流体力学とは、American Heritage Dictionaryによると、「液体や気体の動きに関係する応用科学の一分野」であるとされています。 流体力学は、流体と力がどのようにそれらに影響するかを研究する流体力学の 2 つの分野のうちの 1 つです。 (もう 1 つの分野は静止状態の流体を扱う流体静力学です。)
いくつかの分野の科学者が流体力学を研究しています。 流体力学は、星の進化、海流、気象パターン、プレート・テクトニクス、さらには血液循環を研究するための方法を提供します。 液体や気体の動きは一般に「流れ」と呼ばれ、流体がどのように振る舞い、周囲の環境とどのように相互作用するかを説明する概念です（たとえば、水路やパイプを流れる水や、表面上を流れる水など）。 流れには定常と非定常がある。 ケンタッキー大学の工学部教授であるJ. M. McDonoughは、講義録「Lectures in Elementary Fluid Dynamics」（University of Kentucky, 2009）の中で、「流れのすべての特性が時間に対して独立していれば、その流れは定常、それ以外は非定常である。”と書いています。 つまり、定常流は時間の経過とともに変化することはない。 定常流の例としては、パイプの中を一定の速度で水が流れていくようなものである。 一方、洪水や昔ながらの手押しポンプから注がれる水などは、非定常流の例です。
また、流れには層流と乱流がある。 層流は滑らかな流れであり、乱流は混沌とした流れである。 流体の流れの状態を決定する重要な要素の1つは、その粘度、または厚みであり、粘度が高いほど流れが層流になる傾向が強くなります。 ユタ大学の工学部教授であるパトリック・マクマートリーは、オンライン授業ノート「乱流についての観察」（ユタ大学、2000年）の中で、「層流とは一般に、比較的強い粘性力により、誘発された摂動が減衰する、滑らかで安定した流れのことを指している」と述べている。 乱流では、粘性の作用を打ち消す他の力が作用することがある。” と述べている。
層流は、排水システムや飛行機の翼など多くの場面で、より効率的でエネルギーの損失が少ないので望ましいとされる。 乱流は、異なる流体を混合させたり、温度を均一にするのに有効である。
流体の流れで重要なのはレイノルズ数（Re）で、1851年に物理学者ジョージ・ガブリエル・ストークスによって初めて記述されたが、19世紀の科学者オズボーン・レイノルズの名前にちなんで名付けられた。 McDonoughはReの定義を、”慣性力と粘性力の比 “としている。 慣性力とは流体の運動変化に対する抵抗力であり、粘性力とは流体の粘性や厚みによる摩擦の大きさである。 なお、Reは流体の性質だけでなく、その速度や導管や障害物の大きさや形状など、流れの条件も含まれます。
Reが小さいと流れは滑らかな層流になり、Reが大きいと渦を巻く乱流になる傾向がある。 Reは、気体や液体が、橋杭の周りの水や航空機の翼の上の風など、流れの中の障害物の周りをどのように流れるかを予測するために使われることがある。 また、この数値は、流れが層流から乱流に移行する速度を予測するために使用することもできる。
液体の流れ
液体の流れの研究を流体力学という。 液体には油や化学溶液などあらゆる物質が含まれるが、圧倒的に多いのは水であり、流体力学の応用の多くはこの液体の流れを管理することである。 たとえば、洪水防止、都市の上下水道、航行可能な水路の管理などです。
流体力学は、主にパイプや開水路における水の流れを扱います。 地質学のJohn Southard教授のオンラインコース「Introduction to Fluid Motions」（マサチューセッツ工科大学、2006年）の講義ノートには、パイプの流れと開水路の流れの主な違いの概要が記されています。 “パイプやエアダクトのような閉じた管路や流路内の流れは、全体が剛体の境界と接触している”、”一方、開放流は、その境界が完全に固体で剛体でないもの “である。 彼は、”重要なオープンチャンネル流は、川、潮流、用水路、または雨の後に地表を流れる水のシートである。”
