高速流体(読み)こうそくりゅうたい(英語表記)high speed flow

日本大百科全書(ニッポニカ)「高速流体」の解説

高速流体
こうそくりゅうたい
high speed flow

水や空気のような流体が管の中や物体の周りを流れるとき、その流れ方は速度によって変化する。とくに、流体の速度vがその流体中を伝わる音波の速度cに比べて無視できない程度になると、低速での流れとは異なる性質を示すようになる。これは流体の圧縮性によるものである。このような圧縮性の影響が現れるような速度で運動する流体を高速流体または高速流という。流速v音速cとの比Mv/cマッハ数という。Mが0.5程度以上の場合、高速流体ということができる。液体では一般に音速は秒速数キロメートルのように速いから、普通の速度では高速流体とは考えられない。したがって高速流体という場合、対象とする流体は普通、気体だけである。

[今井 

高速気流

静止気体中を物体が運動するとき、物体は気体を押し分けて進むので、物体の付近の気体の圧力が変化する。この圧力変化は音波として四方八方に伝わっていく。つまり、物体は運動する音源の役割を果たす。物体の速度vと音波の速度cの大小関係によって、図Aのように二つの場合が生ずる。(a)は亜音速の流れ、(b)は超音速の流れという。(a)では物体の影響がその周りのあらゆる点で感じられるが、(b)では物体を頂点とする円錐(えんすい)の内部の領域のみに限られる。この円錐面は物体から出た球面状の音波が重なり合ってできたもので、マッハ波とよばれる。円錐の半頂角θはsinθ=c/v=1/Mの関係で与えられ、マッハ数Mが大きいほど鋭くなる。

 高速気流の流れのようすはマッハ数Mによって大いに変化する。たとえば飛行機の翼については、亜音速の場合、翼の厚さ、反り(曲がり)、迎え角(流れに対する翼の傾き)は低速(M≒0)の場合に比べて

倍されて膨らみ、翼幅は

倍に縮められたような効果をもつ(図B)。これに対して、超音速では、流れのようすは亜音速の場合とは根本的に異なっている。たとえば前後対称の物体についても、流れのようすは非対称になり、物体には抵抗が働く(図C)。

 流体の運動に対する粘性の影響も、マッハ数によって大いに変化する。粘性によって物体の表面には境界層ができるが、そのふるまいは物体表面の圧力分布に支配されるので、圧力分布がマッハ数に影響されることから、境界層がマッハ数によって変化するのはむしろ当然である。その結果、マッハ数が1の近くになると、粘性の影響と圧縮性の影響が複雑に絡み合って、物体の近くでは局所的に亜音速の流れと超音速の流れが共存する。このような流れを遷音速の流れといい、Mがだいたい0.8ないし1.2の場合に現れる。

[今井 功]

衝撃波

超音速の流れでは、マッハ波は重なり合って強烈な音波を生ずる。弾丸やロケットの先端に生ずる頭部波や、また爆発に伴う爆発波はその例である。衝撃波が気体中を進む速度は音速より大きい。衝撃波では気体の圧力や温度が急激に上昇する。マッハ数が5程度以上の流れは、とくに極超音速の流れとよばれる。この場合、物体の先端に生ずる強烈な衝撃波の発熱作用によって、物体が溶けることもある。大気圏に再突入した人工衛星の焼損流星の発光現象もこれによって説明される。

[今井 功]


出典 小学館 日本大百科全書(ニッポニカ)日本大百科全書(ニッポニカ)について 情報 | 凡例

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