Абсолютная шероховатость труб (Таблица)
Шероховатость поверхности — совокупность неровностей поверхности с относительно малыми шагами на базовой длине.
На потери напора по длине при турбулентном режиме может оказывать влияние шероховатость стенок. Под шероховатостью будем понимать присутствие у любой поверхности неровностей (выступы и впадины). При заводском изготовлении труб шероховатость их внутренних стенок носит нерегулярный характер, как по высоте, так и по расположению, и поэтому одним параметром охарактеризована быть не может. Несмотря на это, в технических расчетах выбирают единственный параметр, а именно среднюю высоту выступов шероховатости; ее обозначают k (или Δ).
Абсолютной шероховатостью Δ называют среднюю высоту выступов шероховатости.
Опыты показали, что при одной и той же величине абсолютной шероховатости влияние ее на величину гидравлического сопротивления различно в зависимости от диаметра трубы. Поэтому вводится величина относительной шероховатости Δ/d .
Относительной шероховатостью называется отношение абсолютной шероховатости к диаметру трубы, т.е. Δ/d .
Таблица абсолютная шероховатость поверхности труб
| Виды труб и материалов | Состояние поверхности труб, перекачиваемая среда и условия эксплуатации | Шероховатость, Δ, мм |
| Цельнотянутые из латуни, меди, свинца | Технически гладкие | 0,0015—0,0100 |
| Цельнотянутые из алюминия | Технически гладкие | 0,015—0,06 |
| Новые | 0,02—0,10 | |
| Очищенные после многих лет эксплуатации | до 0,04 | |
| Цельнотянутые стальные | Битумированные | до 0,04 |
| Теплофикационные для водяного пара и водяные при наличии деаэрации и химической очистки проточной воды | 0,10 | |
| После одного года эксплуатации на газопроводе | 0,12 | |
| После нескольких лет эксплуатации в насосно-компрессорных системах газовой скважины при различных условиях | 0,04—0,20 | |
| Паропроводы насыщенного пара и водяных теплопроводов при незначительных утечках воды (до 0,5%) и деаэрации подпитки | 0,20 | |
| Трубопроводы систем водяного отопления вне зависимости от источника питания | 0,20 | |
| Нефтепроводы для средних условий эксплуатации | 0,20 | |
| Умеренно корродированные | 0,4 | |
| Наличие небольших отложений накипи | 0,4 | |
| Паропроводы, работающие периодически (с простоями) и конденсато-проводы с открытой системой конденсата | 0,5 | |
| Цельнотянутые стальные | Воздухопроводы от поршневых и турбокомпрессоров | 0,8 |
| То же, после нескольких лет эксплуатации в других условиях (корродированные или имеющие небольшие отложения) | 0,15—1,0 | |
| Водопроводные трубы, находившиеся в эксплуатации | 1,2—1,5 | |
| Наличие больших отложений накипи | 3,0 | |
| То же, поверхность труб в плохом состоянии | ≥5,0 | |
| Новые или старые в лучшем состоянии сварные или клепаные соединения | 0,04—0,10 | |
| Новые битумированные | 0,05 | |
| Цельнотянутые стальные | Бывшие в эксплуатации, битум частично растворен, корродированные | 0,10 |
| Бывшие в эксплуатации, равномерно корродированные | 0,15 | |
| Цельносварные стальные | Магистральные газопроводы после многих лет эксплуатации | 0,5 |
| То же, слоевые отложения | 1,1 | |
| Наличие значительных отложений | 2,0—4,0 | |
| После 25 лет эксплуатации на городском газопроводе; наличие неравномерных отложений смолы и нафталина | 2,4 | |
| Поверхность труб в плохом состоянии; неравномерное покрытие соединений | 5,0 |
10.2. Закономерности изменения коэффициента гидравлического трения
Потери напора по длине трубопровода обычно находят по формуле (9.14). При этом основной задачей является определение коэффициента
гидравлического трения
. В общем случае коэффициент гидравлического трения может зависеть от двух безразмерных параметров – числа
Re
=
и
k/d
, т.е.
.
На рис. 10.1 представлен экспериментальный график зависимости коэффициента
от числа Рейнольдса, на нем изменение коэффициента
представлено рядом кривых, каждая из которых соответствует определённой относительной шероховатости, т.е. отношениюk/d
.
