配管内の層流と乱流を、レイノルズ数で確認する方法を解説します。
層流と乱流
配管内における流体の流れ方は、流速や粘度によって変化します。
大きく層流と乱流に分かれます。
層流
流体の各部分が流れ方向に平行である流れを層流と呼びます。
例えば水が配管内を低速で流れる時や高粘度流体を扱うときの流れです。
水が流れる配管中にインクを混入させた場合、流れに逆らわず進んでいきます。
乱流
流体の各部分が互いに入り乱れている流れを乱流と呼びます。
例えば水が配管内を高速で流れる時の流れです。
水が流れる配管中にインクを混入させた場合、周囲と入り乱れながら進んでいきます。
レイノルズ数
配管内における流体の流れが層流か乱流かどうかはレイノルズ数によって判定できます。
後述しますが、レイノルズ数以外に配管構造によっても流れは変化します。
計算式
レイノルズ数は以下の計算式で求められます。
単位のない無次元数です。
レイノルズ数
式は横にスクロールできます
D：配管内径［m］、u：流速［m/s］、ρ：密度［kg/m3］、μ：粘度［Pa・s］
式の意味するところ
レイノルズ数は流体の慣性力と粘性力の比を表しています。
分子が慣性力、分母が粘性力を表します。
- 慣性力：流れ続けようとする力（質量×加速度）
- 粘性力：流れを留めようとする力（せん断力×面積）
層流と乱流の判定
おおよそレイノルズ数が2300以下で層流、4000以上で乱流となります。
また層流から乱流に変化する時のレイノルズ数は臨界レイノルズ数Recと呼ばれ、2300程度だとされています。
更に層流から乱流に変化する過程（2300～4000）での流れは遷移流です。
これら数値は書籍によりバラツキはありますが、概ねこのあたりの数値で表現されています。
つまり層流においては粘性力が、乱流においては慣性力が流れを支配していると考えられます。
レイノルズ数だけではない流れの状態
層流や乱流はレイノルズ数だけでは判断できない条件もあります。
主に流体が流れる時の構造に起因します。
配管流れ
配管の入口やバルブなどで流れが乱されていると、臨界レイノルズ数に近い低い値で乱流になります。
なお配管の内壁の粗さは、主に乱流での摩擦損失に影響します。
またポンプの必要動力を計算する際には、曲がりやバルブで発生する渦によるエネルギー損失を考慮しなければなりません。
撹拌
撹拌において、マドラーで混ぜる時のように綺麗な渦が出来てしまうと効率よく撹拌はできません。
そのためタンク内壁面にバッフル（邪魔板）と呼ばれる板を取り付け、流れを遮ることで乱流状態にします。
