層流と乱流

流体力学は古典物理学の重要な部分であり、灌漑から人体生理学に至るまで応用されている。航空宇宙、海洋、灌漑、水資源など、多くの分野で工学的に重要な貢献をしています。

流体の流れは状態によって異なり、解析のために流れを状態別に分け、それぞれの状態を特徴づける流体特性（速度、圧力、密度、粘性など）を設定します。流れには、大きく分けて乱流と層流があります。

層流とは？

流体中の粒子が互いの経路を交差することなく流れ、粒子の速度が常に粒子の経路の接線方向にあるとき、この流れは流線と呼ばれます。流線形の流れが発生すると、流体粒子の層は、他の粒子の運動を妨げることなく、隣の粒子を滑って通り過ぎる傾向があり、これは流体流れの層または地層で発生する。この流れは層流と呼ばれる。層流は流体の速度が低いときに発生する。

層流では、静止した表面に接する層の速度はゼロであり、表面に垂直な方向に増加する傾向がある。また、流速、圧力、密度などの流体力学的特性は、流体空間内の各点で一定である。

レイノルズ数とは、流体が層流にどれだけ耐えられるかを示す指標である。レイノルズ数が小さいと層流になりやすく、層間相互作用は粘性**が支配的である。レイノルズ数が大きい場合、流れは乱れやすくなり、層間相互作用は慣性**が支配的となる。

タービュランスとは？

流れの中の流体の性質が時間とともに急激に変化する場合、すなわち、速度、圧力、密度などの流れの特性の変化がランダムで任意に変化する場合を乱流という。

レイノルズ数が臨界値2040に達すると、有限長の均一円管内の流体の流れ（ポスローブの流れとも呼ばれる）は乱流になる。ただし、一般にレイノルズ数が10,000を超えると、流れが大きく乱れることはない。

乱流はランダム性、拡散性、渦度によって特徴付けられ、流れは渦、横流れ、渦巻きから構成される。

層流と乱流の違いは何ですか？

-層流は低速度、低レイノルズ数で発生し、乱流は高速度、高レイノルズ数で発生します。

-層流では、流体線の経路が規則的で流線形であり、流体経路と流体成層が横方向に乱れることなく流れている。乱流では、渦や旋回流、横流れなどが発生し、流れのパターンが不規則で無秩序な状態になる。