На графике можно выделить три области: I — область гидравлически гладких труб, соответствующую сравнительно малым числам Рейнольдса, II — область доквадратичного сопротивления, III — область квадратичного сопротивления. В области гидравлически гладких труб коэффициент
зависит от числа Рейнольдса, в доквадратичной области коэффициент
зависит от числаRe
и от относительной шероховатости, а в области квадратичного сопротивления – только от относительной шероховатости.
Red
Рис. 10.1. График Мурина – Шевелёва
Затраты на ретрансляцию
Интернет — это сеть с максимальными усилиями, что означает, что пакеты будут доставлены, если это возможно, но также могут быть отброшены. Отбрасывание пакетов корректируется транспортным уровнем, в случае TCP; для UDP такого механизма нет, что означает, что либо приложению все равно, не доставляются ли некоторые части данных, либо приложение само выполняет повторную передачу поверх UDP.
Повторная передача снижает полезную производительность по двум причинам:
а. Некоторые данные необходимо отправить снова, что занимает много времени. Это вводит задержку, которая обратно пропорциональна скорости самого медленного канала в сети между отправителем и получателем (он же является узким местом). б. Обнаружение того, что некоторые данные не были доставлены, требует обратной связи от получателя к отправителю. Из-за задержек распространения (иногда называемых задержкой; вызванных конечной скоростью света в кабеле), обратная связь может быть получена отправителем только с некоторой задержкой, что еще больше замедляет передачу. В большинстве практических случаев это наиболее значительный вклад в дополнительную задержку, вызванную повторной передачей.
Понятно, что если вы используете UDP вместо TCP и не заботитесь о потере пакетов, вы, конечно, получите лучшую производительность. Но для многих приложений потеря данных недопустима, поэтому такое измерение не имеет смысла.
Есть некоторые приложения, которые используют UDP для передачи данных. Одним из них является BitTorrent, который может использовать либо TCP, либо протокол, который они разработали, который называется uTP, который эмулирует TCP поверх UDP, но нацелен на повышение эффективности при использовании множества параллельных соединений. Другим транспортным протоколом, реализованным по протоколу UDP, является QUIC, который также эмулирует TCP и предлагает мультиплексирование нескольких параллельных передач по одному соединению и прямое исправление ошибок для уменьшения повторных передач.
Я немного обсудю прямое исправление ошибок, поскольку оно связано с вашим вопросом о пропускной способности. Наивный способ реализовать это — отправить каждый пакет дважды; в случае, если один потеряется, у другого все еще есть шанс быть полученным
Это уменьшает количество повторных передач вдвое, но также вдвое снижает вашу полезную производительность, поскольку вы отправляете избыточные данные (обратите внимание, что пропускная способность сетевого или канального уровня остается неизменной!). В некоторых случаях это нормально; особенно если задержка очень большая, например, на межконтинентальных или спутниковых каналах
Более того, существуют некоторые математические методы, когда вам не нужно отправлять полную копию данных; например, для каждого n пакетов, которые вы отправляете, вы отправляете еще один избыточный пакет, который является XOR (или какой-либо другой арифметической операцией) из них; если лишний теряется, это не имеет значения; если один из n пакетов будет потерян, вы можете восстановить его на основе избыточного одного и другого n-1. Таким образом, вы можете сконфигурировать накладные расходы, вносимые прямым исправлением ошибок, на любой объем пропускной способности, который вы можете сэкономить.
Какова эта ключевая особенность в TCP, которая делает ее намного более высокой, чем UDP?
Это неверно, хотя и распространенное заблуждение.
В дополнение к ретрансляции данных, когда это необходимо, TCP также будет корректировать скорость отправки, чтобы он не вызывал падение пакетов за счет перегрузки сети. Алгоритм настройки был усовершенствован в течение десятилетий и обычно сходится быстро до максимальной скорости, поддерживаемой сетью (фактически, узким узлом). По этой причине обычно трудно превзойти TCP в пропускной способности.
С UDP ограничение скорости у отправителя отсутствует. UDP позволяет приложению отправлять столько, сколько захочет. Но если вы попытаетесь отправить больше, чем может обрабатывать сеть, некоторые данные будут удалены, что снизит вашу пропускную способность, а также сделает администратор сети, в которой вы очень сильно разозлились. Это означает, что отправка трафика UDP с высокой скоростью нецелесообразна (если только целью является DoS-сеть).
