栓流(プラグフロー)とは?

栓流(プラグフロー、プラグ流れ:Plug flow)とは、管内断面で速度が一定、速度分布がフラットな流れのことです。円管内の壁面で完全に滑っていて、全体がそのままの形で一様に動いている流れが栓流です。栓流は隣接する流線と流線の間でせん断を伴わず、流体粒子が流動中に混ざることがありません。栓流は理論上で考えられる理想的な流れです。解析を容易にするための仮定として数式上で使われます。実験的には流れの上流に細かなメッシュを置いて人工的に作られることがあります。
栓流(プラグフロー)

 

この栓流はあまり自然界にはない流れです。一部粘性の高い溶岩が栓流に近い流れを示すことが知られています。
溶岩

 

工業的には土管やタイルを作る時に使われる粘土の土練機などが出口近くで栓流になります。
土練機
粘土を押し出してタイルの形にする、土練機!!

 

よく流れを扱うときに、層流と乱流という言葉がでてきますが、栓流という言葉は聞いたことがない、という方は多いかと思います。横軸にせん断速度、縦軸にせん断応力をとったとき、一番左側に来るのが栓流です。
せん断速度と栓流
Types of Flow and Rheology Models of Drilling Mud

 

せん断速度は流線のずれの程度を示す言葉です。栓流は力を受けても流線のずれが発生せず、全体が滑って流動している領域ということになります。もう少し力を受けて流線にずれが起きだすと、隣接する流線との間で速度差が生じて速度分布が放物線状になります。これが層流です。層流は流れに速度差はありますが、流線が交差することはありません。もっとずれが増えると流れは不安定になり、最終的には流線が隣の流線を追い越したりして流線が蛇行する現象が起きます。これが乱流になります。

 

栓流は、実際には完全に速度分布がフラットということはなく、フラットと放物線の中間のような、弓なりの速度分布になっています。若干流線がずれを生じていながらも、主には壁面近くまで速度分布がフラットになって流動している状態です。
プラグフロー
PETE 411 Drilling Engineering

 

この栓流ですが、樹脂溶融押出の分野でもたまに出てくることがあります。溶融状態の樹脂は、細管を通る時にはノズルの内壁によって強い応力を受けていますが、ノズル出口に到達すると内壁の拘束が解かれ、せん断で蓄積されていた弾性エネルギーが解放されます。その結果、径方向に膨れて元の細管の径よりも太くなります。この現象がダイスウェルです。樹脂はダイスウェルを起こして応力が解放された後は惰性で動きますが、このときの流れは栓流になります。栓流は流体にとってエネルギー損失がない楽な流れ方ということになります。
細管における樹脂の流れ
[PDF] Polymer Processing Extrusion Instabilities and Methods for their Elimination or Minimisation

関連ページ

PLA樹脂のL体とD体について
ガラス転移点の3Dプリンタ向け解説
吸水しにくいフィラメントの選び方
結晶性樹脂と非晶性樹脂の違い 3Dプリンタの観点から
なぜPLAは3Dプリンタで広く使われるのか
PLA樹脂の歴史と現状
ABSとはどのような樹脂なのか 3Dプリンタの観点から
プラスチックの耐熱温度とは何か
PLAの生分解プラスチックとしての誤解
PLA表面処理におけるジクロロメタンの危険性
フィラメントの重さ、長さをWEBで計算
ホットエンドでフィラメント樹脂もれが起きる理由
PLAが加水分解すると3Dプリンタでは何が起きるか
フィラメント交換で3Dプリンタを一時停止させる方法(Simplify3D)
メルトフラクチャの発生原因と対策
世界のPLA(ポリ乳酸)樹脂メーカー
樹脂のコンパウンドとは
PLA樹脂は何に使われている?
PETG樹脂とは? PETGとPETの違い
繊維強化プラスチックの3Dプリント基礎知識
2019年に発生したPLA樹脂の世界的需給ひっ迫について
樹脂の射出グレードと押出グレードの違い
PLA樹脂原料の取り扱い、乾燥、再生に関する基礎知識
3Dプリンタ ダイレクト式とボーデン式の違いは?
3Dプリンタ フィラメントに合ったノズル材質の選び方
3Dプリンタのノズル詰まり 考えられる3つのメカニズム
プラスチックの成形原料「樹脂ペレット」とは?
PLAの生分解メカニズムについて
3Dプリンタ造形中にどんな有害ガスが出るか
3Dプリント造形品のアニール処理で何が改善する?
フィラメントの乾燥で気を付けておきたい3つのこと
3Dプリンタで反りはなぜ起こる?(FDM)
導電性フィラメントとは?
PLA樹脂の結晶化 アニール時に起きていること
FDM式3Dプリンタの分解能の限界はどこにある?
造形品の積層強度は結局どうすれば上げられるのか
なぜこれまで3Dプリンタにはエンクロージャーがなかったのか
PLA樹脂 2021年の展望
3Dプリンタのファーストレイヤーの考え方
クリーニングフィラメントとは?
積層ピッチと造形品強度の関係
フィラメントはどのように量産している?
フィラメント押出量はどう計算されている?
3Dプリンタのビード断面形状を決めているもの
ホットエンドの温度はファンありなしでどう変わるか
3Dプリンタにおける高分子鎖の配向と絡み合いの影響
3Dプリンタにおける樹脂冷却の際の挙動
3Dプリンタのフィラメント溶融モデル
3Dプリンタでのノズル内壁とフィラメントのギャップの埋まり方
樹脂はい上がりによる3Dプリンタの詰まり
造形品内部に欠陥はどれくらいできている?
プラスチック製品のアニール処理について改めて整理する
3Dプリンタで起きる糸引きについて考える
3Dプリンタ吐出の樹脂流動シミュレーション