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対話型シミュレーター

凝集フロック形成の G 値と接触時間シミュレーター

撹拌槽の中で粒子が衝突しフロックへ成長する様子をリアルタイムに描画。速度勾配 G、Gt(キャンプ数)、単位体積動力、フロック径を同時に観察できます。

パラメータ入力
撹拌動力 P
W

撹拌機の有効動力。大きいほど速度勾配 G が上がり、衝突頻度が増えます。

水量 V
m3

撹拌槽の有効体積。同じ動力でも体積が大きいほど G は下がります。

粘度 μ
mPa s

水の動粘度。低水温ほど粘度が上がり、同一動力でも G が下がります(20℃で約1.0)。

接触時間 t
min

撹拌の総時間。Gt = G·t に直結し、フロックが育つ積算せん断量を決めます。

計算結果
速度勾配 G (1/s)
Gt 値(キャンプ数)
単位体積動力 (W/m³)
投入エネルギー (kJ/m³)
フロック径 (相対)
経過時間 (min)
撹拌槽の粒子凝集アニメーション
フロック径の成長曲線
G とフロック径・破断の関係
理論・主要公式

$$G=\sqrt{\frac{P}{\mu V}},\qquad Gt=G\,t$$

$G$:速度勾配 [s⁻¹]、$P$:撹拌有効動力 [W]、$\mu$:水の動粘度 [Pa·s]、$V$:有効体積 [m³]、$t$:接触時間 [s]。$G$ は単位体積あたりの粘性消散 $P/V$ を粘度で割った平方根で、撹拌の激しさ(せん断速度)を表します。積算量 $Gt$(キャンプ数)は無次元で、フロックが受ける累積せん断量の指標です。急速撹拌では高 $G$(500〜1500 s⁻¹)で凝集核を分散し、フロック形成では低 $G$(10〜70 s⁻¹)に落としてフロックを大きく育てます。$G$ が高すぎるとせん断力がフロックを破壊するため、衝突による成長と破断のバランスが平衡フロック径を決めます。

このシミュレーターの見方

左パネルで撹拌動力 P・水量 V・粘度 μ・接触時間 t を変えると、上部の数値カードと撹拌槽アニメーションが即座に連動します。アニメーションでは小さな一次粒子が流れに乗って動き、衝突するとフロックに合体します。速度勾配 G を上げると衝突頻度は増えますが、せん断力が大きくなり育ったフロックが割れて小さく戻ります。低い G ではゆっくり大きなフロックに育ちます。

「フロック径の成長曲線」は時間とともにフロックがどこまで大きくなるか、いつ平衡(飽和)に達するかを示します。「G とフロック径・破断の関係」は、G を横軸にとったときの到達フロック径を描き、高 G 側の破断領域と最適 G の窓を一目で示します。急速撹拌→フロック形成という現場の二段撹拌の意味が、数値とアニメの両方で理解できます。

凝集とフロック形成、G 値とは

水中の濁質コロイドは表面が負に帯電して反発し合うため、自然には沈みません。凝集剤(PAC や硫酸バンドなど)を加えて電荷を中和すると、粒子は接近すると付着できるようになります。これが凝集です。次に水をゆっくり撹拌して粒子同士を衝突させ、目に見える大きさのフロックへ育てるのがフロック形成です。衝突の頻度を支配するのが速度勾配 $G=\sqrt{P/(\mu V)}$ で、撹拌の激しさを表す指標です。

$G$ と接触時間の積 $Gt$(キャンプ数)は、フロックが受ける積算せん断量を表す無次元量です。Gt が小さすぎると衝突が足りずフロックが育たず、大きすぎるとせん断でフロックが壊れます。給水処理では急速撹拌段(高 G・短時間)でフロック核を分散し、フロック形成段(低 G・長時間)で大きく育てる二段構成が標準です。

会話で学ぶ凝集フロック形成の G 値と接触時間

🙋
G 値って結局、撹拌をどれくらい強くするかの目安ですか?数式の √(P/(μV)) がいまいちピンときません。
🎓
ざっくり言うと「水のかきまぜ具合(せん断速度)」だね。動力 P を体積 V で割ると単位体積あたりの撹拌エネルギー、それを粘度 μ で割って平方根を取ると速度勾配 G になる。アニメで動力スライダーを上げると粒子がビュンビュン動くでしょ。あれが G が高い状態。衝突は増えるけど、その分フロックも割れやすくなる。
🙋
えっ、強くかきまぜた方がたくさんぶつかって大きくなる、じゃないんですか?
🎓
そこが面白いところ。衝突頻度は G に比例して増えるけど、せん断力もフロックを引きちぎる。だから高 G ではフロックが大きくなる前に砕けて、平衡径が小さくなる。実際「フロック径の成長曲線」を見ると、低 G の方が最終的に大きく育つのが分かる。例えば沈殿池の前は G を 20〜50 s⁻¹くらいまで落とすことが多いよ。
🙋
じゃあ最初から低い G でゆっくりやればいいのでは?急速撹拌って何のためにあるんですか?
🎓
凝集剤を入れた瞬間は、薬品を水全体に一気に均一分散させる必要があるんだ。ここで G が低いと薬品がムラになって核が偏る。だから最初の数十秒だけ高 G(500〜1500 s⁻¹)でガッと混ぜて核を散らし、そのあとフロック形成段で低 G に落として育てる。「最適条件」プリセットを押すと、その狙いどころの G に入る。
🙋
Gt 値の目安ってあるんですか?数字を見ても大きいか小さいか判断できなくて。
🎓
フロック形成段なら Gt は 30,000〜150,000 が一つの目安。小さいと凝集不足、大きすぎると破砕リスク。ただ最終判断は実機のジャーテストや規格値で確認してね。このツールは「どの入力が効くか」を掴むための一次検討用、と割り切るのが正解だよ。

