熱交ドリル

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層流と乱流

「流れ」の状態には、流れ方向に向かって規則正しく流れる「層流」と、様々な方向に不規則に流れる「乱流」があります。
1883年にイギリスの科学者オズボーン・レイノルズがインクを使って流れの可視化実験を行い、層流と乱流の区別を発見しました。流速が小さいときはインクがほぼ一本線で流れる「層流」、流速が大きいときはインクが途中から乱れて拡散する「乱流」となることが分かりました。

レイノルズは、流れが層流になるか、乱流になるかは、無次元数のレイノルズ数で整理できることを発見し、レイノルズ数Reは代表長さL[m]、代表速度U[m/s]、流体密度ρ[kg/m3]と粘性係数μ[Pa・s]を用いて定義しました。

Re=ρ・L・U/μ

Re:レイノルズ数
L:代表長さ[m]
U:代表速度[m/s]
ρ:流体密度 [kg/m3]
μ:粘性係数[Pa・s]

粘性係数を密度で割った動粘性係数ν[m2/s]を踏まえると、以下の式でも定義できます。

Re=L・U/ν

ν:動粘性係数 [m2/s]

上式の通り、レイノルズ数は粘性力(分母)に対する慣性力(分子)の影響を表しており、レイノルズ数が小さい流れは粘性力が大きく、レイノルズ数が大きい流れは慣性力が大きな流れとなります。
円筒内の流れが層流から乱流に遷移するレイノルズ数は、一般的に2,000~4,000程度といわれていますが、対象物や流れの状態などにより層流から乱流へ遷移するレイノルズ数は異なります。