【千里の道も一歩から――遠心ポンプ編】1.1 概念の解説：沿程損失と局所損失

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この投稿は最後に3983596_FPPZによって2018-11-14 15:28に編集されました。1.1.9 経路損失と局所損失 今日は流体力学でよく出てくる知識点である、経路損失と局所損失について解説します。海友の皆さんからよく聞かれるのが、一定距離を管で輸送する際にポンプの出口でどれくらいの圧力が必要かという問題で、これもこの分野の問題です。 液体には粘度があるため、流れる液体と管壁の間には必ず摩擦が生じ、一定の速度勾配が形成され、それによって一定の沿程抵抗が生じ、損失が発生します。これを沿程損失と呼びます。この沿程損失は管路の長さに関連しており、長距離でのパイプライン輸送における主要な損失要因です。インペラのディスクによる摩擦損失と同様に、私はそれを機械的損失の範疇に分類しています。 液体には粘性があるため、液体同士が互いに作用し合い、衝撃や渦などの影響によって一定の局所的な抵抗が生じ、損失が発生します。これを局所損失と呼びます。相対的な沿程損失に比べて、局所損失は一般的に小さく、曲がり部、直径変更部、バルブなどの装置や配管の始点および終点付近でよく発生する。ポンプの水力損失と同様に、私はそれを水力損失のカテゴリーに分類しています。 沿程損失と局部損失については、長距離の高圧電力送電と同じように考えることもできます。長いケーブルで生じる損失の方が、接続部やスイッチなどの部分で生じる損失よりもはるかに大きいのです。 レイノルズ数　層流と乱流：管内の流体の流れ方は、大きく層流と乱流に分けられる。 層流とは、管壁から一定の距離にある液体が一定の法則に従って秩序正しく流動し、速度勾配が生じる流動状態のことです。乱流とは、管内の各部分で液体の流れが乱れて秩序のない状態のことです。一般的に、流速が低く粘度が高い液体の流れは層流状態であり、流速が高く粘度が低い液体の流れは通常乱流状態である。静かに流れる小川と、突然決壊して溢れ出す洪水を想像してみてください。 レイノルズ数：管内の流体の流れの状態を判断するための数値で、工学的な円管の場合、レイノルズ数が2000を超えると、流体の流れは通常乱流状態となる。実際には、ほとんどの乱流は管の中心付近が乱流であり、管壁に近い部分は層流となっている。高粘度の原油や、燃料油が層流状態で輸送される配管を除けば、私たちが見るほとんどのパイプラインにおける液体の流動状態は乱流状態です。 沿程損失　沿程損失 hf = λ* L * v2 / (2gd)
λは沿程抵抗係数で、この係数はレイノルズ数（層流および乱流）や管壁の滑らかさに関連している。詳細については流体力学の専門資料の図表を参照することができる。
Lは管の長さ、vは平均流速、dは管の等価内径である。
沿程損失の計算式からわかるように、損失の大きさは流速の二乗に比例する。流速が少し上がるだけで損失は大幅に増加するため、配管のサイズ設定には「経済的な流速」という考え方がある。流速が遅すぎると、配管の直径は必然的に大きくなり、配管自体のコストも高くなってしまう；流速が速すぎて、沿程損失が大きくなり、ポンプのコストも高くなる。 局所損失　局所損失hj = ζ* v2 / 2g　ζは局所損失係数であり、この係数には配管の収縮、拡散、曲がり部などのデータが含まれている。また、フィルター、流量計、格子、ノズル、各種バルブなどに関する詳細かつ具体的なデータもあり、関連メーカーに問い合わせるか、流体力学の専門的な資料や図表を参照することで入手できる。 v—平均流速　局所的な損失を減らす方法としては、流速を下げることのほか、配管部品の数を減らしたり、断面の急変をなくすことも損失低減の対策となる。特にポンプの入口配管において、局所損失をできるだけ低減することで、ポンプのキャビテーション発生を軽減あるいは回避することができる。 実際の工事においては、配管内の沿程損失と局所損失は同時に存在し、配管の設置方法や用途によって、これら2つの損失が占める割合が異なるだけである。 実際、生活の中には沿程損失や局所損失と通じる例がたくさんある。例えば長距離ランニングシューズで、600キロ走った後に靴底がすり減ってしまうのも、沿程損失なのである；新しく買ったサッカーシューズを踏み間違えて壊してしまったのは、部分的な損失です。 宿題（複数選択）：沿程損失と局部損失に関する次の記述のうち、誤っているのは： A. 装置内の配管の沿程損失と局部損失を低減することで、装置のキャビテーション余裕NPSHaを高めることができる。B. 経路損失を低減するために、できるだけ大きな配管直径を選ぶべきである。C. 経路損失を低減するために、内壁が滑らかな配管を使用すべきである。D. 局部的な損失を低減するために、詰まったフィルターを適時に清掃する必要があります。E. 局部的な損失を低減するために、断面が急変する溶接変径管を使用すべきである。F. 管路損失と局所損失は管路内でのみ発生し、遠心ポンプ、圧縮機、計量ポンプなどの流体装置にはこれらの損失は存在しない。 BEF