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Jul 17, 2023

流体の乱流、速度、流量測定の謎を解く

人生に関する長年の哲学的問題の 1 つは、冷蔵庫のドアを閉めたときに電気が消えるかどうかです。 プロセス エンジニアにとって、さらに深い質問は、何を知るかということです。

人生に関する長年の哲学的問題の 1 つは、冷蔵庫のドアを閉めたときに電気が消えるかどうかです。 プロセス エンジニアにとって、さらに深い質問は、パイプ内で何が起こっているかを知ることに関係しています。 冷蔵庫と同様、中を見て答えを確かめるのは困難です。 流体が場所から場所へと流れるときの挙動は、多くの人々に大きな衝撃を与え、依然として謎に包まれています。

液体が均一な柱としてパイプの中を流れることを想像するのは簡単ですが、それは決してそうではないことはわかっています。 配管の特性または特徴により、配管全体の速度の範囲が変化します。 主な原因は摩擦です。 流れに対する抵抗があまりないように見えるかもしれませんが、これは重要な考慮事項です。 内部が滑らかな直管であっても、壁に最も近い液体は管壁に擦れるため、最もゆっくりと移動します。 内側の次のレイヤーは、最も外側のレイヤーによって遅くなり、以下同様に続きます。 その結果、パイプの中心にある液体が最も速く移動します (図 1)。 これは、明確な層が維持される層流の説明です。 より高い速度で発生する乱流状態では、流体がパイプ内を移動するときに渦や渦がこれらの層の混合を引き起こします。 パイプ内の流体速度について話す場合、あたかも完全に均一な柱として移動しているかのように平均を説明していますが、実際はそうではありません。

純粋なエネルギー損失の観点から見ると、層流が最も効率的です。 ただし、ラインのサイズは流れに比べて非常に大きくする必要があるため、これはプロセス配管内で現実的に維持できる流れの状況ではありません。 乱流は、最も粘性の高い流体の流れを除くすべての流体の流れで発生します。 より高い流速によって生じる乱流を、流れに速度勾配を加える流れの乱れと混同しないでください。 これらは、エルボやバルブなどの配管構成が原因で発生する可能性があります。

図 1: 層流は実際には速度の分布であり、最も速く動く流体が中心にあります。

配管システムには、特に方向の変更 (エルボ)、流れの制御 (バルブ)、測定 (サーモウェル) などの必要性があるため、流れの乱れはつきものです。 適切な設計とこれらの障害の認識は、プロセス全体が期待通りに実行されることを保証するために重要です。 配管内には障害が発生する原因が数多くあります。

流れや配管に関連するあらゆる種類の値を計算するための方程式は数多くありますが、現在ではこれらのタスクのほとんどが計測およびモデリング ソフトウェア ツールで処理されるため、これらは主に工学部の学生を苦しめるために使用されています。 現実の世界では、一般に流れの乱れを最小限に抑えることが目的であり、これは可能な限り流れの乱れの発生源を作らないことを意味します。 遠心ポンプの入口、多くの種類のスプレー ノズル、ほとんどの種類の流量計など、一部のデバイスは乱流に特に敏感です。 これらすべてに対する解決策は、装置の前、場合によっては装置の後に、ある程度の長さの直管 (多くの場合、整流装置と組み合わせて) を必要とすることです。 これがどのように機能するかを考えてみましょう。

計算にはあまり深く立ち入りませんが、流れの状況に影響を与える 2 つの主な変数は、パイプの直径と流体の速度です。 パイプ直径の側面を概念化するのは難しくありません。 液柱の直径が大きくなると、速度プロファイルも複雑になります。そのため、直管の要件はパイプの直径で表現されます。

流体速度も要因ですが、通常は大部分が想定されます。 液体がパイプ内を移動する速度が遅いほど、流れのプロファイルはより急激になります。 繰り返しになりますが、これを概念化するのは難しいことではありません。液体の動きが遅いと乱流が少なくなり、パイプの中心とパイプ壁の隣の流体速度の差が大きくなります。 速度は通常、速度に基づいて流量を処理するために必要なパイプ直径のガイドライン内に収まるため、これらの議論では省略される傾向があります。 液体の経験則の 1 つは、中型パイプの速度が 7 フィート/秒 (fps) 未満であることを要求します。 直径が 1 インチ未満など、直径が小さい場合は、より低い速度が必要です。