それらの境界の違いにより、異なる力が2種類の流れに影響を与える。 Scott Post 氏の著書 “Applied and Computational Fluid Mechanics” (Jones & Bartlett, 2009) によると、”閉管内の流れは圧力または重力のいずれかによって駆動することができるが、開管内の流れは重力のみによって駆動する” とのことです。 圧力は、主に測定点より上の流体の高さによって決まる。 例えば、ほとんどの都市の水道では、システム内の圧力を一定に保つために給水塔が使用されている。 この高低差のことを流体力学的揚程と呼びます。 また、機械的なポンプを使用して、パイプ内の液体をより速く、より大きな圧力で流すことができます。
気体の流れ
気体の流れは液体の流れと多くの類似点がありますが、いくつかの重要な相違点もあります。 まず、気体は圧縮性であるが、液体は一般に非圧縮性と考えられている。 Fundamentals of Compressible Fluid Dynamics” (Prentice-Hall, 2006) の中で、著者のP. Balachandranは圧縮性流体について、”流体の密度が流れ場全体で有意に変化する場合、その流れは圧縮性流れとして扱うことができる。”と述べています。 そうでなければ、流体は非圧縮性であるとみなされる。 次に、気体の流れは重力の影響をほとんど受けません。
日常生活で最もよく目にする気体は空気であり、科学者たちはその流れの状態に注目してきた。 風によって建物などの周囲を移動したり、ポンプや扇風機によって移動させることができる。
特に注目されているのが、大気中の物体の動きである。 アメリカン・ヘリテージ・ディクショナリーによれば、「気体に対して動く物体の力学、特に大気と動く物体の相互作用」であるとのことで、この流体力学の一分野を空気力学と呼んでいる。 この分野では、自動車の車体の抵抗を減らしたり、より効率のよい航空機や風力タービンを設計したり、鳥や昆虫がどのように飛ぶかを研究したりすることが問題になっている
ベルヌーイの原理
一般に、速い速度で動く流体は遅い速度で動く流体と比べて低い圧力を持つ。 この現象は1738年にダニエル・ベルヌーイが著書「Hydrodynamica」の中で初めて記述したもので、一般にベルヌーイの原理と呼ばれている。 パイプや水路、表面上を動く液体や気体の速度を測定するのに応用できる。
この原理は、飛行機の翼の揚力にも関わっていて、だから飛行機は飛べるのです。 翼は底面が平らで上面が曲がっているので、空気は底面よりも上面に沿ってより長い距離を移動しなければならない。 そのためには、上面のほうが速く進む必要があり、その分圧力が下がります。 これによって、底面の圧力の高い空気は翼の上に持ち上げられるのです。
流体力学の問題
科学者はしばしば流線、ストリークライン、パスラインと呼ばれる図形を使って流れを視覚化しようとする。 McDonoughは流線を「各点での接線がその点での速度ベクトルの方向となるような、流体内の連続線」と定義している。 言い換えれば、流線は流れの中の任意の特定の点における流れの方向を示している。 筋線は、McDonoughによれば、”ある点を過去に通過したすべての流体要素の軌跡 “である。 パスライン（または粒子経路）は、「流体の個々の要素の軌跡」であると彼は書いている。 流れが時間とともに変化しない場合、パスラインは流線と同じになる。 しかし、乱流や非定常流の場合、これらの線は全く異なるものになる。
流体力学の問題のほとんどは、複雑すぎて直接計算では解けません。 このような場合、コンピュータ・シミュレーションによる数値的手法で問題を解く必要がある。 この研究分野は数値流体力学（CFD）と呼ばれ、Southard氏は “流体の流れを数値的に予測するコンピュータベースの科学の一分野 “と定義しています。 しかし、乱流は非線形でカオスになりやすいため、このシミュレーションのルールや初期条件の設定には特に注意が必要である。 冒頭の小さな変化が、結果に大きな違いをもたらすこともあるのだ。
シミュレーションの精度は、体積を細かく分割し、時間ステップを小さくすることで向上しますが、その分、計算時間が長くなります。 このため、CFDは計算機の性能の向上に合わせて進める必要があります。
ジム・ルーカスは物理学、天文学、工学を専門とするフリーランスのライター兼編集者である。 ルーカス・テクノロジーズのジェネラルマネージャー。