DE4140528A1

DE4140528A1 - Mechanismus zum reduzieren des fluidwiderstandes an einer wandoberflaeche

Info

Publication number: DE4140528A1
Application number: DE4140528A
Authority: DE
Inventors: Kouichi Nagahisa
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-12-09
Filing date: 1991-12-09
Publication date: 1993-06-17

Description

Die Erfindung betrifft einen Mechanismus zum Reduzieren des Fluidwiderstandes an einer Wandoberfläche, der den Wider stand von Luft, Wasser usw. auf der Wandoberfläche, wie etwa der Außenfläche eines Helmes, Außenflächen von Fahr zeugen, Flugzeugen, Gefäßen und Innenwänden von Rohren einstellt.

Es sind Mechanismen zum Reduzieren des Widerstandes im Hin blick auf ein Fluid, wie etwa Luft, Wasser etc. auf der Wand oberfläche geplant worden, und zwar derart, daß der Mechanis mus die Geschwindigkeit von Transporteinrichtungen steigert, dem Druck von Wind, Wasser widersteht und den Energieverlust reduziert.

Beispielsweise ist der Mechanismus so ausgelegt, daß er an derjenigen Oberfläche möglichst stromlinienförmig und sanft ausgelegt ist, welche den Winddruck darauf aufnimmt, um den Luftwiderstand zur Erhöhung der Geschwindigkeit zu reduzie ren.

Die Stromlinienform, welche kaum Windwiderstand aufweist, ist wiederholt verschiedenen Experimenten unterworfen worden, und zwar auf der Grundlage der Fluid-Mechanik. Obwohl die ultima tive Form der Stromlinie ausgiebig mittels Computern er forscht worden ist, ist an Grenzen gestoßen worden.

Es treten Probleme auf, wie etwa daß bei dem stromlinienför migen Mechanismus zum Reduzieren des Fluidwiderstands solch ein stromlinienförmiger Mechanismus von Objekten, wie etwa einem Helm, nicht angenommen werden kann, der eine nahezu runde Form mit einer Öffnung vorne haben muß, was von der Stromlinienform weit entfernt ist, da die Form eines solchen Mechanismus auf die Stromlinie begrenzt ist. Ferner können solche Stromlinienmechanismen nicht unbedingt an der inneren Peripherie einer Röhre angewendet werden, in der ein Fluid strömt.

Die Erfindung ist im Hinblick auf die Unzulänglichkeiten des herkömmlichen Mechanismus gemacht worden und dient dazu, einen Mechanismus zum Reduzieren des Fluidwiderstandes an einer Wandoberfläche zu schaffen, der auf der Grundlage einer völlig neuen Idee basiert, welche das herkömmliche Konzept verläßt.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe mit einem Mecha nismus nach einem der Ansprüche 1 bis 3 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Da die Wandoberfläche nach der Erfindung eine normale/um gekehrte pyramidenförmige Struktur aufweist, und zwar durch eine Anordnung der Kombination von großen konkaven und klei nen konkaven Abschnitten, eine Anordnung der Kombination von großen und kleinen konvexen Abschnitten oder einer An ordnung der Kombination von konkaven und konvexen Abschnit ten, wird eine turbulente Strömung an demjenigen Abschnitt erzeugt, an dem das Fluid die Wandoberfläche kontaktiert, und Fluid wird in die Wandoberfläche gezogen, und zwar wegen der speziellen Charakteristika der pyramidenförmigen Struktur. Was die konvexen und konkaven Abschnitte angeht, sind "groß" und "klein" bezugsmäßig definiert, wobei dann, wenn ein "mittlerer" Abschnitt auftritt, er "klein" bezüglich des "großen" und "groß" bezüglich des "kleinen" ist.

