レイノルズ数は、表面上の流体の流れが本質的に層流か乱流かを示す無次元量です。
科学の世界は数字であふれています。特定のプロセスまたはエンティティを定義するために使用されるさまざまなパラメーターがあり、これにより情報の流れが非常に単純になります。普遍的に受け入れられている規範と単位は、人類の進歩に重要な役割を果たしてきました。科学用語はどこでも同じことを意味するため、世界中のさまざまな研究所で働くさまざまな科学者チームが研究を効率的に共有できます。
科学の分野で広く使用されているそのようなパラメーターの 1 つは、レイノルズ数です。 1851 年にジョージ ストークスによって最初に導入されたレイノルズ数の概念は、19 世紀後半にこの考えを広めた革新者オズボーン レイノルズにちなんで名付けられました。今日では、科学と工学の分野で教育を受ける人が最初に教えられることの 1 つとなっています。では…この特別なレイノルズ数とは?
レイノルズ数とは?
物体があらゆる種類の環境で移動するときはいつでも、周囲の条件が変化するため、この変化の結果として生成される力を受けます。たとえば、水流を横切って移動するスイマーを考えてみましょう。彼が水の中を進むとき、彼は水分子をその位置から移動させ、水分子は次に、スイマーの動きに対して力 (または抵抗) を加えることによって、最初の位置を取り戻そうとします。そのような物体がそのような流体を横切って流れるとき、それらの流れに対する抵抗、したがってそれらの流れパターンは、レイノルズ数と呼ばれる無次元の量によって予測されます。 この概念は、独自の分子を持たない真空を除いて、あらゆる環境でのすべてのオブジェクトの動きに適用できます。センサーのレイノルズ数は、流体の空気力学とフロー パターンを予測するために使用されます。
レイノルズ数をより科学的に理解する
慣性力
レイノルズ数の科学的定義は、移動物体の慣性力と粘性力または摩擦力との比率であると述べています。これらの力が何をするのかを理解してみましょう。一定の速度で走っているときに止めようとすると、体は走り続けようとするため、一定の力が必要になります。同様に、安静状態にあるあなたの体は、休息を続けようとするため、そもそもランニングを開始するためにプッシュまたは何らかの力が必要です。体が変化を避け、現在の静止状態または運動状態を維持しようとするこの傾向は、慣性と呼ばれます。慣性の性質はニュートンによって導入されたもので、物理学の最も基本的で普遍的に適用可能な概念の 1 つです。
粘性力
粘性または粘性力は、慣性と比較して比較的新しい概念です。 1829年、フランスの物理学者ジャン・ルイ・マリー・ポアズイユが人体の血液循環を研究しているときに発見しました。これは、流体がその変形に対して提供する抵抗を測定します。流体が動いているとき、流体の自由な動きを止めようとする異なる層の間に摩擦があります。この摩擦力は、液体の場合、多くの場合「厚さ」として考えられる粘度の観点から定量化されます。流体が動き始めると、それを動かし続けようとする慣性力とそれを止めようとする粘性力との間で絶え間ない戦いが起こります。レイノルズ数は、誰が戦いに勝っているかを示す指標です。
さまざまな流体の粘度 (写真提供:Nasky/Shutterstock)
粘性力が支配的な場合、層流と呼ばれるタイプの流れがあります。 .慣性力が支配的である場合、流れは乱流になります。 レイノルズ数は、これら 2 種類の運動のどちらが優先されるかを示します。
層流
層流または滑らかな流れは、理想的なタイプの流れを表します。この場合、流体は、これら 2 つの層の間で途切れることなく、極小の平行な層で移動します。流体は規則的な経路でスムーズに移動し、特定の粒子の位置をいつでも予測できます。このような流れの中の流体の層は互いに滑り落ちると考えられており、粘性力は作用しません。たとえば、粘性流体がチューブまたはパイプをスムーズに流れる場合を考えてみましょう。その粘性の結果として、流体は、表面と接触しているエッジで速度がゼロになり、チューブの断面の中心に向かって速度が増加します。これは層流の完璧な例です。
翼上の気流は、層流の優れた例です (写真提供:StaticFlickr)
層流の日常的な例には、航空機の翼上の空気の流れが含まれます。レイノルズ数と層流の関係は、流体が流れる表面に存在するシステムのタイプによって異なります。パイプ内の流れの場合、層流は一般にレイノルズ数 1800 未満で発生します。プレート上の流れの場合、この数は 50 万まで上昇します。
乱流
乱流は層流とは正反対です。流体内での不規則な変動と混合を伴い、その経路を予測できなくなります。このような放電は、流体の速度と圧力の前例のない無秩序な変化によって特徴付けられます。流体の粒子は余分な運動エネルギーを持っているため、表面の粘性を克服するのに役立ちます。例としてダムを考えてみましょう。ダムのゲートが突然開かれると、水はランダムな順序で噴出し、可能な限りのスペースを占めます。これは乱流の例です。流れが穏やかに見えても、川と風の流れは一般的にこの意味で乱流です。
ダム放水 - 乱流 (写真提供:NaMo Stock/Shutterstock)
乱流のレイノルズ数もまた、当面のシステムのタイプに依存します。パイプ内の流れの場合、通常、レイノルズ数が 2100 を超えると乱流が発生します。この場合、1800 ～ 2100 の範囲は遷移領域と呼ばれ、かなり複雑な現象です。プレート上の流れの場合、50 万が重要なレイノルズ数であり、その数値を超えるすべての流れは本質的に乱流です。
