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わかりやすく解説

流速

基本的に流れが速いほど管内での流速差が激しくなりが起きやすくなるもの。つまりは乱流になりやすいことが想像できますね。水道水もゆっくり流すと一様に真っ直ぐ流れ出て来ますが、速く流せば流すほと流れが乱れやすいですね。

粘度

先ほどの例だと、粘度低めのたこ焼きの生地は粘度高めのホットケーキの生地より乱流になりやすいことを述べました。たこ焼き生地とホットケーキの生地、同じ速度で流せたとしましょう。ホットケーキは割と豪快に速めの速度で流しても流れが乱れにくい。一方たこ焼きの生地は、ゆっくり慎重に流してもその割には流れが乱れやすい。

マヨネーズとウスターソースでも同じですね。マヨネーズは粘度が高いため、割と勢いよく噴射してもあまり流れが乱れず、一様に流れてきますね。粘度が高い方が力学的に安定していて流れが乱れにくいです。

配管の断面積

細い管と太い管、どちらが渦が起きやすいか?太い方が、壁近辺の流れにくい部分と真ん中の方の流れやすいところの速度差が激しい。加えて、太い方が渦が発生出来るスペースが多い。よって、太い管の方が乱流になりやすいということ。

注射器のように細い管から出てくる流体が渦巻いて乱流になるのはあまり想像できないですね。

流体密度

こちらは直感的には分かりにくいですが。流体の密度が高い=重いわけで、それだけ流体の運動エネルギーが大きいわけです。層流と乱流を決める1つの考え方として、運動エネルギーによって流れが乱れていく因子と粘性で乱れを抑える因子のどちらが強いかというものがあります。流体が重いほど運動エネルギーが大きくなるため、流れが乱れやすくなるのです。

4.レイノルズ数

乱流性質が強いか層流の性質が強いか。明確な基準はありませんが、ある程度数字で判断する方法がります。レイノルズ数という数値を使用した判定です。

前述の通り乱流、層流に関係するパラメータは流体の速度、粘度、配管断面積、流体密度。レイノルズ数にはこれらのパラメータが考慮された定義。

分子は「運動エネルギー」の大きさを表し、分母は「粘性」を表すもの。運動エネルギーが大きいほど、粘性が小さいほどレイノルズ数は大きくなります。しゃばしゃばな流体を勢いよく流すと流れが乱れやすく、ドロドロの流体をゆっくり流すと流れが乱れにくいのは想像される通りですね。

数値による判定

レイノルズ数の計算結果が2000程度までなら層流、2000~4000程度の範囲なら層流と乱流どちらの特性も持つ遷移領域、4000以上程度なら乱流と推定されることが多いです。ただし正確な決まりはありません。

\次のページで「数値によってざっくり判断」を解説!/

次のページを読む
1 2 3 4
Share: