流動

流体に関するエネルギー保存則のことを特にベルヌーイの定理といいます。ベルヌーイの定理が成り立つおかげで、エンジニアは流体を所定の高さまで持ち上げるのにどのくらいのエネルギーやポンプ性能が必要か計算できるわけです。

現実の流体は粘性を持っており、流体が動くときには相互運動を妨げる方向に力が働きます。この力が流体の速度分布に比例する法則のことをニュートンの粘性法則といいます。

ある流体の粘度を密度で割った値を動粘度νといい、(1)式で表されます。粘度が大きいほど動粘度も大きくなるため、粘度と動粘度は同じような意味合いで使用されることが多いです。ただし、分野や扱う現象によっては意味合いが微妙に異なる場合もあります。

定常流れでは管路のどの位置においても質量流量は一定となります。この関係を連続の式といいます。連続プラントにおいては、配管の断面積等から任意の位置で流速を計算できるため非常に便利な式です。

配管の圧力損失計算で使用される式をファニングの式といいます。もしファニングの式で圧力損失を考慮せずに実揚程だけでポンプの揚程を決めてしまうと、流体と配管との摩擦によりエネルギーが損失するため、目的の場所まで流体を送ることができなくなります。

層流の配管流れにおける圧力損失と流速の関係式をハーゲン・ポアズイユの式といいます。本記事ではハーゲン・ポアズイユの式の導出について解説します。

流体が壁面との摩擦や流体同士の摩擦によってエネルギーを損失することを圧力損失といいます。この記事では実務で計算する頻度の多い配管流路の圧力損失について計算方法を紹介します。

くみ揚げたい高さ(実揚程)分のエネルギーにプラスして、摩擦によるエネルギー損失分や入口出口の圧力差分のエネルギーを加える必要があります。これら全てのエネルギーを合計し、ポンプの揚程として表したものを全揚程といいます。

ポンプの運転において、キャビテーションを発生させずに運転できるかどうかを判断するための指標をNPSH(Net Positive Suction Head)といいます。

ポンプの揚水性能を表わす手法として、縦軸に全揚程H、横軸にポンプの吐出し量Qを取ったものをH-Q曲線と言います。この記事ではH-Q曲線が単独運転、直列運転、並列運転でどう変化するかを解説しています。

遠心ポンプ・圧縮機の運転中に、周期的な圧力変動が発生し吸込み側・吐出し側の配管で振動や騒音が起こる現象をサージングといいます。この記事ではサージングの発生条件と防止法について解説しています。

ポンプの流量が低下すると、ポンプ効率が低下し熱によるエネルギーロスが多くなることに加えて、流体による温度除去効果も減少するため、ポンプの温度が上昇しやすくなります。この温度上昇によって引き起こされるトラブルを回避するために、常に必要最低限の流量(ミニマムフロー)を確保して運転する手法が挙げられます。

上図のようにゆるやかな縮小部と拡大部を持つ管をベンチュリー管と呼びます。ベンチュリー管は動圧と静圧の異なる箇所を作り出し、各々の箇所の静圧差を測定することで流速及び流量を測定できます。

全圧と静圧を測定することで流体の流速を測定する装置をピトー管といいます。測定した全圧と静圧から動圧を算出することができます。この計算はベルヌーイの定理から導くことができ、動圧は流速の2乗に比例することが知られています。