蛇口から出る水は、流量が少ないときは滑らかに見えますが、流量を上げていくと、ある一定の値になるとボイドや乱れが検出される場合があることを発見しました。このような状況で、流れが滑らかなときにインクの流れを追加すると、インクは他の層と混合せずに流れますが、流れが乱れているときにそれを導入すると、インクの層が他の水層と混ざり合ってしまいます。この記事では、流線、層流、または乱流である最初の種類について説明します。
ストリームラインとは?
流線は、定常流条件下で流体粒子がたどるルートです。流線が曲線として表されている場合、曲線上の任意の点での接線は、その位置での流体速度の方向を示します。下の画像に見られる曲線は、流体粒子が時間に対してどのように移動するかを表しています。
曲線は、流体粒子の定常状態の動きを表しています。このマップは時間定常であり、スポットを通過するすべての粒子がその前の粒子とまったく同じように動作することを意味します。
流れを合理化
流体の流線型の流れは、流体が中断や混合なしに平行な層を流れ、通過する各流体粒子の速度が特定の場所で常に一定のままである流れとして定義されます。
流体速度が低い場合、乱流による速度変化はなく、流体は横方向の混合なしに流れる傾向があります。流体粒子は、パイプの壁に平行な直線を流れる粒子に対して正確な順序で移動し、隣接する層がトランプのように互いにすり抜けます。
乱流
きれいなチャネルまたは層を流れる層流とは対照的に、乱流は、流体がランダムな変動または混合を経験する流体 (気体または液体) の動きの形式です。乱流では、特定の場所での流体の速度は、大きさと方向が絶えず変化しています。
しかし、流れは穏やかでも、風の動きや川の動きは、その意味でしばしば激動です。空気または水は、その大部分が特定の方向に進むにつれて、渦を巻いて渦を巻きます。
流体に対して相対的に移動する固体の前縁近くの層流、またはパイプの内壁などの固体表面に非常に近い層流、または狭いチャネルをゆっくりと流れる高粘度 (比較的かなりの緩慢さ) の流体を除いて、ほとんどの流体の流れは次のようになります。激動。動脈内の血流、パイプライン内の石油輸送、溶岩流、大気と海流、ポンプとタービンを通る流れ、ボートの航跡と航空機の翼端周辺の流れは、すべて乱流の例です。
レイノルズ数
レイノルズ数は、パイプ内の流れパターンが層流か乱流かを示す無次元変数です。レイノルズ数は、慣性力と粘性力の比によって決定できます。
レイノルズ数の式は次のとおりです:
Re =(p × V × D) / u
どこで、
レイノルズ数は Re、流体の密度は p、流速は V、パイプの直径は D、流体の粘度は u です。
重要事項
- 粘性力が支配的な場合 (Re が低く、流れが遅い)、それらはすべての流体粒子を一列に並べるのに十分であり、流れは層流です。
- 乱流は、慣性力が粘性力を上回る場合に発生します (流体の流れが速く、Re が大きい場合)。
- 流れの状態が層流か乱流かを予測するために使用される特性数の 1 つは、レイノルズ数です。
- V は平均流速、D は典型的な線形寸法、流体密度、動粘度、および v 動粘度はすべてレイノルズ数の一部です。
- Re が 4000 を超えると乱流が発生します。
- 通常はより大きな流速が必要ですが、これはアイテムのサイズによっても異なります。
- 流れは、流体粒子の不均一な動きによって特徴付けられます。平均的な動きは流れ方向です。
- 乱流の速度プロファイルは、パイプの中央部分では適度に平坦であり、壁の近くでは例外的に劇的に低下します。平均流速は、パイプの中心での流速とほぼ同じです。
- 数学的分析は難しい作業です。 CFD 分析は、乱流を分析するための主要なツールです。
結論
このような状況で、流れが滑らかなときにインクの流れを追加すると、インクは他の層と混合せずに流れますが、流れが乱れているときにそれを導入すると、インクの層が他の水層と混ざり合ってしまいます。乱流では、特定の場所での流体の速度は、大きさと方向が絶えず変化しています。ただし、レイノルズ数は、パイプ内の流れのパターンが層流か乱流かを示す無次元変数です。流れの状態が層流か乱流かを予測するために使用される特性数の 1 つは、レイノルズ数です。
