्षण हानि की गणना
फ़ाइल: धातु वाहिनी में वायु के लिए समान-घर्षण आरेख (ε = 0.05mm).svg|thumb| मानक तापमान और दाब पर वायु के लिए, पाइप व्यास डी के लिए विकल्पों की श्रृंखला के लिए, पाइप की प्रति इकाई लंबाई में दाब हानि, बनाम प्रवाह मात्रा क्यू के बीच संबंध का चित्रमय चित्रण। इकाइयाँ SI हैं। स्थिरांक पुनः की पंक्तियाँ$1⁄2$ भी दिखाए गए हैं.

अतः घर्षण हानि तब होती है जब गैस, मान लीजिए वायु, डक्ट (प्रवाह) के माध्यम से प्रवाहित होती है। पाइप में जल की स्थिति में प्रवाह के रूप में अंतर अलग-अलग रेनॉल्ड्स संख्या Re और डक्ट के खुरदरापन से उत्पन्न होता है।

घर्षण हानि को सामान्यतः 100 फीट या (SI) kg / m2 / s2 के लिए (यूएस) इंच जल की इकाइयों में दी गई डक्ट लंबाई, Δp/L के लिए दाब हानि के रूप में दिया जाता है।

इस प्रकार से डक्ट पदार्थ के विशिष्ट विकल्पों के लिए, और मानक तापमान और दाब (एसटीपी) पर वायु मानने के लिए, अपेक्षित घर्षण हानि की गणना के लिए मानक आरेख का उपयोग किया जा सकता है। इस अनुभाग में प्रदर्शित आरेख का उपयोग ऐसे एप्लिकेशन में स्थापित किए जाने वाले डक्ट के आवश्यक व्यास को ग्राफ़िक रूप से निर्धारित करने के लिए किया जा सकता है जहां प्रवाह की मात्रा निर्धारित की जाती है और जहां लक्ष्य डक्ट S की प्रति इकाई लंबाई में दाब हानि को अध्ययनाधीन प्रणाली के सभी भागों में कुछ लक्ष्य मान से नीचे बनाए रखना है। सबसे पहले, ऊर्ध्वाधर अक्ष (कोटि अक्ष) पर वांछित दाब हानि Δp / L, मान लीजिए 1 kg / m2 / s2 (H2O प्रति 100 फीट में 0.12) का चयन करें। अतः अग्रिम क्षैतिज रूप से आवश्यक प्रवाह मात्रा Q पर स्कैन करें, मान लीजिए 1 m3 / s (2000 cfm): व्यास D = 0.5 m (20 इंच) के साथ डक्ट का चयन करने से दाब हानि दर Δp/L लक्ष्य मान से कम हो जाएगी। ध्यान दें कि व्यास D = 0.6 m (24 इंच) के साथ एक डक्ट का चयन करने से 0.02 kg /m2 / s2 (प्रति 100 फीट पर 0.02 H2O) का Δp / L की हानि होगी, जो साधारण बड़े डक्ट का उपयोग करके ब्लोअर दक्षता में प्राप्त किए जाने वाले उच्चतम लाभ को दर्शाता है।

इस प्रकार से निम्न तालिका प्रवाह दर Q इस प्रकार देती है कि विभिन्न नाममात्र डक्ट आकारों के लिए प्रति इकाई लंबाई Δp / L (SI kg / m2 / s2) घर्षण हानि क्रमशः 0.082, 0.245 और 0.816 है। घर्षण हानि के लिए चुने गए तीन मान यूएस इकाई इंच जल स्तंभ प्रति 100 फीट, 0.01, .03, और 0.1 के अनुरूप हैं। अतः ध्यान दें कि, अनुमानित रूप से, प्रवाह मात्रा के दिए गए मान के लिए, डक्ट आकार में चरण (मान लीजिए 100 मिमी से 120 मिमी तक) घर्षण हानि को 3 के कारक से कम कर देगा। ध्यान दें कि, यहां प्रस्तुत आरेख और तालिका के लिए, प्रवाह अशांत, सुचारू पाइप डोमेन में है, सभी स्थितियों में R* <5 के साथ।

अग्रिम पठन

 * Cited by Moody, L. F. (1944)
 * Cited by Moody, L. F. (1944)
 * Exhibits Nikuradse data.
 * Large amounts of field data on commercial pipes. The Colebrook–White equation was found inadequate over a wide range of flow conditions.
 * Shows friction factor in the smooth flow region for 1 < Re < 108 from two very different measurements.
 * Cited by Moody, L. F. (1944)
 * Exhibits Nikuradse data.
 * Large amounts of field data on commercial pipes. The Colebrook–White equation was found inadequate over a wide range of flow conditions.
 * Shows friction factor in the smooth flow region for 1 < Re < 108 from two very different measurements.
 * Shows friction factor in the smooth flow region for 1 < Re < 108 from two very different measurements.

बाहरी संबंध

 * Pipe pressure drop calculator for single phase flows.
 * Pipe pressure drop calculator for two phase flows.
 * Open source pipe pressure drop calculator.