〈学習内容を一部紹介〉

・講座の全体像と学習の流れを理解する
・流体が静止しているか動いているかによって、どのような力が働き、性質を持つかを理解する
・水の温度変化による状態変化と、それが分子の運動にどう関連しているかを理解する
・「固体」では分子が規則的に配置され、形を変えにくい理由を学ぶ
・「液体」が形を自由に変えるが体積は変わりにくいことを理解する
・気体と液体の圧力と体積の関係性について学ぶ
・「粉体」の特性と液体との類似点及び相違点について理解する
・「水力学」と「流体力学」の違いを理解する
・機械工学の4大力学（流体力学、機械力学、材料力学、熱力学）とその重要性を理解する
・機械力学、材料力学、流体力学の共通点と違いを理解する
・熱力学と流体力学の関連性、熱エネルギーの効率的な利用方法について学ぶ

〈学習内容を一部紹介〉

・SI単位系の基本と、密度、圧力、粘度、表面張力の概念を理解する
・機械設計においてSI単位系の重要性と基本単位及び組立単位について学ぶ
・流体力学における速度や体積、密度の計算方法と、力や圧力の単位を理解する
・工学単位系から「SI単位系」への換算方法を学ぶ
・トンやリットルなど、「非SI単位」について学ぶ
・ギガ、メガ、キロ、ヘクト、デシ、センチ、ミリといった接頭語の使用方法を理解する
・「密度」の計算方法とその応用を理解する
・密度の違いによる流体の挙動について理解する
・外力としての力、摩擦力、重力の概念を理解する
・「圧力」とは何か、単位面積あたりの力の大きさについて学ぶ
・「圧縮性」の影響とその物質ごとの違いを理解する
・「粘度」が物質、温度、圧力によってどのように変化するかを理解する
・ニュートンの粘性法則に従う流体と、非ニュートン流体の違いを理解する
・動粘度の概念と、動いている流体での慣性力の影響について学ぶ

〈学習内容を一部紹介〉

・「流体の静力学」は、動いていない流体にどのような力が働くかを考察する学問である
・圧力と深さの関係、壁に働く力、浮力の計算方法を学ぶ
・流体が静止している状態、または周囲の物質と同じ速度で動いている状態の力学を理解する
・「運動方程式」を用いて、流体の質量に応じた力の必要性を理解する
・力がつり合っているときの静止または等速運動について学ぶ
・圧力と重力がバランスするときの流体の挙動を理解する
・「パスカルの原理」と油圧ジャッキの応用について学ぶ
・パスカルの原理と重力の関係について考察し、流体の深さが圧力にどう影響するかを学ぶ
・狭い容器と広い容器で深さが同じ場合の圧力の違いを確認する
・圧力の基準として「絶対真空」と「ゲージ圧」の違いについて学ぶ
・流体中の物体が受ける「圧力」と「浮力」について学び、アルキメデスの原理を用いて浮力を計算する
・浮力の作用点である「浮心」について学ぶ

〈学習内容を一部紹介〉

・流体が動いている状態の運動について学ぶ
・「流体運動」に必要な用語を学ぶ
・「ラグランジュの方法」と「オイラーの方法」という二つの流体観察方法を学ぶ
・定常流と非定常流の違いについて学ぶ
・ラグランジュの方法では粒子の速度が時間と共に変化し、定常流では速度が位置により一定である
・流れの分析では一次元、二次元、三次元の流れを考慮するが、実際の流れは三次元で表現される
・「流速」は流体が一秒間に流れる距離を示し、流体の形状の変化によって計算が複雑になる
・「流量」は単位時間あたりに流れる流体の量を表し、体積流量と質量流量の違いに注意する
・「実在流体」は粘性と圧縮性を持ち、理想流体はこれらを無視したモデルである
・粘性流体と非粘性流体、圧縮性流体と非圧縮性流体の違いを理解する
・「流線、流跡線、流脈線」を用いて流体の流れを表現する
・流管は流れが囲む管であり、その断面を通過する流量は一定である
・「流跡線」は粒子の運動軌跡を表し、「流脈線」は通過した粒子をつなぐ線である
・「連続の式」により、流体の質量流量が流管内で一定であることを学ぶ
・「オイラーの運動方程式」は加速度、圧力勾配、重力のバランスを取る式である
・「ベルヌーイの定理」は流体の速度、圧力、高さの関係を示し、エネルギー保存則に類似している
・トリチェリの定理やベンチュリ管など、ベルヌーイの定理の応用を学ぶ
・「運動量の式」は流体が衝突したときに役立つ式である

