流体力学物理理科

流れの様子を数字で表せる「レイノルズ数」を元ポンプ設計者が解説

よぉ、桜木建二だ。流れが非常にゆっくりな川と速く流れる川を想像してみよう。流れ方が違うように見える。流れが遅い場合特に波打つことなく真っ直ぐ流れていくが、流れが速いと波打って何となく乱れて流れている。

そんな流れの状態を数字で表せるのがレイノルズ数。元ポンプ設計者のR175と解説していくぞ。

解説/桜木建二

「ドラゴン桜」主人公の桜木建二。物語内では落ちこぼれ高校・龍山高校を進学校に立て直した手腕を持つ。学生から社会人まで幅広く、学びのナビゲート役を務める。

ライター/R175

関西のとある国立大の理系出身。学生時代は物理が得意で理科の高校理科の教員免許も持っている。エンジニアの経験があり、教科書の内容に終わらず実際の現象と関連付けて説明するの得意。

1.流れ方の種類

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流体が流れる時どんな風に流れるでしょうか?一様にスライドしていくでしょうか?川の流れを見ている限りそうは思えませんね。何となく波打っていて乱れながらように見えますね。

流れが一様な時と乱れる時

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流体が一様に流れているのはどんなパターンか?いくつかパターンが考えられますね。

1つは流れが非常にゆっくりな場合。例えば、田んぼに張ってある水がわずかに流れている時。

あとは、粘度が高い流体が流れる場合。例えば、たこ焼きの生地とホットケーキの生地を流し込む時を想像してみましょう。たこ焼きの生地は割としゃばしゃばにするのが一般的ですね。流し込む時、渦を巻きながら落ちていくような、何となく乱れた状態になると思います。一方、ホットケーキの生地は割とどろどろ状態にするのが一般的。流し込む時もドロッと一様に流れていいき、たこ焼き生地のように渦を巻いて乱れながら落ちていくのは想像つきにくいですね。

なぜ一様でない?

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一様でなくなってしまう理由。たこ焼き生地のところで少し言及した「」が原因です。渦の発生原因はいくつかあり、全て解明されているわけではありませんが、この記事では、流速の違いによって渦が発生する例を見ていきます。

流速分布

流速分布

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円形の管の中を流れる水を例に渦の発生について述べていきましょう。水は基本的に一様に同じ速度でスライドするように流れようとしますが、流れやすさの違いからどうしても速度分布がて来てしまいます。管の壁に接している部分は摩擦を受けて流れにくく、真ん中が一番流れやすい。イラストのような速度分布が出来てしまいます。

渦の発生

渦とは流体粒子が回転している状態。流体中で「質的」に異なったモノが接触すると渦が発生すると言われています。例えば、固体と液体、液体と気体、熱いと冷たい、遅いと速い、重いと軽いなど。管内の流体流れにて速度分布があることを述べました。速く流れる流体と遅く流れる流体が接触しているため少なからず渦発生の要因になりますね。

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