連続の式とは?
連続の式は、配管や流路を流れる非圧縮性流体の質量保存を表す式です。流れに沿って「断面積 × 流速」が一定に保たれることを示し、\(\text{A}_1 \cdot v_1 = \text{A}_2 \cdot v_2\) と書きます。つまり、配管が細くなれば流体は速くなり、太くなれば遅くなるということです。この計算ツールは、単位系が統一されていればどんな単位でも使えます(既定はSI単位:断面積は m²、流速は m/s、流量は m³/s)。
この計算ツールの使い方
入口側の断面積(A₁)と入口流速(v₁)、そして出口側の断面積(A₂)を入力してください。未知数である出口流速 v₂ が求められ、あわせて体積流量 Q も表示されます。結果を正しく得るために、2つの断面積は同じ単位で、2つの流速も同じ単位でそろえて入力してください。
計算式の解説
\(\text{A}_1 \cdot v_1 = \text{A}_2 \cdot v_2\) を出発点に、出口流速について解くと次のようになります。
$$v_2 = \frac{\text{A}_1 \cdot v_1}{\text{A}_2}$$体積流量は両辺で共通する量です:Q = A₁·v₁ = A₂·v₂。質量が保存されるため、非圧縮性で定常な流れでは、流路のどの地点でも Q は同じ値になります。
計算例
たとえば、断面積 \(\text{A}_1 = 0.1\ \text{m}^2\) の配管に \(v_1 = 2\ \text{m/s}\) で水が流れ込み、配管が \(\text{A}_2 = 0.04\ \text{m}^2\) に細くなるとします。このとき流量は \(Q = 0.1 \times 2 = 0.2\ \text{m}^3/\text{s}\) です。出口流速は \(v_2 = 0.2 / 0.04 = 5\ \text{m/s}\) となり、配管が絞られるにつれて流体が加速する様子が、まさに理論どおりに確認できます。
よくある質問
気体にも使えますか? あくまで近似としては使えます。この A·v 形式の連続の式は非圧縮性流れを前提としており、液体や、マッハ数の小さい(低速の)気体では精度よく成り立ちます。
どの単位を使えばよいですか? 統一されていればどんな単位でも構いません。断面積を m²、流速を m/s で入力すれば、流量 Q は m³/s で出ます。cm² と cm/s を使えば、Q は cm³/s になります。
配管が細くなると、なぜ流速が上がるのですか? 1秒あたりに通過する流体の体積は同じなのに、より小さい開口部を通り抜ける必要があるためです。流量を一定に保つには、その分だけ速く流れなければならないのです。