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流体流の種類

2025-09-02

パイプや機器内の流体流動は、その構造、エネルギー消費、および輸送性能が著しく異なる、層流と乱流の2つの流れのレジームに大別できます。

  1. 層流(粘性)流

    低いレイノルズ数(Re < 2000)で発生します。流体は、それらの間に巨視的な混合がない滑らかで平行な層で移動します。運動量、熱、および質量の移動は、分子拡散のみによって行われます。粘性力が支配的で、エネルギー損失は小さいですが、輸送速度は遅いです。

  2. 乱流

    Re > 4000の場合に発生します。慣性が支配的になり、運動が不安定になり、ランダムな三次元渦が現れます。これらの変動は、半径方向の輸送を大幅に強化し、高い熱伝達率と質量伝達率をもたらします。ただし、それらはまた、より大きな圧力降下とノイズとして現れる、追加の機械的エネルギー散逸を生成します。

  3. 遷移レジーム

    2000 ≤ Re < 4000の場合、流れは入口条件、壁の粗さ、および外部からの乱れに非常に敏感です。一時的に層流のままであるか、突然乱流に切り替わる可能性があります。したがって、エンジニアリングの実践では、安全を確保するために、この領域を乱流として扱います。

  4. レイノルズ数の物理的意味

    Re = ρud/μは、慣性力と粘性力の比率を表します。

    • ρu²/dは、流体を前方に駆動し、渦を生成する慣性項を表します。
    • μu/d²は、速度勾配を減衰させ、流れを安定化させる粘性項を表します。

    したがって、Reが高いほど、不安定性と乱流の傾向が強くなります。

  5. エンジニアリングへの影響
    • パイプ、熱交換器、その他の機器は、最初にReを推定して適切な流れのレジームを選択することによってサイズが決定されます。
    • 乱流は、よりコンパクトな設計を可能にしますが、より高いポンプまたはファンの電力を必要とします。
    • 層流条件に敏感なプロセス(例:高分子溶融物、精密ろ過)では、せん断劣化や乱流による過度の圧力上昇を避けるために、Reを臨界値以下に保つ必要があります。
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2025-09-02

パイプや機器内の流体流動は、その構造、エネルギー消費、および輸送性能が著しく異なる、層流と乱流の2つの流れのレジームに大別できます。

  1. 層流(粘性)流

    低いレイノルズ数(Re < 2000)で発生します。流体は、それらの間に巨視的な混合がない滑らかで平行な層で移動します。運動量、熱、および質量の移動は、分子拡散のみによって行われます。粘性力が支配的で、エネルギー損失は小さいですが、輸送速度は遅いです。

  2. 乱流

    Re > 4000の場合に発生します。慣性が支配的になり、運動が不安定になり、ランダムな三次元渦が現れます。これらの変動は、半径方向の輸送を大幅に強化し、高い熱伝達率と質量伝達率をもたらします。ただし、それらはまた、より大きな圧力降下とノイズとして現れる、追加の機械的エネルギー散逸を生成します。

  3. 遷移レジーム

    2000 ≤ Re < 4000の場合、流れは入口条件、壁の粗さ、および外部からの乱れに非常に敏感です。一時的に層流のままであるか、突然乱流に切り替わる可能性があります。したがって、エンジニアリングの実践では、安全を確保するために、この領域を乱流として扱います。

  4. レイノルズ数の物理的意味

    Re = ρud/μは、慣性力と粘性力の比率を表します。

    • ρu²/dは、流体を前方に駆動し、渦を生成する慣性項を表します。
    • μu/d²は、速度勾配を減衰させ、流れを安定化させる粘性項を表します。

    したがって、Reが高いほど、不安定性と乱流の傾向が強くなります。

  5. エンジニアリングへの影響
    • パイプ、熱交換器、その他の機器は、最初にReを推定して適切な流れのレジームを選択することによってサイズが決定されます。
    • 乱流は、よりコンパクトな設計を可能にしますが、より高いポンプまたはファンの電力を必要とします。
    • 層流条件に敏感なプロセス(例:高分子溶融物、精密ろ過)では、せん断劣化や乱流による過度の圧力上昇を避けるために、Reを臨界値以下に保つ必要があります。