乱流とは？ (2)・・・乱流の功罪

2.1　乱流は邪魔もの？

　乱流 は身近にある 流れ ですが、その影響は良いこともありますし、悪いこともあります。乗り物の周りの空気が乱流になると、空気抵抗を増加させます。そのため、自動車メーカーでは省燃費の車を作るために、乱流を出来る限り抑え、空気抵抗の小さい車体を開発しようとします。

図 2.1　自動車の空気抵抗

　また、水道管やパイプラインなど 液体 を輸送するときの流れが乱流になっていると、輸送するための力（エネルギー）がより多く必要になります。そのため、配管の形状などを工夫することで輸送に必要なエネルギーを抑えようとします。

　乱流には、流れの抵抗増加というデメリットの他にも騒音の発生という問題もあります。新幹線が走行時に発生する騒音のほとんどは車体周りの空気が乱流になることで生じる 空力音 です。それは 速度 が高くなるほど顕著になるため、高速化の大きな障害になっています。そのため、車体と車体の間の隙間を埋めて平滑にするなど、なるべく凹凸のない車体形状にする工夫をしています。乱流が原因となる騒音には、エアコンや扇風機で発生する音もあります。ルーバーの断面形状や羽根の形状を工夫して乱流を抑え、騒音を抑えようとします。これらが、乱流が引き起こす悪い働きの代表例になります。

　騒音は乱流が元で発生しますが、それをわざと発生させて発生する音の周波数を変えてしまうということも行われています。フクロウの羽根に静かに飛ぶための小さな突起が付いている話は有名です。これは大きな乱れを防ぐためにわざと小さな乱れを発生させているということです。このメカニズムを模倣した例として、新幹線のパンタグラフがあります。パンタグラフの支柱に凹凸を設けることで、小さな渦を発生させて騒音の低減を実現しています（図2.2）。新幹線に乗る機会がありましたら、ホームから新幹線の屋根上のパンタグラフに注目してみてください。

図 2.2　パンタグラフの例

2.2　乱流から受ける恩恵

　それでは、良い面はどうでしょうか。乱流の良い働きのひとつは 流体 を良く混合してくれるということです。お風呂のお湯を勢いよくかき回すと早くお湯の 温度 が均一になるのは、かき混ぜることによる熱いお湯の移動の効果もありますが、乱流による混合作用も大きく影響しています。熱いものを冷やすという場合にも乱流による混合作用が活躍します（図2.3）。

図 2.3　お風呂の例

　実際にお風呂のお湯をかき混ぜるときの混合具合を解析した結果が次の図になります。
図2.4は温度分布です。棒を上下に動かすことでお湯が混合されている様子が分ります。図2.5の白く見える部分は流れが乱れているところを表しています。棒の周りに乱れが発生していることが分ります。

図 2.4　お風呂のお湯をかき混ぜる様子

図 2.5　湯かき棒周りの乱れの様子

　他にもたとえば、熱くて食べられないものに息を吹きかけて冷ますときなどもそうです。いずれの場合も目には見えないですが、物体の周りの水や空気の流れが乱れることで熱い流体と冷たい流体をかき混ぜています。濡れたものに風を当てて乾かすときも同様のメカニズムが働きます。風を当てることで発生する乱流が湿った空気と乾いた空気を混合します。髪をドライヤーで乾かすとき、手で髪を揺らしながらする方も多いと思いますが、それは揺らすことで空気に乱れを作り、乱流にしているということも実は早く乾く一因となっているのです。

次回は乱流と天気予報の話をお伝えします。

著者プロフィール
伊丹 隆夫 | 1973年7月 神奈川県出身
東京工業大学 大学院 理工学研究科卒業
博士（工学）

大学では一貫して乱流の数値計算による研究に従事。 車両メーカーでの設計経験を経た後、大学院博士課程において圧縮性乱流とLES(Large Eddy Simulation)の研究で学位を取得し、現職に至る。 大学での研究経験とメーカーの設計現場においてCAEを活用する立場という2つの経験を生かし、お客様の問題を解決するためのコンサルティングエンジニアとして活動中。

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