層流対乱流 流れは、流体がどのように動いているかを特徴付けることができます。層流はより滑らかで整然とした流れであり、乱流は荒くて無秩序な流れです。層流は、流体内の任意の点で一定の速度を持ちます。一定の交通の流れに似ていると想像してください。乱流は無秩序で、渦と渦を形成し、急流の流れに似ています。
乱流と層流という用語を聞いたことがありますか?それらは、粒子が物質の中を移動するときの粒子の動きを指します。物質の層の間の流体の粒子の動きは、流れが層流か乱流かを決定するものです。層流と乱流の区別は工学において非常に重要です。流れのタイプが質量と熱の伝達方法に影響を与えるからです。
2 種類のフローの正確な違いは何ですか?乱流と層流の違いを詳しく見てみましょう。
簡単に言えば、層流とは、流体のすべての粒子が 1 つの滑らかな経路に沿って流れることです。流体の粒子は互いに干渉せず、レイヤー間で混ざったり移動したりしません。乱流とは、流体の流れが不規則になることです。乱流中の粒子は層の間を行ったり来たりすることができ、混ざり合って渦のような流れのパターンになります。
これが層流と乱流の基本的な違いですが、これらの違いが重要な理由を理解するには、それらを完全な文脈で見ることが重要です。
流体の流れの計算 – レイノルズ数
流体の流れが層流と乱流のどちらに分類されるかを決定するのは、流れのレイノルズ数です。レイノルズ数は、流体の流れを慣性力と粘性力の比率として定義する計算です。
レイノルズ数の方程式は次のとおりです:
RE =pVD/μ.
P は流体の密度、V は流体の速度、D は流れる流体を含むパイプの直径、μ は粘度係数です。レイノルズ数が 2300 未満で計算された場合、流体の流れは層流であると見なされます。レイノルズ数が 4000 より大きい場合、流体の流れは乱流として分類されます。多くの工学プロジェクトは乱流または層流のいずれかを扱いますが、2 つのフェーズの間に存在する中間フェーズがあります。移行フローは、レイノルズ数 2300 と 4000 の間に存在するフローとして分類されます。
層流
層流の主な特徴は、渦巻きや横流がない流線型の流れです。さまざまな半径の行/円柱に分割された流体のさまざまな層を想像すると、流体の層は決して混合しません。流体は干渉や乱れなく流れ、流れの経路には渦や横流がありません。
流体の層または「チューブ」は、交差または交差しなくても、異なる速度で流れます。中央の最も内側の層は流速が最も速く、外側の層は流速がはるかに遅くなります (ほとんど動かない場合もあります)。一般に、層流を伴う流体の速度は非常に遅いです。
層流の実際のアプリケーションには、チューブを通って流れるあらゆる液体が含まれます。これは、チューブまたはパイプの寸法が一定のままであり、その結果、流体の体積が変化する可能性がないためです。飛行機の翼上の空気の層流は、飛行機を設計する際の重要な考慮事項です。飛行機の翼は、多くの場合、乱気流を最小限に抑えて層流で空気が流れるように設計されています。
乱流
乱流は、領域を通過する粒子の無秩序で荒い動きによって特徴付けられます。流体の層をもう一度想像すると、さまざまな層が互いに混ざり合っており、異なる層の境界の間に大量の摩擦が存在していると考えることができます。分子は不規則に飛び散り、流れの中に渦や波が簡単に見られます。
乱流中の流体は、その中にかなりの量の運動エネルギーを持っています。このエネルギーが持続する限り、流れは乱れ、不規則であり続けます。エネルギーが使い果たされると、流れは層流状態に移行します。通常、乱流の速度は高く、層流状態に移行するにつれて均一になります。
層流の分かりやすい例としては、海に見られる波や海流が衝突して混ざり合うことが挙げられます。水や多くの液体の乱流は、対流によって引き起こされます。対流は、空気自体のように、さまざまな流体を乱流にします。
乱流と層流の相互作用
流体は、乱流と層流の間で遷移することができ、頻繁に遷移します。 2 つの異なる種類のフロー間の遷移は、さまざまな変数の影響を受ける可能性があります。
流体が流れる領域の変化は、流れる流体のレイノルズ数に容易に影響を与える可能性があります。例として、蛇口を開けて水を出すと、パイプ内の水の流れがどのように変化するかを考えてみましょう。水が家庭の配管システム内にある場合、水は層流になっていますが、蛇口をひねって水が流しに出ると、流しの底に当たる水は乱流になります.
さらに別の例は、人体に見られる血液の流れです。ほとんどの場合、血液は体の動脈と静脈を層状に流れます。しかし、動脈や静脈が詰まっていたり、心臓の圧力とは反対の方向に流れていたり、単に身体の曲線に沿って流れていたりすると、血流は乱れます.
流体の流れの変化は、空気中を移動する物体との相互作用によっても引き起こされる可能性があり、移動するにつれて流体の層が混ざり合ったりまっすぐになったりします。例えば、飛行機の翼の上を流れる空気は一般的に層流ですが、平原の周りの空気はおそらく乱流です。飛行機の翼の先端は、翼端渦を形成することが多く、その領域の空気が乱流を起こします。これは後方乱気流の一種で、飛行機が空中を通過する際に後方に発生する乱気流です。
上記の理由により、層流と乱流は流体力学の科学において重要な考慮事項です。
