【流体】熱と流れの不思議　vol.2　圧力損失① ～摩擦損失～

2021年04月15日

今回の流体技術コラムでは圧力損失のうち摩擦損失について解説していきます。

圧力損失

管路内を流体が流れる場合、壁面との摩擦や壁面形状によって流れが抵抗を受けます。
抵抗により圧力が降下する現象を圧力損失といいます。
圧力損失が発生する要因として以下の2つがあります。

■　摩擦損失
　　　固体壁面と流体との摩擦力(粘性力)によって生じる損失

■　形状損失
　　　形状抵抗によって発生する損失

摩擦損失

■　摩擦損失の性質
　　　●　固体壁面と流体との摩擦力(粘性力)によって生じるエネルギー損失
　　　●　管径が小さいほど影響が大、管路長に比例
　　　●　粘性係数に比例、壁面粗さが大きいほど損失も大きい

■　ダルシ―ワイスバッハの式
　　　円管内における摩擦損失ΔPは以下の式で表されます。

■　管摩擦係数
　　　層流と乱流で導入式が異なります。

　　　◆　層流の場合
　　　　管壁の粗さに依存せず、以下の式から求めることが可能です。

　　　◆　乱流の場合
　　　　実験式として代表的なものを以下に示します。

　　　　　▼　ブラジリウスの式

　　　　　▼　ニクラッゼの式

検証

以下の条件下における円管内の摩擦損失を手計算とシミュレーションで比較します。

■　条件
　　　内径：20㎜
　　　長さ：200㎜
　　　平均流速：10 m/s
　　　管摩擦係数：ニクラッゼの式
　　　流体密度：0.998×103 kg/m3
　　　動粘度：1.0×10-6 m2/s

■　手計算の値　：7485Pa

■　シミュレーション結果　：7392Pa

まとめ

圧力損失は摩擦損失と形状損失から成り、摩擦損失はダルシ―ワイスバッハの式で求めることが可能です。
管摩擦係数をニクラッゼの式で見積もり、手計算で求めた摩擦損失と、シミュレーションで計算した摩擦損失がおおよそ一致することを確認しました。
今回紹介したダルシ―ワイスバッハの式は、設計の初期段階において、おおよその圧力損失（摩擦損失）を見積もりたい場合やシミュレーション結果の妥当性を検討する場合に大変有用です。

次回は「圧力損失②～形状損失～」をお送りいたします。

[From K.Okano]

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