実世界での応用

浄水場の凝集沈殿プロセス設計:急速撹拌池とフロック形成池の動力・滞留時間の一次設計と、二段の G 値配分の検討。

下水・産業排水処理での凝集条件の感度確認:温度変化(粘度変化)に対する G 値の維持に必要な動力調整の見積もり。

教育・説明用:G・Gt・フロック成長・破断の関係を、式・数値・アニメーションで同時に示す教材として。

よくある誤解と注意点

「G を上げるほどフロックが大きくなる」は誤り。高 G は衝突頻度を上げる一方でせん断破断を強めるため、平衡フロック径はむしろ小さくなります。本ツールの成長曲線と G–フロック径図で、この非単調性を確認してください。

接触時間 t は有効撹拌時間のみを対象とします。配管内の滞留時間は Gt に含めません。また粘度 μ は水温で大きく変わり、冬季は同一 G を保つのに動力増が必要です。

よくある質問

速度勾配 GとGt 値を先に見ます。次にG値と時間で前提の状態を確認し、撹拌エネルギー内訳で分布や変化の偏りを読みます。主グラフで支配的な変化を見て、数値カードだけでは見落としやすい折れ点や飽和を確認します。
撹拌動力 Pを単独で動かしたあと、水量 Vも同じ幅で動かして速度勾配 Gの変化量を比べます。P/V と粘度の Gt マップを見ると、どの組み合わせで余裕や性能が急に変わるかを把握できます。
いいえ。G が高いと衝突頻度は上がりますが、せん断力もフロックを破壊します。実務では急速撹拌で高 G(500〜1500 s⁻¹)で核を分散させ、その後フロック形成で低 G(10〜70 s⁻¹)に下げてフロックを大きく育てます。このアニメーションでは高 G で破断、低 G で成長する様子を確認できます。
G の単位は s⁻¹、接触時間 t の単位は s なので、積 Gt は無次元になります。これは撹拌中に受ける積算せん断量を表し、フロック形成では 30,000〜150,000 程度が目安です。Gt が小さいと凝集不足、過大だとフロック破砕のリスクが高まります。
この簡易モデルは主要な関係だけを扱います。境界条件、損失、非線形性、規格上の補正は必要に応じて別途確認します。最終判断では規格値、実測値、詳細解析、メーカー条件を確認してください。

使い方ガイド

  1. 撹拌槽の動力(W)を入力します。例えば3kWの撹拌機の場合、3000Wと設定します
  2. 槽の有効体積(m³)を指定します。20m³の凝集池であれば20と入力します
  3. 処理水の動粘度(mPa·s)を設定します。20℃の水は約1.0mPa·sです
  4. 接触時間(分)を入力します。本ツールのスライダーは分単位で、急速撹拌は0.25~0.5分(15~30秒)程度が目安です
  5. シミュレーターが速度勾配G値、Gt値、単位体積動力、投入エネルギーを自動計算し、撹拌槽アニメーションでフロックの成長・破断を可視化します

具体的な計算例

給水処理での凝集段階設定例:動力2.5kW、槽容積15m³、水温15℃(粘度1.14mPa·s)、接触時間0.33分(20秒)の場合、速度勾配G≒382s⁻¹、Gt値≒7600となります。単位体積動力は167W/m³です。一方、沈殿前の緩速撹拌(動力0.5kW、同一槽、接触時間10分)ではG≒171s⁻¹、Gt値≒102,600、単位体積動力33W/m³となり、フロック成長に適した低G・長時間の条件が確認できます

実務での注意点

  1. Gt値が3000~10000の範囲が凝集フロック形成に最適です。下回ると凝集不足、超過するとフロック破砕リスクが高まります
  2. 高濁度水(200NTU以上)では初期G値300~400s⁻¹で急速撹拌を開始し、15秒後にG値を150s⁻¹に低下させる段階撹拌が有効です
  3. 温度低下時は動粘度が上昇するため、同一G値維持には動力増加が必要です。冬季は夏季比で15%程度の動力調整が標準です
  4. Gt値計算時の接触時間は有効撹拌時間のみを対象とします。配管内滞留時間は含めません