層流
層流の速度プロファイルは、トランプのカードに似ています。パイプ内の流体のこの流れプロファイルは、流体が互いに滑り合う層状に作用していることを示しています。

層流（たいりょう、 / ˈ l æ m ɪ n ər / ）は、流体力学において流体粒子が層状に滑らかな経路をたどり、各層が隣接する層をほとんどまたは全く混合せずに滑らかに移動する特性である。[ 1 ]低速では、流体は横方向の混合なしに流れる傾向があり、隣接する層は互いに滑らかに滑り合う。流れの方向に対して垂直な横流はなく、流体の渦や旋回も発生しない。 [ 2 ]層流では、流体粒子の動きは非常に整然としており、固体表面に近い粒子はその表面に平行な直線上を移動する。[ 3 ]層流は、高運動量の拡散と低運動量の対流 を特徴とする流れの状態である。

流体がパイプなどの閉じたチャネルや2枚の平板の間を流れる場合、流体の速度と粘性に応じて、層流または乱流という2種類の流れのいずれかが発生します。層流は、流れが乱流になる閾値以下の低速で発生します。閾値速度はレイノルズ数と呼ばれる流れを特徴付ける無次元パラメータによって決定され、レイノルズ数は流体の粘性や密度、チャネルの寸法にも依存します。乱流は、渦または流体粒子の小さな塊によって特徴付けられる、あまり秩序のない流れの状態であり、横方向の混合を引き起こします。[ 2 ]非科学的な用語で言えば、層流は滑らかで、乱流は粗い流れです。

レイノルズ数との関係

ストークス流れ中の球体。レイノルズ数が非常に低い場合。流体中を移動する物体は、その運動と反対方向に抗力を受ける。

チャネル内の流体に発生する流れの種類は、流体力学の問題において重要であり、流体システムにおける熱および質量移動に影響します。無次元レイノルズ数は、十分に発達した流れの状態が層流または乱流のどちらにつながるかを説明する方程式の重要なパラメーターです。レイノルズ数は、流体の慣性力とせん断力の比であり、流体システムのスケールに関係なく、流体の動きの速さとその粘性の相対的な関係です。層流は、通常、流体の動きが遅いか、流体の粘性が非常に高い場合に発生します。流体の流量の増加などによってレイノルズ数が増加すると、流れは特定のレイノルズ数の範囲で層流から乱流に遷移します。層流から乱流への遷移範囲は、流体の小さな擾乱レベルまたは流れシステムの不完全性によって異なります。レイノルズ数が非常に小さい場合（1 よりはるかに小さい場合）、流体はストークス流れ、つまりクリープ流れを示し、流体の粘性力が慣性力よりも優位になります。

レイノルズ数の具体的な計算方法、および層流が発生する値は、流れシステムの形状と流れのパターンによって異なります。一般的な例としては、パイプを通る流れが挙げられます。この場合、レイノルズ数は次のように定義されます。

Re＝ρあなたDHμ＝あなたDHν＝質問DHνあ、{\displaystyle \mathrm {Re} ={\frac {\rho uD_{\text{H}}}{\mu }}={\frac {uD_{\text{H}}}{\nu }}={\frac {QD_{\text{H}}}{\nu A}},}

どこ：

D Hはパイプの水力直径（m）です
Qは体積流量（m 3 /s）である
Aはパイプの断面積（m 2）です。
uは流体の平均速度（ SI単位：m/s）です。
μは流体の動粘度（Pa·s = N·s/m 2 = kg/(m·s)）です
νは流体の動粘性であり、 ν = ⁠μ/ρ⁠（m2/s）;
ρは流体の密度（kg/m 3）である

このようなシステムでは、レイノルズ数が臨界値である約2,040を下回ると層流が発生しますが、遷移範囲は通常1,800から2,100の間です。[ 4 ]

流体中に浮遊する物体を過ぎる流れなど、外部表面で発生する流体システムでは、物体周囲の流れの種類を予測するために、レイノルズ数の別の定義が用いられます。例えば、流体中に浮遊する粒子には、粒子レイノルズ数Re pが使用されます。パイプ内の流れと同様に、層流は通常、低いレイノルズ数で発生し、乱流やそれに関連する現象（渦放出など）は、高いレイノルズ数で発生します。

