層流

層流（そうりゅう、Laminar Flow）

層流（そうりゅう、英語: laminar flow）とは、流体の一つ一つの部分が互いに交わることなく、まるで何層もの薄い板が滑り合うように、整然と層をなして流れる、極めて規則的な流動状態を指します。このような流れでは、流体要素の運動が予測可能で、安定した振る舞いを見せます。

概要

層流の典型的な例として、円管の中を流れる流体の様子を考えてみましょう。層流の場合、流体が流れる筋道を示す「流線」は、管の中心軸に対して常に平行な層を形成しながら淀みなく流れます。これは、流体粒子が隣接する層と混ざり合うことがほとんどなく、それぞれの層が独立して移動しているためです。

このとき、管内の流速分布には特徴が見られます。流速は管の壁面近くで最も遅く（理想的には壁面でゼロ）、壁面から離れるにつれて徐々に速くなり、管の中心軸上で最大となります。このような速度分布は、流体が管壁との間に働く粘性による摩擦抵抗を受けるために生じるものです。流体の粘性が高いほど、また管壁からの距離が近いほど、この摩擦の影響が大きくなるため、流速は遅くなります。

この粘性摩擦の大きさを考慮することで、管壁からの距離と流速の関係を数式で表現することも可能であり、特に円管路内を流れる層流は、「ハーゲン・ポアズイユ流れ（Hagen-Poiseuille flow）」として知られています。この流れは、流体輸送やマイクロフルイディクスなどの分野で基礎となります。

一方、層流と対照的な流れに「乱流（turbulent flow）」があります。乱流は大小様々な渦が不規則に発生する、極めて複雑で激しい流れです。流体要素は激しく混ざり合い、流線は複雑に絡み合います。そのため、乱流における速度分布などを数式で厳密に記述したり、個々の流体粒子の動きを予測したりすることは、層流に比べてはるかに困難となります。

発生条件

流れが層流となるか乱流となるかを判断する上で重要な指標に、「レイノルズ数（Reynolds number）」と呼ばれる無次元数があります。これは、流体の慣性力と粘性力の比を示す指標であり、一般的にこの値が小さいほど流れは層流として安定しやすい傾向があります。

レイノルズ数は、代表的な長さ、流速、流体の密度、および流体の粘度によって計算されます。このことから、具体的には以下のような条件ほど、流れは層流になりやすいと言えます。

代表的な長さが小さい：例えば管の直径が狭い場合。
流速が遅い：流体がゆっくりと流れる場合。
流体の密度が低い：軽い流体の場合。
流体の粘度が高い：ねばねばした流体の場合。

逆にこれらの条件が緩和される、すなわちレイノルズ数が大きくなるにつれて、流れは乱流へと遷移しやすくなります。レイノルズ数が特定の閾値（例えば円管内流れでは約2300）を超えると、流れは層流から乱流へと変化する「境界層遷移」が起こりやすくなります。

関連項目

流体力学
乱流
境界層
境界層遷移

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