円管内の流れ　練習問題・演習問題　乙種機械　学識

円管内の流れの過去問傾向

　円管内の流れについては、乙種機械の学識にて近年、毎年出題される分野です。2012年からの過去の12年分から出題傾向をまとめました。下記表から、7項目が複数回出題されていることがわかりますが、一見すると傾向の弱い分野です。ただし、2016年までとそれ以降では出題傾向が異なっており、2017年以降は下記の7項目からの出題が多いです。まずは、7項目をしっかりと覚えて解答しましょう。

項目	出題数
層流	8
レイノルズ	6
乱流	4
摩擦係数	3
ベルヌーイ	3
ピトー管	2
連続の式	2
その他	20

練習問題

　ここでは、SI単位分野における基本的な用語や知識に関する問題を掲載しています。問1～7は過去に複数回出題された内容に関する内容です。問8～10は過去に1度出題されたことのある内容に関する問題です。問11は過去に出題されたことのない問題ですが、重要と思われる内容に関する問題です。
　次の各問について、適切な語句や意味を答えなさい。

問1．流体が規則的に揃い流れる状態を何というか。

問2．流体が複雑に混じり合いながら、不規則な渦運動をする流れの状態を何というか。

問3．流れが規則的なのか不規則的なのかまたは、その中間なのかを測る無次元数を何というか。

問4．乱流において、管壁面の粗さやレイノルズ数によって決まる2つの物体が接している面の状態の度合いを表すものを何というか。

問5．「定常流れにおいて、流体の質量流量は流線上のどの断面でも常に一定である」という法則を何というか。

問6．「理想流体の定常流れにおいて、流線上でエネルギーが保存される」ことを示した定理を何というか。

問7．ベルヌーイの定理を利用した、一端を流れ方向に向け、他端を圧力計に接続した流量計を何というか。

問8．穴を開けた円形の板を送入し、その前後の圧力差を測定する流量計を何というか。

問9．単位時間あたりに断面を通過する流体の質量のことを何というか。

問10. 定常流れで円管内を流れる温度一定の非圧縮性流体の全エネルギーを答えよ。

問11．層流における最大流量u_maxと平均流量uの関係を答えよ。

問12．F：摩擦による流れのエネルギー損失、f：摩擦係数、u：流体の平均速度[m/s]、L：配管長さ[m]、D：管の内径[m]としてファニングの式を答えよ。

演習問題

　次の各問いに対して正しいかどうか答えなさい。また、誤っている場合、誤りの部分を正しく直しなさい。

問1．流れが層流の円管内において、定常流れにおける最大流速は平均流速の1/2倍となる。

問2．層流では流体の粘性の影響を受け、流れの方向に沿って流れる。

問3．乱流では、レイノルズ数Reにより規定されるので摩擦係数は管壁面の粗度に無関係である。

問4．レイノルズ数Reは、管の内径、平均流速、流体の密度に正比例し、流体の粘性係数に反比例する。

問5．流れが乱流のときの管内の圧力損失は、ファニングの式で表せ、平均流速の2乗に反比例する。

問6：円管内の流れの状態を表すレイノルズ数Reは、無次元の数であり、管の内径と平均流速に正比例し、動粘度に反比例する。

問7．流体における質量保存の法則を示す連続の式では、円形断面の管路内を体積流量一定で流体が流れる場合、流速は管の内径の2乗に比例する。

問8．円管内の流れが乱流で平均流速が一定のとき、摩擦損失は管の長さに正比例する。

問9．ベルヌーイの定理は流体におけるエネルギー保存則の理想的な場合を表しており圧縮性流体にしか適用できない。

問10．オリフィス流量計は、オリフィス前後の圧力の差を測定することにより、流量から流速を求めるものである。

問11．ピトー管は、全圧と静圧の差を測定することにより流速を求めるものである。

問12．ベルヌーイの定理では、定常流れの全エネルギーは、位置エネルギーと速度エネルギーの和で示される。