ステンレス鋼パイプ内のほとんどの水および HVAC タイプの流れでは、実際のダルシー摩擦係数は通常、 f ≈ 0.018–0.022 (完全に乱流、「滑らかからやや荒れた」範囲)。 レイノルズ数が高い (非常に速い流れ) 場合、f は多くの場合、 ～0.015～0.018 ;より低い乱流レイノルズ数 (5,000 ～ 20,000 付近) の場合、f は次のようになります。 ～0.03～0.04 .
正確にするには、明示的な相関関係 (Swamee-Jain または Haalそして など) または Colebrook 方程式を使用して、レイノルズ数 (Re) とステンレス鋼の粗さ (ε) から f を計算します。
ステンレス鋼管の摩擦係数: どの値を使用するか
を使用します。 ダーシー摩擦係数 (ダーシー・ワイスバッハ摩擦係数とも呼ばれます) チャートまたはソフトウェアに明示的に「ファニング」と記載されている場合を除きます。ダーシー因子は、 4× ファニング要因。
正確なフローがまだわからない場合の、迅速で正当な推定値は次のとおりです。
- 一般的なステンレス配管内の水 (Re ~ 50,000 ～ 300,000): f ≈ 0.018 ～ 0.022
- 非常に高い Re (~1,000,000): f が近づくことが多い ～0.015～0.018
- 低乱流 Re (~5,000 ～ 20,000): 一般的に f ～0.03～0.04
直径、流量、流体粘度がわかったら、以下の計算手順で調整します。
ステンレス鋼の粗さ: 結果を左右する入力
乱流では、摩擦係数は次の要素に大きく依存します。 相対的な粗さ (ε/D)。ステンレス鋼は一般に「滑らか」ですが、想定されるεが依然として重要です。
| 表面・仮定 | 絶対粗さ、ε (mm) | 絶対粗さ、ε (m) | いつ使用するか |
|---|---|---|---|
| クリーンステンレス（共通設計前提） | 0.015 | 1.5×10⁻⁵ | 新しい/きれいなパイプ、保守的だが滑らかなベースライン |
| 若干の経年劣化/フィルムの付着（経験則） | 0.03 | 3.0×10⁻⁵ | デポジットまたはあまり管理されていないサービスを期待する場合 |
| 不明な条件（設計マージン） | 0.045 | 4.5×10⁻⁵ | さらなる保守主義が必要なとき |
次の式を使用して、相対粗さを ε/D として計算します。 内径 （公称サイズではありません）。 D または ε/D の小さな変化でも、完全な乱流領域では f が著しく変化する可能性があります。
信頼できるステップバイステップ計算（Re→f）
1) レイノルズ数を計算する
完全な円形パイプの場合:
Re = (V・D)/ν
- V = 平均速度 (m/s)
- D = 内径 (m)
- ν = 動粘度 (m²/s)
2) 適切なフローレジームルールを選択する
- 層流 (Re < 2300): f = 64/Re
- 移行期 (2300 ～ 4000): 「精度」を避けます。テストデータで確認するか、控えめなマージンを使用してください
- 乱流 (Re > 4000): 明示的な相関を持つ ε/D を使用します。
3) 乱流: 実践的な陽的公式
広く使用されている 2 つの明示的なオプション (Darcy f):
- スワミー – ジャイナ教: f = 0.25 / [log10( (ε/(3.7D)) (5.74/Re^0.9) )]^2
- ハーランド: 1/√f = -1.8・log10( [ (ε/(3.7D))^1.11 ] [ 6.9/Re ] )
ソフトウェアで反復処理を行う場合、古典的な参照は Colebrook (暗黙的) です。
1/√f = -2・log10( (ε/(3.7D)) (2.51/(Re・√f)) )
実施例：ステンレスパイプの摩擦係数と圧力損失
20℃付近の水を想定、ステンレスのざらつきもきれい ε＝0.015mm (1.5×10-5m)、パイプ内径 D = 0.0525 メートル (約 2 インチの Schedule 40 ID)。流量 Q = 50 gpm (0.003154 m3/秒)。
速度とレイノルズ数を計算する
- 面積 A = πD²/4 = 0.002165 m²
- 速度 V = Q/A = 1.46 m/s
- 動粘度ν ≈ 1.0×10⁻⁶ m²/s
- Re = (V・D)/ν ≈ 7.6×10⁴
- 相対粗さ ε/D ≈ 2.86×10⁻⁴
摩擦係数の計算 (スワミー-ジャイナ語)
ダーシー摩擦係数 f ≈ 0.0203
f を圧力損失に変換する (Darcy–Weisbach)
長さ L = 100 m、密度 ρ ≈ 998 kg/m3 の場合:
ΔP = f・(L/D)・(ρV²/2) ≒ 41 kPa/100 m (約 4.2m 100 メートルあたりの水頭）。
早見表: ステンレス鋼の摩擦係数とレイノルズ数
以下の値は想定されています ε＝0.015mm and D = 0.0525 メートル (ε/D = 2.86×10⁻⁴)、スワミー-ジャイナ相関を使用。これを使用して結果の健全性をチェックします。
| レイノルズ数 (Re) | ダーシー摩擦係数 (f) | 典型的な解釈 |
|---|---|---|
| 5,000 | 0.038 | 低乱流。 fはまだ比較的高い |
| 10,000 | 0.031 | 初期の混乱。 Reに敏感 |
| 50,000 | 0.0219 | 揚水の共通設計領域 |
| 100,000 | 0.0194 | 荒れ狂う中。 fが安定する |
| 1,000,000 | 0.0156 | 非常に混乱しています。粗さ制御された挙動にアプローチ |
間違った摩擦要因を引き起こす一般的な落とし穴
- 内径の代わりに公称パイプサイズを使用: f は ε/D に依存し、圧力損失は L/D に依存するため、ID は 2 度重要になります。
- ダーシー摩擦係数とファニング摩擦係数の混合: 結果が 4 倍違うように見える場合、これが通常の理由です。
- 流体温度を無視する場合: 粘度変化Re;水が冷たいとνが増加し、fが増加する可能性があります。
- ステンレスが常に「完全に滑らか」であると仮定すると、次のようになります。 溶接、スケーリング、または生成物の蓄積により、新しいきれいなパイプよりも高い ε を使用することが正当化される場合があります。
- 過渡的なフローで高い精度が期待される: 2300 ～ 4000 は不確実なものとして扱い、マージンを持って設計してください。
結論: ステンレス鋼パイプはよく発生します f約0.02 一般的な乱流水サービスでは、最も信頼できる数値は、標準相関を使用した Re と ε/D から得られます。