例

液体中の移動するプレートの場合には、プレートとともに移動する層（薄層）と、静止したプレートの隣に静止した液体の層があることがわかります。

層流の一般的な応用例としては、粘性液体が管やパイプを滑らかに流れる場合が挙げられます。この場合、流速は壁面のゼロから容器の断面中心に沿って最大まで変化します。管内の層流の流れプロファイルは、流れを薄い円筒状の要素に分割し、それらに粘性力を加えることで計算できます。[ 5 ]

もう一つの例は、航空機の翼上の空気の流れです。境界層は、翼の表面（および航空機の他のすべての表面）を覆う非常に薄い空気の層です。空気には粘性があるため、この空気層は翼に付着する傾向があります。翼が空気中を前進すると、境界層は最初は翼型の流線型に沿って滑らかに流れます。ここでは流れは層流であり、境界層は層流層です。プラントルは1904年に層流境界層の概念を翼型に適用しました。[ 6 ] [ 7 ]

双曲線回転は、流線を表す長方形の双曲線を使用して、コーナーでの理論的な層流を表します。

日常的な例としては、滑らかな障壁の上を浅い水がゆっくりと滑らかに、光学的に透明に流れることが挙げられます。[ 8 ]

エアレーターのない蛇口から勢いよく水が流れ出ない場合、最初は層流を示しますが、重力による加速がすぐに始まり、流れのレイノルズ数は速度とともに増加し、蛇口の下流では層流が乱流に変化することがあります。その結果、光透過性は低下するか、完全に失われます。

層流障壁

層流に対する走化性を研究するための実験室

層流は、空気の体積を分離したり、空気中の汚染物質が特定の領域に侵入するのを防ぐために使用されます。層流フードは、科学、電子工学、医療の分野で繊細なプロセスから汚染物質を排除するために使用されます。エアカーテンは、商業施設で加熱または冷却された空気がドアを通過するのを防ぐために頻繁に使用されます。層流リアクター（LFR）は、層流を使用して化学反応とプロセスメカニズムを研究するリアクターです。病気管理のためのラットの畜産における層流設計は、1971年にBeallらによって開発され、当時の東側諸国を含む世界中で標準となりました[ 9 ]。[ 10 ]

参照

参考文献

  1. ^ Streeter, VL (1951-1966)流体力学、第3.3節（第4版）。McGraw-Hill
  2. ^ a b Geankoplis, Christie John (2003).輸送プロセスと分離プロセスの原理. Prentice Hall Professional Technical Reference. ISBN 978-0-13-101367-4. 2015年5月1日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  3. ^ Noakes, Cath; Sleigh, Andrew (2009年1月). 「Real Fluids」 .流体力学入門. リーズ大学. 2010年10月21日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2010年11月23日閲覧。
  4. ^ Avila, K.; Moxey, D.; de Lozar, A.; Avila, M.; Barkley, D.; Hof, B. (2011年7月). 「パイプ流における乱流の発生」. Science . 333 (6039): 192– 196. Bibcode : 2011Sci...333..192A . doi : 10.1126 / science.1203223 . PMID 21737736. S2CID 22560587 .  
  5. ^ Nave, R. (2005). 「Laminar Flow」 . HyperPhysics . ジョージア州立大学. 2011年2月19日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2010年11月23日閲覧。
  6. ^アンダーソン、JD (1997). 『航空力学の歴史と飛行機械への影響』ケンブリッジ大学出版局. ISBN 0-521-66955-3。
  7. ^ Rogers, DF (1992).層流解析. Cambridge University Press. ISBN 0-521-41152-1。
  8. ^ sovereign578 (2016年11月5日). 「自然界の層流」 YouTube . 2019年12月17日閲覧。
  9. ^フェイス, ロバート・E.; ヘスラー, ジャック・R. (2006). 「10. 住居と環境」. サッコウ, マーク・A.; ワイスブロース, スティーブン・H.; フランクリン, クレイグ・L. (編). 『実験動物ラット』（第2版）. アムステルダム, ボストン:アメリカ実験動物医学会( AP ). p. 304/pp. 304–337/xvi+912. ISBN  978-0-08-045432-0. OCLC  162569241 .ISBN 9780120749034ISBN 0120749033
  10. ^トラヴニチェク、J.;マンデル、L. (1979)。 「グノトバイオティクス技術」。フォリア 微生物学。24 (1)。チェコスロバキア微生物学会( Springer ): 6–10 . doi : 10.1007/bf02927240。ISSN 0015-5632。PMID 374207。S2CID 6421827。   
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