はじめに
水流を作る目的
今まで水流を作る目的についてちゃんと検討したことがなかったので、まずは目的を明確にします。スキマーや水槽に比べて「水流を作る」ことの目的というのは、ボヤっとしているので、これを明確にして目指すべき方向性をはっきりさせます。
水流を作る一番の目的は海の海流・波を再現することなので、そこから一つ深堀して海流や波が発生した場合にどんな効果があるかを以下に記載しました。
止水域を作らない
珊瑚に餌を送る
まとめてみて思ったのは、人間で言えば物流に相当するものが水流と理解しても間違いなさそうです。
海水魚やサンゴは海に生きているため、海の海流に適応した身体になっています。特にサンゴは自分では動くことができないため、海流に大きく依存しています。
人間でも物流が止まってしまったら生活が成り立たなくなるのと同じですね。
波はどんな水流か
沖縄の海に潜った際に、サンゴ礁の海流の動きとはどんなものか気になって確認したことがあります。その際に感じたのは、大きな水の塊が空間全体で前後左右に動いていたことでした。
このことから、水流は速度だけではなくて、同時に動かす幅も重要であると考えられます。
水の塊を動かすので同時に動く水の量はできるだけ多い方が実際の海の環境には近くなりそうです。ということはポンプは幅が広い方が良さそうかな。
次に水が動く速度について調べてみたところ、黒潮などの非常に速い海流の早い部分で1.5 ~2.0m/s程度であることが分かりました。
リーフの場合について調べてみたところ、リーフカレントと言われるリーフで発生する離岸流の速度で1.0～2.0 m/sであることが分かりました。
通常のリーフであれば、0.1～0.3 m/s前後のようです。少し早い場合で0.5 m/sくらいになる場合もあるようです。
このことから普段の海流は0.1～0.5 m/s前後でたまに1～1.5 m/sの早い流れが発生するのがサンゴ礁での水の流れということになります。
黒潮の速度の情報は気象庁の海流に関する診断表、データから得ました。
リーフでの海流は海上保安庁の沖縄の海洋情報から得ました。
各種水流ポンプの流速について
売っているポンプの流速について調べていきます。ただ、通常のスペックシートには、流速が記載されているポンプは見つかりませんでした。
ですが、体積流量(Flow rate)は記載があるため、ここから次元解析して各種ポンプの流速をざっくりと計算してみます。
流量は18000～20000 ℓ/hのようです。ここから計算すると、0.005 m3/s ということになります。後は断面積さえわかれば、流速が計算できます。
Gyreの場合は円柱構造で、円柱の1/3から水が噴き出ていると考えた場合の流速は0.4 m/sでした。この1/3というのが正確かどうかは分からないので、何とも言えないところなのですが、もし1/4なら0.54 m/sということになります。1/5なら0.66 m/sになるので、十分な流速がありそうです。
カレントリーフの条件は再現不能ですが、リーフのほとんどの環境は再現できる流速があります。
寸法は378mmとXF250より78mm長く、流量が22500 ℓ/hと若干多くなっています。この場合の流速はXF250よりも実は遅くなり、全周の1/3から水が出ていると仮定した場合は、0.30 m/sとなりました。もし1/4なら0.4 m/sということになります。1/5なら0.5 m/sになるので、十分な流速がありそうです。水が出る断面積次第なのですが、ほぼ問題なく海の環境を作ることができそうです。
寸法は310mmとXF250より10mm長く、流量が11000 ℓ/hと少ないです。この場合の流速は0.21 m/sとXF250の約半分になりました。こちらも水の出る断面積がもし1/4なら0.28 m/sということになります。1/5なら0.35 m/sになるので、そこそこ海の環境を再現することができそうです。
あくまで仮定が正しい場合ですが、穏やかなリーフ環境の再現はできそうですが、少し海流が早い場合の0.5 m/sは再現できないことになりますね。
この機種の場合は2台設置した方が良さそうです。
形状がXF250やGP03と大きく違うため、流速はかなり早くなります。
流量は17000 ℓ/hで、流速は1.2 m/sとなりました。MP40の場合は水流が出る部分の断面積は前面の全面から出ている前提で計算しています。
MP40と似た形状であるため、似たような流速になります。ただ、少しサイズが小さいようなので流量は17000 ℓ/hで、流速は1.4 m/sになりました。
リーフの海流を水槽で再現できるか
上記の計算だとXF250は流速的には問題なさそうですが、これでも海の海流の完全再現は非常に難しいと言わざるを得ません。なぜなら、海の場合は水の塊が0.1～0.5 m/sで動いているからです。
水流ポンプの場合は水流の出口は計算した流速で流れていると思われますが、それ以外の部分はそのような流速になっていません。
水槽の水全てを左右に0.1～0.5 m/sで動かせれば再現できるのですが、非常に難しいためポンプの流量はかなり余裕を設けた方が良さそうです。
どの水流ポンプを選定するか
水流ポンプで部分的な流速を満たせることは分かりました。
次はこの流速を均等に行き渡らせやすい水流ポンプについて検討してみます。
今回計算した水流ポンプは構造で分けると、Gyre構造とMP40構造に分けられます。Gyre構造は流速はMP40構造より遅いですが、水流の発生断面積が広いため、均一な水流が作りやすそうです。
反対にMP40は断面積が小さいため、流速が早いです。この流速を直接サンゴに当てると明らかに速すぎますが、範囲が狭く小型であるぶん部分的に勢いがあるので狙った場所に水流を作りやすそうです。また、水槽は壁があるので、跳ね返って反対方向に水流が進んでいきます。なので、トータルで動かせる水の量はあくまで流量で考えるべきです。
また、流速が早くなることで、ある閾値を超えると層流ではなく乱流が発生しはじめます。そうなってくると、一気に水流がばらけてランダムな動きを作ることになります。そうなると、一概にポンプの断面積が小さくても一部分の水しか動かせないということはなくなってきます。はっきりと確認したわけではないので、断言はできないのですがMP40の流速なら乱流が発生していると予想できます。
本当は両方試してみて、いろいろ実験してみたいところですが両方買うわけにもいかないので、今回は結局自分の感覚で選ぶことにします笑 MP40は結構お高いのと、使っている方も多いので、あえてGyre構造の中から選定しようと思います。
Gyre構造だと、XFシリーズかGP-03が候補になりますが、GP-03はGyreのライセンスを受けているもので基本的に兄弟みたいなものなので単純に値段と流量から選定しようと思います。
値段はGP-03がXF250の約半分です。流量も約半分くらいなので、2台買うことで値段的にも流量的にもトントンになりそうです。
それなら台数が多い方が水流を作る際の自由が効きそうなのですが、コンセントは2つ使うことになります。今回はコンセントは大きな問題にならなさそうなので、GP-03を買おうかと思います。
ただ、ポンプの流速以上に水流は早くなることはないので、XF-250が2台買えるならそちらを買った方がいいと思います。今回は予算の関係上XF-250を2台買えないので、GP-03を2台買うことにしました。
あくまで海の海流は水の塊を動かすのが基本なので、海流を再現するならば、ポンプは複数台作るのはほぼ必須のように感じます。
まとめ
ただ、水流ポンプでは水の塊を動かすことは厳しそうなので、ポンプの配置を考えて、水流が壁で跳ね返るのを利用した水の流れをうまく作る必要がありそうです。
今回計算した各種ポンプの流速は以下の通りです。
XF-250 0.4〜0.66 m/s前後
XF-280 0.3〜0.5 m/s前後
GP-03 0.21〜0.35 m/s前後
MP40 1.2 m/s
Pulse4 1.4 m/s
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