130年来の難問を解決――沖縄科学技術大学、パイプラインを通過する「遷移流」の摩擦の法則を発見

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沖縄科学技術大学院大学(OIST)は2018年2月1日、130年来の疑問だったパイプラインにおける「遷移流」の摩擦の法則を、同大学の研究チームが発見したと発表した。石油精製所などの産業現場で流体がパイプラインを遷移流として通過する際、ポンプを使って送り出すために必要なエネルギー量を、同法則を用いて理解できれば、効率化に役立つとしている。

配管を流れる流体は、速度が遅い時はスムーズに流れ、速度の速い時はより乱雑な流れとなる。英国の物理学者で技術者でもあったオズボーン・レイノルズは130年以上前に、遅い速度の流体の流れを「層流」、速い速度の流体の流れを「乱流」と表現し、流体が流れる速度と流体とパイプとの間に形成される摩擦との関係を説明する一連の方程式を構築した。

技術者たちは今日でも、液体や気体がパイプを流れる際に摩擦によって失われるエネルギーの減損を計算する際に、レイノルズの「抵抗の法則」を使用する。しかし現在でも、層流から乱流に遷移する流れである「遷移流」に何が起きるかという問題は未解決のままであり、このタイプの流れでは摩擦力やエネルギー損失を計算することは困難だった。

今回、同大学の流体力学ユニットのローリー・サーバス博士らと連続体物理学研究ユニットが、この130年来の難問に解決策を見出した。遷移流ではパイプラインに沿って異なる種類の流れが、間欠的に交互に連なっている事が知られていたが、遷移流における摩擦測定の標準的手法ではこれらの流れが単純に一緒にされてしまっていた。

そこでOISTの研究者らは、滑らかな流れと混沌とした流れを別々に分析した。20mのガラス製パイプに水を流し、微粒子を入れてレーザーを照射することで流れの速度を測定した。これにより、遷移流で交互に存在する滑らかな流れと混沌とした流れを識別することができたという。その後、研究者らは圧力センサーを用い、個々の流れにおける摩擦力を測定した。

その結果、一見すると複雑に見える遷移流も、滑らかな流れの部分は層流における抵抗の法則と合致しており、混沌とした流れの部分は乱流における抵抗の法則と合致していることが分かった。これにより、遷移流もレイノルズが構築した抵抗の法則を用いて研究できることが明らかになった。流体力学ユニットを率いるピナキ・チャクラボルティー准教授は、「複雑な現象もよくよく観察すると、シンプルな法則が実は隠れているということは、よくある」とコメントした。

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