車の燃費を左右する？「層流」の基礎知識
車を知りたい
先生、層流ってなんですか？自動車と何か関係があるのですか？
自動車研究家
いい質問ですね！層流とは、流体が規則正しく流れる状態のことです。空気や水のような流体は、実は目に見えないくらい薄い層になって流れているんです。自動車で例えると、車が風を切るイメージです。車がスムーズに風を切るとき、空気の流れは層流に近いです。
車を知りたい
なるほど。じゃあ、層流だと何かいいことがあるんですか？
自動車研究家
そう！層流だと空気抵抗が減るので、燃費が良くなるんです。逆に、流れが乱れた状態を乱流といいますが、乱流だと抵抗が大きくなってしまいます。自動車メーカーは、車体のデザインを工夫して、できるだけ層流になるように努力しているんですよ。
層流とは。
自動車用語の「層流」について説明します。流体の流れ方には、大きく分けて「層流」と「乱流」の二つがあります。層流とは、流体が規則正しく流れる状態を指します。一方、乱流とは、流体が不規則に混ざり合いながら流れる状態です。例えば、管の中を流れる流体は、レイノルズ数（管の半径と流速の積を動粘性率で割った値）が小さい場合は層流を維持します。しかし、レイノルズ数が一定の値を超えると、流れは層流から乱流に変化します。これは、物体の表面にできる境界層の流れにも当てはまります。境界層の上流側では流れは薄い層流ですが、下流側では厚みが増し乱流に変化します。層流の特徴としては、拡散が分子運動のみによって起こるため、運動量、熱、水分の拡散が乱流と比べて非常に少ない点が挙げられます。そのため、摩擦抵抗、熱伝達、蒸発なども非常に小さくなります。
流れの二つの顔：層流と乱流
私たちが普段何気なく目にしている「流れ」。実は、流れには大きく分けて「層流」と「乱流」の二つの種類があります。コーヒーにミルクを注いだ時にできる模様や、煙突から出る煙の形など、流れが作り出す模様は、このどちらの性質が強いのかによって大きく変わってきます。
「層流」とは、読んで字のごとく、流体が規則正しく層を成して流れる状態のことです。まるで、何枚もの薄い板が平行に滑りながら移動していく様子を想像してみてください。この時、それぞれの層は混ざり合うことなく、スムーズに流れていきます。川の緩やかな流れや、インクを静かに水に落とした時の様子などが、層流の良い例と言えるでしょう。
一方、「乱流」は層流とは対照的に、流体が不規則に混ざり合いながら流れる状態のことを指します。層流のように整然とした様子はなく、渦や乱れが至る所に発生します。川の激流や、飛行機雲の複雑な形状などは、乱流によって生まれます。
一見すると複雑な流体の動きですが、層流と乱流の違いを理解することで、身の回りで起こる様々な現象をより深く理解することができます。そして、この違いは、実は私たちの生活に密接に関わる「車の燃費」にも、大きな影響を与えているのです。
層流を決定づけるレイノルズ数とは？
車がスムーズに走行する上で重要な要素の一つに「空気抵抗」が挙げられます。空気抵抗は、車が走行する際に空気から受ける抵抗力のことで、燃費に大きく影響します。この空気抵抗を減らす鍵となるのが、空気の流れ方である「層流」です。
層流とは、流体（気体や液体）が規則正しく、層状に流れる状態のことを指します。層流では、流体同士の摩擦が少なく、抵抗が小さくなるため、空気抵抗の軽減に繋がります。反対に、空気の流れが乱れた状態は「乱流」と呼ばれ、層流に比べて抵抗が大きくなります。
では、層流と乱流はどのように決定されるのでしょうか？その鍵を握るのが、「レイノルズ数」と呼ばれる値です。レイノルズ数は、流体の粘性、速度、物体の大きさなどを考慮して計算される無次元数で、層流と乱流を区別する指標となります。
一般的に、レイノルズ数が小さい場合は層流、大きい場合は乱流になりやすいと言われています。つまり、レイノルズ数を制御することで、空気の流れ方をコントロールし、空気抵抗を減らすことが可能となります。
境界層：層流から乱流への変化
車が走行する際、空気抵抗は燃費に大きな影響を与えます。この空気抵抗を減らす上で重要なのが、空気の流れ方です。車体表面に沿ってスムーズに流れる層流と、乱れた流れである乱流では、空気抵抗に大きな違いが生じます。
物体表面に沿って空気が流れ始めると、最初は規則正しく流れる層流が生まれます。しかし、流れが速くなったり、表面が粗かったりすると、流れは徐々に乱れ始め、乱流へと変化します。この層流から乱流への変化が起こる領域を境界層と呼びます。
境界層では、層流状態では空気抵抗が小さい一方、乱流になると抵抗が大きくなります。つまり、境界層をいかに層流状態に保つかが、空気抵抗を減らし、燃費向上に繋がる鍵となります。
層流がもたらすメリット・デメリット
空気の流れが整然としている層流は、車にとってメリットとデメリットの両面を持ち合わせています。 メリットとしては、空気抵抗の減少が挙げられます。抵抗が少ないため燃費が向上し、静粛性も高まります。 その一方で、物体表面に留まり続ける性質があるため、熱がこもりやすいというデメリットも。 エンジンなどの冷却効率が低下する可能性があり、状況によっては turbulator などの工夫が必要となります。
自動車における層流制御の重要性
車を走らせる上で、空気抵抗は燃費に大きく影響します。空気抵抗を減らすためには、車の周りの空気の流れをスムーズにする「層流制御」が重要になってきます。
層流とは、空気が規則正しく流れる状態のことです。層流では、空気の粒子が互いにぶつかり合うことが少なく、抵抗が小さくなります。一方、層流とは反対に、空気が不規則に乱れて流れる状態を乱流といいます。乱流では、空気の粒子が激しくぶつかり合い、大きな抵抗が生じます。
自動車の設計では、車体の形状を工夫することで、層流を発生させやすく、乱流を抑えるように工夫されています。例えば、流線型のボディにすることで、空気の流れをスムーズにし、層流を促進します。また、ドアミラーやワイパーなどの突起物を減らすことも、乱流の発生を抑える効果があります。
最近では、車体表面に微細な凹凸を付けることで、層流をより促進させる技術も開発されています。これは、ゴルフボールの表面にあるディンプルと同じ原理で、空気の流れをコントロールすることで抵抗を減らすことができます。
このように、層流制御は自動車の燃費向上に欠かせない技術となっています。今後も、さらなる燃費向上を目指して、層流制御技術の開発が進められていくでしょう。