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摩擦損失
流体が管や流路内を流れる際に、管壁との摩擦や管内部の形状、流速などの影響により生じるエネルギーの損失を指します。これは、流体が通過する管や流路が光滑でないために生じるエネルギー損失です。摩擦損失は、流体力学や流体力学的なシステムの設計や解析において重要な概念であり、これを正確に評価することは、流体の効率的な移動やシステムの効率を高める上で重要です。摩擦損失は以下の要因によって影響を受けます。
●管の表面の状態
管の内壁が滑らかかどうか、表面の粗さがどの程度かなどが影響を与えます。摩擦は、管壁の表面と流体の間の相互作用によって生じます。
●流体の性質
流体の粘性や密度が摩擦損失に影響を与えます。粘性が高い流体ほど摩擦損失も大きくなります。
●流速
流体の速さが大きくなるほど摩擦損失も増加します。
●管の形状と長さ
管の内径、長さ、曲がりなども摩擦損失に影響を与えます。

摩擦損失は、流体の運動方程式やベルヌーイの定理などを用いて計算することが可能でありシステムの設計や効率を評価する際に重要なパラメータとなります。

水道水における摩擦損失とわ
水道水の流れにおいて摩擦損失とは配管内部の流体が管壁や内部の凹凸に接触し、エネルギーが熱として消失する現象を指す。これは水の流速や配管の材質、内径、長さ、表面の粗さにより大きく変化する。特に管が長くなるほど、または内壁が粗いほど摩擦損失は増加し水圧低下の要因となる。一般的に配管の摩擦損失はダーシー・ワイスバッハの式を用いて計算される。この式は流速、管径、摩擦係数を考慮して損失水頭を求める。摩擦係数はレイノルズ数と管の相対粗さに依存し乱流時には大きくなるため注意が必要である。
配管においては直管部分のみならず、エルボやバルブ、継手といった局所損失も摩擦損失と同様に影響を与える。これらの部分では流れが急激に変化し渦が発生することで追加の圧力損失が生じる。特にバルブの開閉度が小さい場合、局所損失は著しく増加するため流量調整時には十分な配慮が必要である。水道設計においては摩擦損失を最小限に抑えることが求められ、適切な配管径の選定や滑らかな内壁を持つ材質の使用が推奨される。例えば塩化ビニル管やポリエチレン管は鋼管に比べて内壁が滑らかであり摩擦損失の低減に貢献する。また管径を大きくすれば流速が低下し摩擦損失の影響を抑えられるが、コストや施工の面で制約が生じるため適切なバランスが重要である。さらに水道施設ではポンプの揚程を適切に設定し圧力損失を補う工夫が求められる。摩擦損失が過大になると末端での水圧が低下し、給水不良や流量不足の原因となるため設計段階で十分な検討が必要である。