No.1ベストアンサー
- 回答日時:
ご質問への回答にはなりませんが、一応書いておきます。
完全流体なら公式(下記トリチェリの定理)がありますが、粘性流体では公式の類はないと思います。
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1本の流管の離れた2点を添え字<1>,<2>で表わしたとき、粘性流体に対する機械的エネルギー収支は、
a.断面1と2での運動エネルギーの差
b.断面1と2でのポテンシャルエネルギーの差
c.断面1と2での圧力による仕事量の差
d.摩擦により失われた仕事量
e.外部から供給された仕事量
とすれば、
a+b+c-d+e= 0
液体が非圧縮性であれば、U:流速、z:高さ、P:圧力、ρ:密度、として、
a.(α/2)*(U<1>^2-U<2>^2)、
乱流:α≒1、層流:α≒2
b.z<1>g-z<2>g
c.(P<1>-P<2>)/ρ
d.Ev(完全流体では=0)
e.We(1,2間にポンプ等による仕事がなければ=0)
Ev=0 かつ We=0 のときは、完全流体(=非粘性流体)に対するベルヌーイの式に一致します。
(以上「新体系単位操作」オーム社p.167、H6年9月 からまとめ。)
---------------------
【問】高さH(m)の液面まで液体を入れた容器の底部に直径D(m)の穴をあけた場合、出口流速を求めよ。
■完全流体(=非粘性流体)
断面1を液面、2を容器出口とおき、粘性μ=0 → Re数=UDρ/μ=∞ → 乱流扱いなので、α=1。
z<1>-z<2>=H、P<1>=P<2>(=1気圧)、Ev=0、We=0、を代入しU<2>を求めます。
容器(の水面積)があまり大きくない場合は、液面の降下速度U<1>を無視できず、
U<2>=√{u<1>^2 + 2gH}
容器が大きくu<1>=0と見なせる場合は、
U<2>=√{2gH}・・・(トリチェリの定理)
■粘性流体(1)
同じ問題を粘性流体に置き換えると、途端に
d.摩擦により失われた仕事量
の推算が難しいことに気付きます。(これさえ判れば、あとは上と同じ計算です。)
容器の壁と底に接する粘性流体は静止し、薄い境界層ができますが、これによる摩擦損失は無視できるでしょう。(出口には容器中央部の流れが流出してくるので、壁際に存在する薄い大きな速度勾配は、あろうがなかろうが流出量に殆ど影響しない筈。)
問題なのは、出口穴の縁(ふち)だけ。
完全流体なら縁に接する流れも(摩擦がないため)流下液柱の中央部と同じ流速を持ちますが、粘性流体では縁に接する流体の流速がゼロです。
摩擦により失われる仕事量は縁の長さにもよりますが、発達した層流境界層にもなっていないでしょうし、中途半端に小さいので、どう計算すべきか・・・
■粘性流体(2)
出口から下に、穴と同じ内径D(m)で長さL(m)>>D の鋼管を鉛直に接続すると、摩擦抵抗が計算できる大きさになるので、回答可能になります。
Fanningの式:ΔP=P<1>-P<2>=2f・ρ・H・u^2/D、
層流なら f=16/Re
(乱流なら例えば Karman-Nikuradseの式からfを算出、計算例⇒ http://okwave.jp/qa4890025.html )
このΔPをc.に入れれば出口流速を求めることが可能です。
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