𝚖𝚘𝚟𝚎 𝚏𝚛𝚎𝚎

『カラダの動きを自由に』をテーマにした考察ブログ 。

流体

 

 

 

流体

一定の形を持たず外力で自由に形を変える物質

◾︎種類

液体と気体

物質の3態 : 固体 液体 気体

 

◾︎表現

流線  多くの流体粒子による動きをつないだ線

    定常流の観察に使用する

流跡線 一つの流体粒子が動いた線

    非定常流の観察に使用する

 

 

時間 定常流 流れの様子が時間とともに変化しない流れ

   非定常流 流れの様子が時間とともに変化する流れ

 

性質

粘性、圧縮性

【粘性】

流体が動くときに抵抗力が働く性質

↪︎抵抗力の発生は摩擦応力によるもの

↪︎摩擦応力 : 流体内部の摩擦力

 

◾︎ニュートンの粘性法則

摩擦応力は速度勾配に比例して大きくなる

↪︎速度勾配 : 速度の変化率

 

◾︎種類

1.粘性流体  粘性がある流体

2.非粘性流体 粘性がない流体(仮想的)

非粘性流体を導入するのは流れる様子を簡易化するため

粘性の影響は境界層のみで大部分は非粘性で問題ない

 

◾︎境界層

粘性の摩擦で物体表層にできる流れが遅い層

非粘性流体は摩擦がなく境界層はできない

 

 

◾︎流れに対する粘性の影響を考える

粘性係数:摩擦応力の大きさを表す

動粘性係数:摩擦応力の伝わりやすさを表す

 

動粘性係数は流体の重さによって異なる

↪︎重い流体は止まりにくい = 伝わりにくい

↪︎軽い流体は止まりやすい = 伝わりやすい

 

 

 

【圧縮性】

流体が外部かの圧力や温度変化で圧縮・膨張する

     圧力を加える    圧力を減らす     

質量    変化なし      変化なし

体積    減少        増加

圧力    増加        現象

密度    増加        現象

 

 

 

 

 

 

層流 : 流体が層状になって規則正しく運動する流れ

   流体左互いに混ざり合うことはありません

乱流 : 流体が不規則に乱れながら運動する流れ

   流体は互いに混ざるが平均すると流れの方向へ進む

遷移 : 層流から乱流に変化する

   遷移はレイノルズ数・圧力勾配・表面荒さで変化する

 

◾︎レイノルズ数

流れにおける粘性の影響を表す

1.層流から乱流への遷移

レイノルズ数が大きいと粘性力の割合が小さくなる

2.粘性の影響範囲 

レイノルズ数が大きいと粘性の影響範囲が狭くなる

範囲は物体のごく表層とその後ろの流れに限られていく

3.レイノルズの相似則 

レイノルズ数が同じであれば流れの様子は相似形になる

※マッハ数0.3以上の流れでは圧縮性の影響があるため、

  レイノルズ数とマッハ数の両方を合わせる必要がある

 

◾︎圧力勾配

流れる方向の静圧の変化の割合

↪︎負の圧力勾配:流れ方向に圧力が低くなる変化の傾き
↪︎正の圧力勾配:流れ方向に圧力が高くなる変化の傾き

 

圧力勾配は物体形状が丸みを帯びていると発生する

物体の最も膨らんでいる位置が正負の切り替わりポイント

 

負の圧力勾配の流れ

負の圧力勾配は層流を維持する効果がある

高い圧力から低い圧力に向かって圧力の押す方向に流れる

そのため流れはアシストされるから

正の圧力勾配の流れ

正の圧力勾配は乱流への遷移促進や境界層の剥離の原因となる

低い圧力から高い圧力に向かって圧力に対抗して流れる

ため流れは止められ乱流に遷移しやすくなる

また流れを止める働きは境界層の剥離の原因にもなる

 

 

◾︎表面荒さ

物体表面の荒さ

表面が荒いほど流れが乱れるので境界層は乱流に遷移しやすくなります。

したがって、遷移位置は物体表面が荒いほど翼型の前縁に近づいてきます。

 

デメリット 乱流には摩擦抵抗が増える

メリット 物体から剥離しにくく圧力抵抗を減らす

 

 

 

定理

 

◾︎連続の式

流体の質量流量は流線上のどの断面でも常に一定である

(質量流量とは単位時間あたりに断面を通過する流体の質量)

↪︎圧縮性流体では流線上で質量流量が一定である。
↪︎非圧縮性流体では流線上で体積流量が一定である。
  (単位時間あたりに断面を通過する流体の体積)

 

質量

体積

 

◾︎ベルヌーイの定理

流体内のエネルギーの和が流線上で常に一定である(流体におけるエネルギー保存則)

※ベルヌーイの定理では、定常流・摩擦のない非粘性流体を前提としています。

流体のエネルギーには運動・位置・圧力・内部エネルギーの4つ

非圧縮性流体であれば内部エネルギーは無視できます。

 

 

圧力

静圧 流体の圧力

動圧 流体の持つ運動エネルギーを圧力の単位で表したもの

全圧 静圧と動圧の和

摩擦のない流れでは全圧は常に一定になります。

同じ流線上で静圧と動圧は互いに交換し合う関係があり、圧力が下がると流れは加速し圧力が上がると流れは減速します。

 

・よどみ点圧

物体によって流れがせき止められた点の圧力のこと。

速度を持った流れが停止したときの圧力

すなわち全圧=よどみ点圧
・よどみ点

速度が停止した点

動圧が全て静圧に変換される。
 

 

圧力係数

流体の静圧を無次元で表した係数

圧力を無次元で表す理由は物体形状の影響を見ることができます。