円管内の流体の温度分布と流速の関係について
- 円管内に粘度の高い樹脂を流す場合、中心と管壁付近の流速の大小関係が気になります。
- 円管内に流入する樹脂の流量が微妙に変動した場合、中心と管壁の流速の変化の割合が異なる可能性があります。
- 円管の断面温度分布が無ければ、中心の方が流速が大きいと考えられますが、円管の中心の温度が低いため、粘度が上がって端部の流速が大きくなる可能性もあります。
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円管内の流体の温度分布について
円管内に粘度の高い樹脂を流す場合についての質問です。 円管の管壁を均一に加熱しているとし、また、円管に流入する樹脂の流量も一定とします。念のため、円管に流入する樹脂の温度＜円管の管壁温度です。 このとき、中を通る流体の円管断面での流速分布として、 円管中心と、管壁付近ではどちらの流速が大きいのでしょうか？ また、円管内に流入する樹脂の流量が微妙に変動した場合 円管中心と管壁では流速の変化の割合が異なるでしょうか。 もし円管断面での温度分布が無ければ、せん断の影響で中心の方が流速が大きいと考えますが、一方で円管断面の中心の温度が低いので、粘度が上がって端部のほうが流速が大きくなることも考えられるため、判断に迷っております。
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＞脳内シミレーション チューブ入りのアイスキャンディーを想像してみました。 外側が溶けてきて、芯の方はまだ凍っている状態のものを、押し出そうとす るときの様子は誰でも経験していると思います。 中心部の粘度に比べ、管壁周囲の粘度が極端に低下するような状態になれば、 中心の高粘度部分は、あたかも固体のように振る舞い、管壁部の液体に浮か んで押し流されていくような様子がありそうですね。 このような状態のとき、せん断の影響による流速の勾配は、管壁に近い薄い 層に限られ、中心部はほとんど速度勾配が生じないということと思います。 こう考えても、“中心の流速が最大”は成り立っていますね。
ちょっくら脳内シミレーションしてみた 管径が相当大きくないと 中心部が遅くなって という話にはならないと思う イメージ 溶岩の流れる様子 地表が管の壁面 空気 －－－－－－－－ ← 温度低い 遅い 溶岩 －－－－－－－－ ← 温度高い 早い 地面 これを脳内で 管にすると 起こりそうだが 溶岩の場合 空気によって冷やされているので 熱勾配が生まれるが 管の場合 冷却がない 質問者は外側から温めるとしているが 管間を走っているうちに温度がほぼ一定 になってしまう では管径を 一気に大きくしてしまえば （脳内では数メートルまで拡大しましたｗｗ←だから溶岩の話になった） 勾配が生まれて起こりうると思う
お礼
ご回答ありがとうございます。 とてもイメージしやすかったです。
＞円管内に粘度の高い樹脂を流す 樹脂成形の話なら、プラスチック金型（設計）のカテゴリーのように思われます。変える必要はないと思いますが。 成形では、ロウソクの芯と外側ほどの温度差があると支障るから（現象は内外逆）、回答（２）のように摩擦が支配すると思う。 また、成形ではモールドフローなどシミュレーションが必須に近くなっているが、円管に相当して加熱するのは成形機側が主。この内部で温度勾配をつけるかどうか？ 均一として扱ったものしか無かったような、、、詳しくは知りません。 シミュレーションはできるはずなので、それを検討されるべきでしょう。
お礼
ご回答ありがとうございます。 仰るとおり、カテゴリーミスでした・・・申し訳ありません。 また、ためになるサイト紹介いただき、ありがとうございました。 シミュレーションも検討してみます。
通常、中心の流速の方が遅くなることは有り得ないですね 摩擦の原因が何処から発生するか（管壁からですよね）を考えれば自明です。 ＞この内部で温度勾配をつけるかどうか？ 軸方向にはつけてますよ。先側の粘度が低くなるように温度勾配が付けてあります 粘度が高い部分がある方が樹脂の押し出し圧が稼げますし。 径方向は均一になるように管理してます。特にフィラーを伴なう物では重要。 ＞シミュレーションはできるはずなので、それを検討されるべきでしょう。 ガンプラでは最終段階ではシミュレーションはあてにせずプロの勘なんだとか。 携帯やスマホの側も多色成形とかできそう。
お礼
ご回答ありがとうございます。 径方向の温度勾配を均一に管理、というのは中々難易度が高そうですね・・・。特に、中心の温度測定のために温度計を突っ込むと、 流れが乱れて外観不良の原因になるので、管壁近傍の温度しか測定できないのが現状です。 中心流速が管壁よりも大きいということは、押出し圧の変動に伴って流速が変動しやすいのも中心側ということで齟齬ないでしょうか？？
どれも、ケースバイケースではないでしょうか。 ◇ 円管に流入する樹脂の温度＜円管の管壁温度 に関して、 粘度が上記温度にて大きく変化する場合は、円管の管壁部分は樹脂の流速が上がります ※ 円管の管壁部分の抵抗は、円管に流入する樹脂の温度＜円管の管壁温度で若干緩和され ますが、抵抗による円管の管壁部分の流速は下がります ですが、実際に可能か否かは？？ですが、流速が略均等になるように 円管に流入する樹脂の温度＜円管の管壁温度 での実際の温度を決めるのでしょうが、 実際は固着防止レベルで、中心の流速が高いので一般的ではないでしょうか。 ＹＥＳです。 円管の管壁部分の抵抗を受け難いからです。 時間があったら、流体力学を簡単に確認してみて下さいな。
お礼
ご回答ありがとうございます。 中心の方が流速が高いということは、押出し圧の変動に伴って流速が変動しやすいのも中心側ということで齟齬ないでしょうか？？
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ご回答ありがとうございます。 仰られる内容とてもイメージしやすかったです。 中心流速が最大ということは、押出し圧の変動に伴って流速が変動しやすいのも 中心側ということで齟齬ないでしょうか？？