流体
流体とは、自由に形を変えて流れることができるもので、これは主に液体と気体を指し、固体とは異なり、一定の形状を持たないという特徴がある。気体では空気、液体では水や油などに代表されるが、実際にはある種のゴムや地盤の液状化・流動現象などのように流体的な性質をもつ固体も存在している。流体を考える学問を流体力学といい、自然現象から工業プロセスに至るまで幅広く応用されている。
流体の定義と分類
物質は分子同士の結合によりできているが、流体のうち、気体は拘束力が弱く自由に広がることができ、また液体は分子運動が拘束を受けるため、気体に比べて自由に広がらない。流体はこのような分子の構成がされているため、気体・液体両者とも、力を加えると自由に変形し、容器に入ると形を変える。分類としては、粘性の有無により理想流体（粘性ゼロ）と実在流体（粘性あり）に分けられる。また、圧縮性により圧縮性流体と非圧縮性流体にも分類される。液体は一般に非圧縮性とされ、気体は圧縮性を持つ。
流体の性質
流体は粘性、密度、圧力、温度、表面張力などの物理的特性によって記述される。これらは流体の運動や挙動を定量的に理解するために不可欠である。例えば、粘性は流体の「ねばりけ」の度合いを示し、流れの抵抗を生む。密度は単位体積あたりの質量であり、気体では温度や圧力によって変化する。
粘性
流体の分子や原子は互いに干渉しあい運動しているが、粘性とは、その運動に付随する分子間の摩擦力(抵抗力)のことである。
圧縮性
流体は加圧されると、その体積変化を起こすが、そのことを圧縮性という。また圧縮性の中で、流体の体積が力をうけて変形しやすい流体を圧縮性流体、そのことを無視していい流体を非圧縮性流体という。
圧力の変化量
圧力の圧縮率
圧縮性流体・非圧縮性流体
流体の体積が力をうけて変形しやすい流体を圧縮性流体、そのことを無視していい流体を非圧縮性流体という。
理想流体
理想流体は、理想状態を想定した流体で、本来もつ流体の圧縮性や粘性を無視した流体である。流体の性質を考察するときに理想流体を想定することでより理解しやすいようにする。
圧力
圧力とは、流体の単位面積あたりに垂直にかかる力の大きさをいう。流体を考えるうえできわめて重要な要素となる。
- 絶対圧力：絶対真空(0圧)を基準にした圧力。
- ゲージ圧力：標準大気圧(101.3kPa)を基準に取った圧力で工業的に利便性が良い。
- 差圧圧力:2つの他の圧力を基準に取った圧力で流量の測定に用いる。
パスカルの原理
パスカルの原理とは、容器内の圧力はどの部分でも一定であるという圧力に関する原理である。
流線・流跡線
流線とは、流体の運動を考えるときの仮想の線で、流体分子の速度ベクトルの包絡線をいう。また流体粒子がたどる道筋を流路線という。
定常流れ・非定常流れ
定常流れとは、速度、圧力、密度などの流れの状態が時間的に変化しない流れで、それに対して時間によって変わる流れを非定常流れという。
連続の式
連続の式とは、管内の流体を考えたときの流量に関する式で、流量(=断面積×速度)は一定という式である。
ベルヌーイの定理
ベルヌーイの定理とは理想流体を前提としたときの流体のエネルギーを表した式で、流体のエネルギー保存の法則を表している。エネルギーとは速度エネルギー、運動エネルギー、位置エネルギーを示し、それらの総和は一定であることを示している。配管内の流れや航空機の翼の揚力の理解に応用される。特に、断面積の変化により速度と圧力が反比例する現象は多くの流体機器設計に利用されている。
ベルヌーイの定理
理想流体の流れにおける保存則として知られるのがベルヌーイの定理である。これは、流体の圧力、速度、および位置エネルギーが一定であるという法則であり、配管内の流れや航空機の翼の揚力の理解に応用される。特に、断面積の変化により速度と圧力が反比例する現象は多くの流体機器設計に利用されている。
層流・乱流
層流・乱流とは流体の流れのことで、普通、緩やかな流れのときは層流で、流れが速くなるにしたがい流れは乱れていき乱流となる。
レイノルズ数
レイノルズ数とは、流体の層流と乱流に分かれるときの無次元数で、流れが層流（滑らか）か乱流（不規則）かを判断する指標となる。これは慣性力と粘性力の比を示し、慣性力／粘性力と表現できる。般に、レイノルズ数が2000未満であれば層流、4000を超えると乱流とされる。これは配管設計や空力解析で重要な判断基準である。
臨界レイノルズ数
臨界レイノルズ数とは、層流から乱流へ変わるときのレイノルズ数のことで、円管では2300＜Re＜4000の間であるとされている。
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