層流・乱流・遷移領域とは?層流と乱流の違い

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層流と乱流と遷移領域とは?層流と乱流の違い

 

ここでは化学工学の中でも、流体に関する用語である「層流や乱流とは何か」「層流と乱流の違い」について解説していきます。

 

・層流とは?

 

・乱流とは?層流・乱流・遷移領域の違い

 

というテーマで解説していきます。

 

 

層流とは?

 

まず、流体(液体、気体)の流れには、「層流」「乱流」「遷移領域」に分類することができます。

 

中でも、層流とは流体が規則正しく、一定の状態で流れている状態を指します。流体の勢いが小さい場合に、この層流になることが多いです。

 

 

層流の身近な例としては、水道の蛇口から水を出すときに流量を少なく出したときの水が乱れていない状態などがあります。

 

なお層流か乱流かの判断は、レイノルズ数(Re)という無次元数をもとに判断できます。具体的には、Reが2300より小さければ層流とみていいです。

 

また、水道のように円管内(配管)における層流の速さ(平均流速)はナビエストークスの方程式の解であるハ-ゲンポアズイユの式によって計算することができます。同時に配管内での速度分布も求めることが可能です(具体的な導出は別ページにて記載しています)。

 

基本的に、層流では円の中心において最も流速が早くなります。

 

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乱流とは?層流・乱流・遷移領域の違い

 

一方で、乱流とは言葉の通り流れが乱れている流体のことを指し、以下のようなイメージです。

 

 

よくお風呂場でお湯をためる際に、かなりの流量で勢いよくためていきますが、このとき基本的に乱流となっています。

 

先にも述べたレイノルズ数の指標であれば、4000以上の数値では乱流となることが知られています。乱流の方が激しく管壁とぶつかため、圧力損失が大きくなります。

 

なお、2300~4000付近のレイノルズ数では、層流と乱流が混ざったような状態である遷移領域(遷移域)といえます。

 

きちんと層流、乱流、遷移領域について理解し、流体工学をマスターしていきましょう。

 

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