流動 ハーゲン・ポアズイユ流れ(円管内層流の速度分布)

流動
ハーゲン・ポアズイユ流れ(円管内層流の速度分布)

粘度の高い液体などが配管をゆっくり流れる「層流」の状態では、配管の中心が最も速く、壁に近づくほど遅くなる、きれいな放物線状の速度分布になります。
このツールは、平均流速から中心部の最大流速や、壁面にかかる摩擦力(せん断応力)、圧力損失を計算します。
高粘度の液体を扱う配管や、層流であることが分かっている系の詳細な検討に使います。

配管の圧力損失(ファニングの式)の使い方と考え方

配管の内径・長さ・流速・粘度に加えて、配管内面の粗さ(材質・使用年数で変わります)を入力します。

u(r) = u_max・[1-(r/R)²]  u_max=2U  ΔP=32μLU/D²  τw=8μU/D

考え方は、レイノルズ数と粗さから「管摩擦係数」という抵抗の度合いを求め、それに配管の長さと流速の2乗を掛け合わせて圧力損失を計算する、というものです。
粗さが分からない場合は、新しい鋼管などの標準的な値を仮定して概算に使えます。

ハーゲン・ポアズイユの法則 計算ツールの概要

本ツールは、粘性流体が円管内を静かに流れる「層流(レイノルズ数 Re < 2300)」において成立するハーゲン・ポアズイユの法則(Hagen-Poiseuille law)に基づき、圧力損失・流量・流速・配管サイズを相互計算するツールです。

油圧配管、高粘性流体の輸送ライン、毛細管や医療・理化学機器の小口径配管など、層流領域における配管抵抗や流量の把握に活用できます。

計算の仕組みと理論の特徴

ハーゲン・ポアズイユの法則は、ナビエ・ストークス方程式から理論的に厳密に導出される物理法則です。

一般的な管摩擦計算(Darcy-Weisbach式)と異なり、「圧力損失が管内径の4乗に反比例する(または流量が管内径の4乗に比例する)」という非常に強力な寸法依存性を持つのが最大の特徴です。

・管内径(口径)の影響:
配管内径をわずかに小さくするだけで、圧力損失は急激(4乗の割合)に増大します。

・粘度(粘性係性)の影響:
圧力損失は流体の粘度に直比例します。温度変化による粘度変動が圧損に大きく影響します。

・配管長・流速の影響:
配管の長さおよび平均流速に直比例して圧力損失が増加します。

実務における適用条件と注意点

1. 適用範囲(層流領域のみ)

本式は、層流(レイノルズ数が2300以下)の場合にのみ適用可能です。流速が速くなり「乱流」へ移行すると、圧力損失は流速の2乗に比例するようになり、本ツールによる計算値と大きく剥離するためご注意ください。

2. ニュートン流体・充分に発達した流れ

水や油、空気などの「ニュートン流体」に適用されます。また、配管入口付近の助走区間を除いた、流れが十分に発達した区間において精度が高くなります。

関連ツール

[配管内レイノルズ数計算] ※対象の流れがハーゲン・ポアズイユの法則を適用できる「層流領域(Re < 2300)」にあるか確認したい場合はこちらのツールをご利用ください。

[配管摩擦損失(直管圧損)計算] ※流速が速い場合やレイノルズ数が大きい「乱流領域」での直管圧力損失を試算したい場合はこちらのツールをご利用ください。