ガス主任技術者の資格取得について
ガス主任技術者・基礎理論Ⅲ
ガス主任技術者・基礎理論・流動について
ガス主任技術者試験の基礎理論・化学の基礎にについてまとめてみました。参考にして下さい。
基礎理論Ⅲ・流動
流体とは
液体や気体は圧力を加えることにより流れる。そのものを流体という。
流量
内径ｄの円管内を流体が流速uで流れるときの流速Ｑは、
Ｑ＝（π/4）ｄ2u
粘度
粘り気の多いものは流れにくく、少ないものは流れやすい。この粘り気の大小を現すものを粘度または粘性という。粘性はμで表す。
粘性係数
各流体の粘度の大小を数値として現したものであり、固有の数値を持つ。ただし、気体の粘度は液体の粘度に比べて小さい（流れやすい）。また、気体の粘度は、温度の上昇に伴い増加し（流れ難くなる）、圧力の増加によってはほとんど変わらない。
動粘性係数
粘性係数（粘度）μ(ミュー)を密度ρ(ロー)で割った値である。νで表す。
ν＝μ/ρ
層流
流体分子が流れ方向に真直ぐに進んでいく流れ。
乱流
流体分子が、様々な方向に飛び回りながら流れ方向へ徐々に進んでいく流れ。
流速分布
円管内を流体が流れるとき、管壁において流体は粘性により流れていない状態、すなわち流速0となる。流速は管壁から離れるに従い徐々に回復し、円管中心部において最大流速となる。このように、流体が様々な形状の管を通過した際に生じる流速の大小を山なりの曲線として現したものを流速分布という。
なお、層流および乱流における最大流速と平均流速の関係は
層流… 平均流速は最大流速の半分
乱流… 平均流速は最大流速の円管直径に対する半径の比（1/2）の1/n乗に比例する。
ｎ=7をカルマン-プラントルの1/7乗則という。
臨界速度
流速が早くなると流体の流れは層流から乱流へ変わる。層流から乱流へ変化する速度を臨界速度という。
レイノルズ数
流体の流れが層流から乱流へ変化する速度は、管の形状（円管やダクト等）や流体の種類、温度、圧力などにより異なる。よって、速度や管の形状と関係なく流体の流れの状態を決定するためレイノルズ数を用いる。レイノルズ数は
ρu(－)d μd
Re＝―――――＝―――
μ ν
Re ：レイノルズ数 d ：円管では直径
μ ：粘性係数 ν ：動粘度
ρ ：密度 u(－) ：平均速度
のように求まる。すなわちレイノルズ数は、密度、平均速度、管の直径に比例し粘性係数に反比例する。または、レイノルズ数は、平均速度、管の直径に比例し動粘度に反比例する。
臨界レイノルズ数
層流から乱流へ変わるときのレイノルズ数を臨界レイノルズ数という。層流から乱流へ変化する点は、管の形状（円管やダクト等）や流体の種類、温度、圧力などにより異なるが、概ね臨界レイノルズ数において2320～2400位となる。この数値より小さいと層流、大きいと乱流となる。
ベルヌーイの定理
圧力、速度、高さから流体の流れのエネルギー保存則を求めたものがベルヌーイの定理である。ベルヌーイの定理は流れの各点で時間にともない流速や温度が変化しない安定した流れ（定常状態）においてのみ成立する。この定理は層流にも乱流にも適用される。
頭損失
配管中を流体が流れると、配管との摩擦により流体はエネルギーを失う。これを頭（ヘッド）損失という。 頭損失Ｆ＝ΔＰ/ｇρ
ΔＰ＝圧損失 ｇ＝重力加速度＝9.8ｍ/ｓ2 ρ＝密度［kg/ｍ3］
圧損失
層流の圧損失･･･ハーゲン―ポアズイユの式
32μu(－)l
ΔＰ=――――――
d2
μ＝粘性係数 u(－)＝平均流速 l＝管の長さ ｄ＝内管の直径
流速u(－) [m/sec]及び管の長さl[m]に比例し、内径ｄの２乗に逆比例する。
乱流の圧損失･･･ファニングの式
2fρlμu(－)2
ΔＰ=――――――
d
f＝摩擦係数 ρ＝密度 u(－)＝平均流速 l＝管の長さ ｄ＝内管の直径
流速u(－) [m/sec]の２乗に比例し、内径ｄに逆比例する
メーター
流体の流量を測定する方法としては直接法と間接法の2種類がある。 直接法…流体の容積または質量を測定し流量を得る方法。
湿式ガスメーター
メーター内に回転ドラムがあり、その中に入っている水が回転により移動することで、その回転数を機械的に測定するもの。低圧用として用いられる。 間接法…流速と関係のある圧力より、流量を求める方法。
ピトー管
ピトー管は流体の動圧（流れているときの圧力）と静圧（流れていないときの圧力）の差より流体の流速を測定する。 ただし、配管内部における流速分布が一定でないので、測定位置によって流速が異なるため、配管中心部の流速と何点か測定した平均速度の関係より平均流速を求める必要がある。
オリフィスメータ
配管内部に邪魔板を入れてその前後の圧力差を測定して流量を求める。 ピトー管と異なり、配管の平均流速を知ることができる。また比較的安価であるが、測定時に表れた圧力差が下流においても回復されずに損失となる。
ベンチュリーメータ
測定方法はオリフィスメータと同様であり、流量の測定式も同一のものから求まる。 ベンチュリーメータでは、測定時に表れた圧力差を下流で回復できる利点があるが、値段も高く取付に大きなスペースを取る欠点がある。
ローターメータ
ローターメータはガラス管の中にフロートが流量により浮き上がる量が変化することから、ガラス管に刻まれた流量表示を読み測定する。 ただし、ローターメータは使用が簡単である反面、温度や圧力による影響を受けやすく、異種流体を使用すると、測定値がずれるため検定が必要となる。また、非常に高価である。
