Fanning sürtünme faktörü

Fanning sürtünme faktörü veya Fanning sürtünme katsayısı, John Thomas Fanning'in adını taşıyan ve sürekli ortamlar mekaniği hesaplamalarında kullanılan boyutsuz bir sayıdır. Bu faktör, yerel kayma gerilmesi ile yerel akış kinetik enerji yoğunluğu arasındaki oranı ifade eder:

burada:

 , yerel Fanning sürtünme faktörüdür (boyutsuz)
 , yerel kayma gerilmesidir (birim:  veya  veya Pa)
 , genel dinamik basınçtır (birim:  veya )

Dinamik basınç şu şekilde tanımlanır:

burada:

 , akışkanın yoğunluğudur (birim:  veya )
 , genel akış hızıdır (birim:  veya )

Özellikle, duvardaki kayma gerilmesi, duvar kayma gerilmesini duvar alanı (dairesel kesitli bir boru için ) ile çarparak ve kesit akış alanına (dairesel kesitli bir boru için ) bölerek basınç kaybı ile ilişkilendirilebilir. Böylece  olur.

 Fanning sürtünme faktörü formülü 
Bu sürtünme faktörü, Darcy sürtünme faktörünün dörtte biridir, bu yüzden "sürtünme faktörü" tablosu veya denklemi incelenirken hangisinin kastedildiğine dikkat edilmelidir. Bu iki faktörden, Fanning sürtünme faktörü, kimya mühendisleri ve İngiliz sistemini takip edenler tarafından daha yaygın olarak kullanılır.

Aşağıdaki formüller, yaygın uygulamalar için Fanning sürtünme faktörünü elde etmek amacıyla kullanılabilir.

Darcy sürtünme faktörü şu şekilde de ifade edilebilir:

burada:

 , duvardaki kayma gerilmesidir
 , akışkanın yoğunluğudur
 , akış kesitinde ortalama akış hızıdır

 Yuvarlak borularda laminer akış 
Grafikten, sürtünme faktörünün, mikroskobik düzeydeki bazı pürüzlülükler nedeniyle, pürüzsüz borular için bile hiçbir zaman sıfır olmadığı açıktır.

Yuvarlak borularda Newton akışkanıların laminer akışı için sürtünme faktörü genellikle şu şekilde alınır:

burada Re, akışın Reynolds sayısıdır.

Kare bir kanal için kullanılan eşitlik ise şudur:

 Yuvarlak borularda türbülanslı akış 

 Hidrolik olarak pürüzsüz borular 
Blasius, 1913 yılında  rejimindeki akış için bir sürtünme faktörü ifadesi geliştirdi.

Koo, 1933 yılında  bölgesindeki türbülanslı akış için başka bir açık formül türetti:

 Genel pürüzlülüğe sahip borular 
Boru belirli bir pürüzlülüğe sahipse (), Fanning sürtünme faktörü hesaplanırken bu faktör dikkate alınmalıdır. Boru pürüzlülüğü ile Fanning sürtünme faktörü arasındaki ilişki, Haaland (1983) tarafından  akış koşulları altında aşağıdaki gibi geliştirilmiştir.

burada,

  borunun iç yüzeyinin pürüzlülüğüdür (uzunluk birimi)
 D borunun iç çapıdır.

Swamee–Jain denklemi, tam dolu dairesel bir boru için Darcy–Weisbach sürtünme faktörü fyi doğrudan çözmek için kullanılır. Bu denklem, örtük Colebrook–White denkleminin bir yaklaşığıdır.

 Tam pürüzlü borular 
Pürüzlülük türbülanslı çekirdeğe kadar uzandığında, Fanning sürtünme faktörü büyük Reynolds sayılarında akışkanın viskozitesinden bağımsız hale gelir. Nikuradse ve Reichert (1943),  bölgesindeki akış için bunu göstermiştir. Aşağıdaki denklem, Darcy sürtünme faktörü için geliştirilen orijinal formattan  faktörüyle değiştirilmiştir.

 Genel ifade 
Türbülanslı akış rejiminde, Fanning sürtünme faktörü ile Reynolds sayısı arasındaki ilişki daha karmaşıktır ve Colebrook denklemi ile yönetilir ve bu denklem  cinsinden örtüktür:

Türbülanslı akış için ilgili Darcy sürtünme faktörünün çeşitli açık yaklaşımları (İng. explicit) geliştirilmiştir.

Stuart W. Churchill hem laminer hem de türbülanslı akış için sürtünme faktörünü kapsayan bir formül geliştirdi. Bu formül başlangıçta Reynolds sayısına karşı Darcy-Weisbach Sürtünme faktörünü çizen Moody diyagramını tanımlamak için oluşturulmuştur. Darcy Weisbach Formülü , aynı zamanda Moody sürtünme faktörü olarak da bilinir ve Fanning sürtünme faktörünün  dört katıdır, bu yüzden aşağıdaki formülü oluşturmak için  faktörü uygulanmıştır.

 Re, Reynolds sayısı (boyutsuz);
 ε, borunun iç yüzeyinin pürüzlülüğü (uzunluk birimi);
 D, borunun iç çapı;
 ln, doğal logaritma;
 Burada, , Darcy-Weisbach Sürtünme faktörü  değildir,  'nin dört katı daha düşüktür;

 Dairesel olmayan kanallardaki akışlar 
Dairesel olmayan kanalların geometrisi nedeniyle, Fanning sürtünme faktörü, hidrolik yarıçap  kullanılarak ve Reynolds sayısı  hesaplanarak yukarıdaki cebirsel ifadelerden tahmin edilebilir.

 Uygulama 
Sürtünme kaybı (İng. hydraulic head) sürtünme nedeniyle meydana gelen basınç kaybı, basınç kaybının yerçekimi ivmesi ve akışkanın yoğunluğu çarpımına bölünmesiyle ilişkilendirilebilir. Buna göre, sürtünme kaybı ile Fanning sürtünme faktörü arasındaki ilişki şu şekildedir:

burada:

, borunun sürtünme kaybıdır (yük kaybı)., borunun Fanning sürtünme faktörüdür., borudaki akış hızıdır., borunun uzunluğudur., yerel yerçekimi ivmesidir.', borunun çapıdır.

Kaynakça

Diğer okumalar

Kategori:Akışkanlar mekaniği boyutsuz sayıları
Kategori:Akışkanlar mekaniği
Kategori:Akışkanlar dinamiği denklemleri
Kategori:Boru tesisatı