相对粗糙度和绝对粗糙度是两个术语，用于描述运输流体的商用管道内存在的不规则性。绝对粗糙度是这些不规则度的平均值或平均值，转换为管道内半径的平均值。
绝对粗糙度被认为是所用材料的一种特性，通常以米，英寸或英尺为单位进行测量。就其本身而言，相对粗糙度是管的绝对粗糙度和直径之间的商，因此是无量纲的量。
图1.铜管。资料来源：
相对粗糙度很重要，因为相同的绝对粗糙度对细管的影响比对大管的影响要大。
显然，管道的粗糙度会与摩擦配合，从而降低了流体在管道内移动的速度。在很长的管道中，流体甚至可能停止流动。
因此，在流量分析中评估摩擦非常重要，因为要维持运动，必须通过泵施加压力。为了补偿损失，有必要增加泵的功率，从而影响成本。
压力损失的其他来源是流体的粘度，管子的直径，管子的长度，可能的收缩以及阀，水龙头和弯头的存在。
粗糙度的来源
管的内部永远不会在微观层面上完全光滑。壁在表面上具有不规则性，这在很大程度上取决于制造它们的材料。
图2.管道内的粗糙度。资料来源：自制。
而且，在使用后，由于管道材料和流体之间的化学反应引起的结垢和腐蚀，粗糙度增加。这种增加的范围可以是工厂粗糙度值的5到10倍。
商业管道显示的粗糙度值以米或英尺为单位，尽管显然它们对新的清洁管道有效，因为随着时间的流逝，粗糙度将改变其出厂值。
某些用于商业用途的材料的粗糙度值
以下是商用管道公认的绝对粗糙度值：
-铜，黄铜和铅：1.5 x 10 -6 m（5 x 10 -6 ft）。
-无涂层铸铁：2.4 x 10 -4 m（8 x 10 -4 ft）。
-锻铁：4.6 x 10 -5 m（1.5 x 10 -4英尺）。
-铆钉钢：1.8 x 10 -3 m（6 x 10 -3 ft）。
-商业钢或焊接钢：4.6 x 10 -5 m（1.5 x 10 -4 ft）。
-衬有沥青的铸铁：1.2 x 10 -4 m（4 x 10 -4 ft）。
-塑料和玻璃：0.0 m（0.0 ft）。
知道有关材料制成的管子的直径，即可评估相对粗糙度。如果将绝对粗糙度表示为e，将直径表示为D，则相对粗糙度表示为：
上面的方程式假设为圆柱形管，但如果不是，则可以使用称为液压半径的大小，其中直径用此值的四倍替换。
绝对粗糙度的测定
为了找到管道的粗糙度，已经提出了各种经验模型，这些模型考虑了几何因素，例如壁中不规则形状的形状及其分布。
1933年左右，路德维希·普兰特（Ludwig Prandtl）的学生德国工程师J. Nikuradse在管道上涂了不同尺寸的沙粒，其直径恰好是绝对粗糙度e。Nikuradse处理的管道，其e / D值从0.000985到0.0333，
在这些控制良好的实验中，粗糙度是均匀分布的，而实际情况并非如此。但是，这些e值仍然是一个很好的近似值，可以估算粗糙度将如何影响摩擦损耗。
管道制造商指示的粗糙度实际上等于人工创建的粗糙度，就像Nikuradse和其他实验人员所做的那样。因此，有时称为等效砂。
层流和湍流
根据流体的运动速度，管道的粗糙度是一个非常重要的考虑因素。与粘度有关的流体可以层流或湍流运动。
在层流中，流体有条不紊地分层运动，管道表面的不规则性减轻了重量，因此通常不予考虑。在这种情况下，正是流体的粘度在层之间产生剪切应力，从而导致能量损失。
层流的例子有水流从水龙头低速流出，烟雾从点燃的熏香棒中喷涌而出，或者是由奥斯本·雷诺兹（Osborne Reynolds）确定的向水流中喷射喷墨的开始在1883年。
相反，湍流不那么有序，更混乱。在这种流动中，运动是不规则的并且不是很可预测的。一个例子是当香棒停止平稳移动并开始形成一系列不规则的小束，称为湍流时，其上的烟雾。
根据以下标准，称为雷诺数N R的无量纲数值参数指示流体是否具有一种状态或另一种状态：
如果N R <2000，则流体为层流；如果N R > 4000，则流体湍流。对于中间值，该状态被认为是过渡性的，并且运动是不稳定的。
摩擦系数
该因素允许发现由于摩擦引起的能量损失，并且仅取决于层流的雷诺数，但是在湍流中，存在相对粗糙度。
如果f是摩擦系数，则有一个经验公式可以找到它，称为Colebrook方程。它取决于相对粗糙度和雷诺数，但是它的分辨率并不容易，因为没有明确给出f：
这就是为什么要创建诸如Moody图之类的曲线的原因，该曲线可以轻松地找到给定雷诺数和相对粗糙度的摩擦系数值。根据经验，已获得确实具有f的方程，该方程与Colebrook方程非常接近。
老化管
有一个经验公式可以评估使用引起的绝对粗糙度的增加，知道工厂绝对粗糙度e o的值：
其中e是经过t年后的粗糙度，而α是以m /年，英寸/年或英尺/年为单位的系数，称为粗糙度指数的年度增加。
最初用于铸铁管，但可与其他类型的无涂层金属管配合使用。其中，流体的pH值就其耐久性而言很重要，因为碱性水会大大降低流量。
另一方面，涂层管或塑料，水泥和光滑混凝土的粗糙度不会随时间明显增加。
参考文献
- Belyadi，霍斯。水力压裂化学品的选择与设计。摘自：sciencedirect.com。
- Cimbala，C.，2006年。流体力学，基础知识和应用。麦克 格劳希尔。335-342。
- Franzini，J.1999。《流体力学及其应用》在工程学中。麦克 格劳·希尔（Graw Hill）：176-177。
- Mott，R.，2006年。流体力学。4号 版。培生教育。240-242。
- Ratnayaka，D。液压。摘自：sciencedirect.com。