〈学習内容を一部紹介〉

・実際の流体の粘性と、せん断応力による摩擦抵抗を理解する
・「理想流体」ではエネルギー損失はないが、実際には損失があるため、その影響を理解する
・粘性のある流れで使う「層流」「乱流」「レイノルズ数」「助走区間」を学ぶ
・流体の流れは層流と乱流に分かれ、層流は滑らかで、乱流は蛇行や渦を伴うことを理解する
・粘性の影響を定量的に表す無次元数が「レイノルズ数」である
・粘性がある場合、せん断応力で摩擦抵抗が生じ、エネルギーを失うことを学ぶ
・せん断応力が半径に比例することがわかると、速度分布が放物線状になる
・「乱流」になると流れが乱れ、速度分布、損失水頭、管摩擦係数が変わることを理解する
・乱流では管内の流速が均一化し、最大流速が遅くなる
・「平均流速」が遅いとレイノルズ数が低くなり、層流が形成される
・「層流」では管摩擦係数がレイノルズ数に依存する一方、乱流では管壁の表面粗さの影響も受ける
・管壁の粗さは「水力学的になめらかな領域」「遷移領域」「完全に粗い領域」に分けられる
・遷移層の内側では乱流層となり、管壁の粗さの影響が大きくなる
・管壁の「粗い」や「滑らか」は、粘性底層と比較した表面の凹凸の大きさで決まる
・実際の管路で断面積の変化や曲がりによりエネルギーが損失し、これを「管路抵抗損失」と呼ぶ
・損失係数は実験を通じて求められ、この方法を用いて実際の管路での損失の具体例を学習する
・曲がり管や分岐、合流、弁やコックなどの障害物が原因で損失が生じ、これらは損失係数で表される
・粘性を持つ実在流体の摩擦や抵抗によるエネルギー損失の理解を深める
・理想流体以外でもエネルギー保存則が成り立ち、水頭でも同じであることを理解する

〈学習内容を一部紹介〉

・「内部流れ」と「外部流れ」の違いを明確に理解する
・平板周りの流体の速度を学び、ポテンシャル流れの概念を理解する
・境界層、特に速度が変化する「速度境界層」を詳しく学ぶ
・層流境界層と乱流境界層の違いを理解し、レイノルズ数を用いて乱流への変化を予測する
・平板のレイノルズ数が距離に比例するため、流れの変化を計算する
・排除厚さと運動量厚さについて学び、それらが流れに与える物理的な意味を理解する
・運動量厚さの計算方法を学び、せん断応力による摩擦抗力を評価する
・一様流れの特徴を学び、その物理的性質を理解する
・ダランベールのパラドックスを説明し、理想的な流れと実際の流れの違いを学ぶ
・ストローハル数を使用して、カルマン渦の周波数から流速や流量を計算する
・物体の周りで流れがはく離する理由を理解する
・物体に作用する流体力、特に抗力と揚力について学ぶ
・物体に働く抗力を、摩擦抗力と圧力抗力に分類し、それぞれの性質を学ぶ
・流線形が抗力係数を低減させる理由を学び、効率的な機械設計の重要性を理解する
・造波抗力について学び、船の設計におけるその影響を理解する
・航空業界での抗力の分類、誘導抗力と有害抗力について学ぶ
・干渉抗力の原因とその流体力学的影響を理解する
・揚力の発生原理を学び、飛行機の翼がどのようにして力を受けるかを詳しく理解する
・飛行機の翼の迎え角が揚力と抗力に与える影響を学ぶ

〈学習内容を一部紹介〉

・理論的な計算と実在流体の現象の違いを把握するため、実際の機械を使った実験を行う
・模型を使った実験を行う際の注意点を解説する
・模型と実機の流体の関係を合わせるために「相似則」を適用する
・実機と流体の関係を模倣するには、幾何学的、運動学的、力学的相似が必要であることを学ぶ
・「運動学的相似」において、実機と模型間で流線の形状と流速比が相似であることを確認する
・慣性力、粘性力、弾性力、表面張力といった力の比が等しいことの重要性を学ぶ
・「無次元数」を用いて物理現象の特徴を捉える方法を学ぶ
・レイノルズ数やフルード数、マッハ数、オイラー数、ウェーバー数といった無次元数を学ぶ

〈学習内容を一部紹介〉

・模型作りは大変なため、近年普及している「CFD解析」について、特徴や流れを理解する
・CFD解析を行うことで、流体の流れや圧力、抗力や揚力の大きさを解析する
・コンピュータでオイラー方程式やナビエ・ストークス方程式を離散化し、解析する
・有限要素法、有限体積法、有限差分法を用いて数値解析を行う
・CFD解析は飛行機や自動車、造船、電気、エネルギー、工業など、さまざまな業界で利用される
・CFD解析には、費用の削減、製品設計の効率化、可視化などの多くのメリットがある
・CFD解析には誤差が含まれるため、結果を過信せず誤差を認識して活用する
・CFD解析の流れは、前処理、ソルバー処理、後処理の3つの工程に分かれる
・「前処理」は設計データを解析に適した形に整える工程で、適切な前処理が解析結果に大きく影響する
・「ソルバー処理」は、前処理データを基にメッシュ分割し計算する
・「後処理」では、解析結果を人間が認識しやすいように可視化して表示する
・CFD解析の一例として、自動車の外部流れやバルブの内部流れの解析を学習する
・レーシングカーやスポーツカーは、ダウンフォースを得る工夫がされている
・設計変更による効果をCFDで確認することで、実機や模型を使う前にある程度の確認ができる
・内部流れの解析でも、空間を用意し、メッシュを作成して流速を設定するという流れは同じ