流速と流量の計算・変換方法 質量流量と体積流量の違いは?【演習問題】

流速と流量の変換方法 計算問題を解いてみよう【演習問題】

 

ここでは化学工学における重要な考え方である流量と流速について解説しています。

 

・流量と流速とは? 体積流量と流速の関係

 

・質量流量と流速の関係

 

・流量と流速の計算問題を解いてみよう【演習問題】

 

というテーマで解説していきます。

 

流量と流速とは? 体積流量と流速の関係

 

流体に関する用語として重要なものにはレイノルズ数などがありますが、レイノルズ数の中の項にも流速が含まれています。そのため、まずは流速についてきちんと理解しておくといいです。

 

流速に近い用語として流量とよばれるものもあり、密接な関係があります。以下で流量と流速の定義、関係について確認していきます。

 

流量の定義としては、「単位面積あたりにある断面に流れる体積もしくは質量のこと」を指します。単位面積あたりにある断面に流れる体積のことを体積流量、単位面積あたりにある断面に流れる質量のことを質量流量と区別するケースもあります。

 

まず、体積流量とは以下のようなイメージです。

 

 

ある面に着目し、その地点において1s間に流れる流体の体積が体積流量となります。体積流量の定義は、断面積×平均流速です。

 

ここで、流速という言葉がでてきましたが、流速とは1s間移動する平均速度(上図の基準面から1s後の面までの距離)と理解しておくといいです。

 

つまり、上の体積流量の定義そのものが、体積流量と流速の変換式になっています。

 

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質量流量と流速の関係

 

一方で質量流量とはどのように定義されるのでしょうか。

 

実は質量流量とは、体積流量に密度をかけたものです。つまり、断面積×平均流速×密度で計算できる量です。

 

 

 

体積流量の質量版と理解しておくといいです(重量と質量は厳密には異なり、違いはこちらで解説しています)

 

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流量と流速の計算問題を解いてみよう【演習問題】

それでは、以下の計算問題を解いて、流量と流速の変換に慣れていきましょう。

 

例題
 
ある断面積0.3m^2である配管内に水が平均流速0.5m/sで流れているとします。水の密度が1000kg/m^3のときの質量流量を求めましょう。

 

解答
 
質量流量の定義にしたがい、 0.3 × 0.5 × 1000 = 15 kg/s となります。

 

単位換算が重要ですので、慎重に計算するといいです。

 

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