В некоторых медиа-приложениях используется UDP, но скорость, ограничивающая передачу у отправителя с очень небольшой скоростью. Это обычно используется в приложениях VoIP или интернет-радио, где требуется очень небольшая пропускная способность, но низкая латентность. Я полагаю, что это одна из причин неправильного понимания того, что UDP медленнее TCP; это не так, UDP может быть так же быстро, как позволяет сеть.
Как я уже говорил, существуют протоколы, такие как uTP или QUIC, реализованные поверх UDP, которые обеспечивают производительность, аналогичную TCP.
Что такое бит Как измеряется скорость в битах
Битовая скорость — показатель измерения скорости соединения. Рассчитывается в битах, мельчайших единицах хранения информации, на 1 секунду. Она была присуща каналам связи в эпоху «раннего развития» интернета: на тот момент в глобальной паутине в основном передавались текстовые файлы.
Сейчас базовой единицей измерения признается 1 байт. Он, в свою очередь, равен 8 битам. Начинающие пользователи очень часто совершают грубую ошибку: путают килобиты и килобайты. Отсюда возникает и недоумение, когда канал с пропускной способностью 512 кбит/с не оправдывает ожиданий и выдает скорость всего лишь 64 КБ/с. Чтобы не путать, нужно запомнить, что если для обозначения скорости используются биты, то запись будет сделана без сокращений: бит/с, кбит/с, kbit/s или kbps.
Накладные расходы на пересылку
Интернет — это сеть с наилучшими усилиями, что означает, что пакеты будут доставлены, если это возможно, но также могут быть удалены. Пакетные капли корректируются транспортным уровнем, в случае TCP; для UDP такого механизма нет, а это означает, что либо приложение не заботится о том, что некоторые части данных не доставлены, либо приложение реализует повторную передачу непосредственно поверх UDP.
Повторная передача уменьшает потребление по двум причинам:
а. Некоторые данные необходимо отправить снова, что требует времени. Это вводит задержку, которая обратно пропорциональна скорости самой медленной линии связи в сети между отправителем и получателем (он же узким узлом). б. Обнаружение того, что некоторые данные не были доставлены, требует обратной связи от получателя к отправителю. Из-за задержек распространения (иногда называемых латентностью, вызванных конечной скоростью света в кабеле), обратная связь может приниматься только отправителем с некоторой задержкой, что еще больше замедляет передачу. В большинстве практических случаев это самый значительный вклад в дополнительную задержку, вызванную повторной передачей.
Очевидно, что если вы используете UDP вместо TCP и вам не нужна потеря пакетов, вы, конечно, получите лучшую производительность. Но для многих приложений потери данных нельзя терпеть, поэтому такое измерение бессмысленно.
Существуют некоторые приложения, которые используют UDP для передачи данных. Один из них — BitTorrent, который может использовать либо TCP, либо протокол, который они создали, называемый uTP , который эмулирует TCP поверх UDP, но стремится к более эффективному использованию многих параллельных соединений. Другим транспортным протоколом, реализованным через UDP, является QUIC , который также эмулирует TCP и предлагает мультиплексирование нескольких параллельных передач по одному соединению и прямую коррекцию ошибок для уменьшения повторных передач.
Я буду обсуждать прямое исправление ошибок немного, так как это связано с вашим вопросом о пропускной способности. Наивный способ его реализации — отправить каждый пакет дважды; в случае, если кто-то потеряется, у другого все еще есть шанс получить
Это уменьшает количество повторных передач до половины, но также уменьшает вдвое ваш доход, поскольку вы отправляете избыточные данные (обратите внимание, что пропускная способность сети или уровня канала остается неизменной!). В некоторых случаях это нормально; особенно если латентность очень велика, например, на межконтинентальных или спутниковых каналах
Кроме того, существуют некоторые математические методы, в которых вам не нужно отправлять полную копию данных; например, для каждых n пакетов, которые вы отправляете, вы отправляете другой reduntant, который является XOR (или некоторой другой арифметической операцией) из них; если лишний теряется, это не имеет значения; если один из n пакетов потерян, вы можете восстановить его на основе избыточного, а другой n-1. Таким образом, вы можете настроить накладные расходы, вызванные прямой коррекцией ошибок, на любой объем пропускной способности, который вы можете сэкономить.
