Smooth & Rough Surface पर Flow का Behaviour | Fluid Mechanics Explained in Hindi

Fluid Mechanics में किसी भी flow का nature या behaviour बहुत हद तक उस surface की roughness पर depend करता है जिसके ऊपर fluid बह रहा होता है। Surface की condition — चाहे वो smooth हो या rough — flow की velocity distribution, friction factor और pressure drop को सीधे प्रभावित करती है।

जब surface पूरी तरह से smooth होती है, तो fluid का motion laminar या controlled रहता है। वहीं, rough surface पर eddies, turbulence और energy loss बढ़ जाता है।

Flow Behaviour on Different Surfaces (विभिन्न सतहों पर Flow का व्यवहार)

Pipe या किसी solid boundary के साथ fluid का flow boundary layer बनाता है। Surface की roughness इस boundary layer के velocity profile और shear stress को बदल देती है।

1. Smooth Surface Flow (स्मूद सतह पर प्रवाह)

Smooth surface पर flow बहुत orderly होता है। Turbulent flow की स्थिति में भी surface की irregularities इतनी छोटी होती हैं कि वे viscous sub-layer को disturb नहीं कर पातीं।

विशेषताएँ:

• Viscous sub-layer intact रहती है।
• Surface friction कम होता है।
• Energy loss बहुत कम होता है।
• Velocity profile relatively smooth होता है।
• Flow predictable रहता है।

उदाहरण: Highly polished steel pipes, glass tubes आदि में flow smooth माना जाता है।

2. Rough Surface Flow (रफ सतह पर प्रवाह)

Rough surface पर flow irregular और random हो जाता है। Surface की projections viscous sub-layer को disturb कर देती हैं, जिससे turbulence बढ़ता है और friction factor अधिक हो जाता है।

विशेषताएँ:

• Flow highly turbulent होता है।
• Viscous sub-layer पूरी तरह नष्ट हो जाती है।
• Frictional resistance अधिक होता है।
• Velocity fluctuations अधिक होते हैं।
• Energy losses बढ़ जाते हैं।

उदाहरण: Concrete pipes, cast iron pipes, या corroded steel surfaces।

Relative Roughness (सापेक्षिक रफनेस)

Surface की roughness को quantify करने के लिए Relative Roughness (ε/D) term का उपयोग किया जाता है।

यह ratio होता है — Surface roughness height (ε) और Pipe diameter (D) के बीच।

Relative Roughness (ε/D) = ε / D

Relative roughness बढ़ने पर friction factor भी बढ़ता है।

Moody Chart (मूडी चार्ट)

Flow behaviour और friction factor को समझने के लिए engineers Moody Chart का उपयोग करते हैं। यह chart Reynolds Number (Re) और Relative Roughness (ε/D) के बीच संबंध दिखाता है।

Moody Chart से पता चलता है:

• Laminar Flow region (Re < 2000)
• Transitional region (2000 ≤ Re ≤ 4000)
• Turbulent Flow region (Re > 4000)
• Flow resistance smooth से rough होने पर कैसे बढ़ता है।

Friction Factor (घर्षण गुणांक)

Friction factor (f) surface roughness और Reynolds number दोनों पर depend करता है।

For smooth pipes (Blasius formula):
f = 0.3164 / Re^0.25

For rough pipes (Colebrook–White equation):
1/√f = -2 log₁₀ [(ε/D)/3.7 + 2.51/(Re√f)]

यह equation turbulent region के लिए प्रयोग की जाती है।

Smooth vs Rough Surface Flow Comparison

Parameter	Smooth Surface Flow	Rough Surface Flow
Velocity Profile	Smooth and parabolic	Disturbed and flattened
Energy Loss	Low	High
Friction Factor	Less	More
Flow Type	Laminar or Smooth Turbulent	Fully Turbulent
Sub-Layer Condition	Intact	Destroyed

Practical Applications (व्यावहारिक उपयोग)

• Pipeline design और energy loss calculation में।
• Hydraulic structures जैसे dams और canals में।
• Water supply systems और oil pipelines में।
• Flow meters calibration में।

Conclusion

Smooth और Rough surfaces पर fluid का flow behavior काफी अलग होता है। जहाँ smooth surfaces पर friction कम और efficiency अधिक होती है, वहीं rough surfaces पर turbulence और energy losses बढ़ जाते हैं। इसलिए, Fluid Mechanics में surface condition को समझना और उसे control करना अत्यंत आवश्यक है, ताकि systems को efficient और cost-effective बनाया जा सके।