流れの乱れとは？非定常流れの振動• ポータブルバランサー、振動分析装置「Balanset」は、破砕機、ファン、粉砕機、コンバインのオーガー、シャフト、遠心分離機、タービン、その他多くのローターの動的バランス調整に使用されます。 流れの乱れとは？非定常流れの振動• ポータブルバランサー、振動分析装置「Balanset」は、破砕機、ファン、粉砕機、コンバインのオーガー、シャフト、遠心分離機、タービン、その他多くのローターの動的バランス調整に使用されます。

流れの乱流とは？ 非定常流れの振動

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流れの乱流を理解する

定義: 乱流とは何ですか?

流れの乱流 乱流は、ポンプ、ファン、コンプレッサー、配管システムなどにおいて、ランダムな速度変動、旋回渦、渦を特徴とする、混沌とした不規則な流体運動です。流体粒子が規則的に平行に移動する滑らかな層流とは異なり、乱流は速度と圧力が連続的に変化するランダムな三次元運動を示します。回転機械では、乱流はインペラやブレードに不安定な力を発生させ、広帯域の振動を発生させます。 振動, 、ノイズ、エネルギー損失、コンポーネントの疲労につながります。.

多くのアプリケーションでは、ある程度の乱流は避けられず、むしろ望ましいものでもあります (乱流により混合と熱伝達が改善されます)。ただし、入口条件の悪さ、設計外の動作、または流れの分離による過剰な乱流は、振動の問題を引き起こし、効率を低下させ、ポンプやファンの機械的摩耗を加速させます。.

乱流の特性

フローレジームの遷移

レイノルズ数に基づいて層流から乱流へ流れが遷移します。

  • レイノルズ数（Re）： Re = (ρ × V × D) / µ
  • ここでρ = 密度、V = 速度、D = 特性寸法、µ = 粘度
  • 層流: 再 < 2300 (滑らか、整列)
  • 移行: 2300-4000年頃
  • 乱流: Re > 4000（混沌、不規則）
  • 産業機械: ほぼ常に乱流状態で動作する

乱流特性

  • ランダムな速度変動: 瞬間速度は平均速度の周りで無秩序に変化する
  • 渦と渦流: 様々な大きさの渦巻構造
  • エネルギーカスケード: 大きな渦は次第に小さな渦に分解される
  • 混合： 運動量、熱、質量の急速な混合
  • エネルギー消散: 乱流摩擦は運動エネルギーを熱に変換する

機械における乱流の発生源

入口の擾乱

  • 入口設計の不備: 急カーブ、障害物、不十分な直線距離
  • 渦巻き: インペラ/ファンに入る流体の事前回転
  • 不均一な速度: 速度プロファイルが理想から歪んでいる
  • 効果： 乱流強度の増加、振動の増加、性能の低下

流れの分離

  • 逆圧力勾配: 流れが表面から分離する
  • 設計外操作: 間違った流れの角度がブレードの剥離を引き起こす
  • ストール： ブレードの吸引側での広範な分離
  • 結果： 非常に高い乱流強度、混沌とした力

航跡領域

  • ブレード、支柱、または障害物の下流の乱流後流
  • 後流における高い乱流強度
  • 下流のコンポーネントは不安定な力を受ける
  • 多段式機械ではブレードと後流の相互作用が重要

高速度領域

  • 乱流の強さは一般的に速度とともに増加する
  • インペラ先端部、排出ノズルの高乱流領域
  • 局所的に大きな力と摩耗が生じる

機械への影響

振動発生

  • 広帯域振動: 乱流は広い周波数範囲にわたってランダムな力を生み出す
  • スペクトラム： 個別のピークではなく、ノイズフロアの上昇
  • 振幅： 乱流の強さに応じて増加する
  • 周波数範囲: 乱流誘起振動の場合、通常は10～500 Hz

ノイズ生成

  • 乱流は空気力学的騒音の主な発生源である
  • 広帯域の「シューッ」または「突進する」ような音
  • 騒音レベルは速度に比例する^6（速度に非常に敏感）
  • 高速ファンの主な騒音源となる可能性がある

効率損失

  • 乱流摩擦はエネルギーを消散させる
  • 圧力上昇と流量の供給を低減
  • 典型的な乱流損失：入力電力の2-10%
  • 設計外運転で増加する

コンポーネントの疲労

  • ランダムに変動する力が周期的なストレスを生み出す
  • 高頻度ストレスサイクリング
  • ブレードと構造に貢献 倦怠感
  • 特に高速走行時に懸念される

侵食と摩耗

  • 乱流は研磨サービスにおける侵食を促進する
  • 乱流衝突面に浮遊する粒子
  • 乱流の激しい領域での摩耗の加速

検出と診断

振動スペクトルインジケーター

  • 高度なブロードバンド: スペクトル全体にわたって高いノイズフロア
  • 個別のピークの欠如: 特定の周波数の機械的な故障とは異なり
  • フロー依存: ブロードバンドレベルは流量に応じて変化する
  • BEPの最小値: 設計点における最低乱流

音響分析

  • 音圧レベル測定
  • 広帯域ノイズの増加は乱気流を示唆する
  • 振動スペクトルに似た音響スペクトル
  • 指向性マイクは乱流源を特定できる

流れの可視化

  • 設計中の数値流体力学（CFD）
  • 試験における流れや煙の可視化
  • 変動を示す圧力測定値
  • 研究における粒子画像速度測定法（PIV）

緩和戦略

入口設計の改善

  • 上流に十分な直管長を確保する（最低5～10直径）
  • 入口直前の急カーブを排除する
  • 整流板や回転羽根を使用する
  • ベルマウスまたは流線型の入口は乱流の発生を低減します

動作点最適化

  • 最高効率点（BEP）付近で運転する
  • 流れの角度がブレードの角度と一致し、剥離を最小限に抑えます
  • 乱流発生の最小化
  • 最適なポイントを維持するための可変速度制御

設計変更

  • 流路のスムーズな移行（鋭角なし）
  • 流れを徐々に減速するディフューザー
  • 渦抑制装置または渦流防止装置
  • 乱流によって発生する騒音を吸収する防音ライニング

乱流と他の流れ現象

乱流とキャビテーション

  • 乱気流: 広帯域、連続、フロー依存
  • キャビテーション: 衝動的、高頻度、NPSH依存
  • 両方： 共存可能、両方とも広帯域振動を生み出す

乱流と再循環

  • 乱気流: ランダム、ブロードバンド、すべてのフローに存在
  • 再循環: 組織化された不安定性、低周波脈動、低流量時のみ
  • 関係： 再循環領域は非常に乱流である

回転機械における高速流体の流れは、乱流を伴います。避けられない現象ではありますが、適切な入口設計、設計点付近での運転、そして流れの最適化によって、乱流の強度と影響を最小限に抑えることができます。乱流を広帯域振動および騒音の発生源として理解することで、離散周波数の機械故障との区別が可能になり、機械修理ではなく流れの状態に焦点を当てた適切な是正措置を講じることができます。.

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