Gemäß den Strömungsgesetzen erfährt ein Objekt, welches in die gleichmäßige Strömung U gesetzt wird, im allgemeinen einen Strömungswiderstand D. Der Strömungswiderstand D kann durch Berechnungen an der Grenzschicht erhalten werden, ist jedoch gemäß experimenteller Ermittlung folgendermaßen:

wobei A eine projizierte Oberfläche darstellt, auf das das Objekt in derjenigen Ebene projiziert ist, welche senkrecht zu der Richtung der gleichmäßigen Strömung des Fluids liegt, und Cd eine Konstante darstellt, und zwar den sogenannten "Widerstandskoeffizienten". Je kleiner der Wert von Cd ist, je kleiner ist der Kraftstoffverbrauch. Um den Wert von Cd zu verringern, ist es nötig, zu verhindern, daß die Strömung um die äußere Peripherie des Objektes von den Objekt getrennt wird, und zu verhindern, daß turbulente Strömung erzeugt wird.

Dies ist unter Bezugnahme auf Fig. 9 detaillierter be schrieben. Wenn ein zylindrisches Objekt in die Fluidströ mung gebracht wird, werden laminare Strömungslinien an den Vorder- und Seitenabschnitten des zylindrischen Objekts er zeugt, sie sind jedoch an dem hinteren Abschnitt des zylin drischen Objekts getrennt, wodurch Verwirbelungen an dem hinteren Abschnitt des zylindrischen Objekts erzeugt werden. Im Ergebnis ist der Fluiddruck hinter dem zylindrischen Ob jekt reduziert, was Widerstandskraft stromabwärts davon her vorruft.

Der Separationspunkt bewegt sich in Richtung stromabwärts, weil die Fluidpartikel, die innerhalb und außerhalb der La minarströmungslinien angeordnet sind, von der turbulenten Strömung miteinander vermischt werden, so daß die laminaren Strömungslinien kaum von der Oberfläche des zylindrischen Objektes getrennt werden, wenn die turbulente Strömung er zeugt wird, vgl. Fig. 4. Demzufolge sinkt der Widerstands koeffizient Cd auf ein Drittel, wenn die laminare Strö mungslinie turbulent wird.

Wenn pyramidenförmige Strukturen, die sich aus konvexen und konkaven Abschnitten zusammensetzen, auf der Wandoberfläche verstreut sind, neigt der Widerstandskoeffizient zur weiteren Absenkung. Dies ist zurückzuführen auf die Erzeugung einer Fluidadsorptionsschicht in den Räumen der regulären und um gekehrten pyramidenartigen Strukturen. Die Adsorptionsschicht ist gemäß dem allgemeinen natürlichen Phänomen ein mikrosko pischer Raum, der durch die Verschiebung zwischen den Objek ten oder durch gegenseitige Beziehungen erzeugt wird. Die Charakteristika der vorliegenden Erfindung beruhen darauf, daß die Räume durch makroskopische konvexe und konkave Ab schnitte erzeugt werden.

Wenn ein Widerstand auf dasjenige Hindernis wirkt, welches in die Fluidströmung eingebracht ist, wirken die Kraft zum Verringern der Vibrationsbreite und der Größe der Vibration und die Rückstellkraft, d. h. die Kraft zum Zurückkehren zu der natürlichen Strömung des Fluids, auf das Hindernis, und zwar wegen der Adsorptionsschicht, die zwischen der Flüssig keit und der pyramidenförmigen Struktur ausgebildet ist, welche regelmäßig angeordnete konvexe und konkave Abschnitte umfaßt, wodurch das Hindernis linear und regulär in der Fluidströmung ausgerichtet ist. Dadurch ist es möglich, die Energieverluste zu eliminieren, die durch Gleiten auf der Oberfläche von Hindernissen bewirkt werden, so daß der Wi derstand gegen das Hindernis und die Vibrationen des Hinder nisses vergleichsweise verringert sind.

Da die Adsorptionsschicht auf der Wandoberfläche ausgebildet ist, kann das Fahrzeug auch dann auf einer Schneeoberfläche fahren, wenn die Wandoberfläche die Wand der Reifen des Fahr zeuges ist. Der Mechanismus zum Reduzieren des Fluidwider standes an der Wandoberfläche nach der Erfindung kann bei der Adsorptionsvorrichtung zum Adsorbieren von Staub und Sul fiden in der Luft angewendet werden, um der Umweltverschmut zung vorzubeugen.

Erstes Ausführungsbeispiel (Fig. 1 bis 4)

Ein Mechanismus zum Reduzieren von Fluiddruck auf einer Wandoberfläche nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Er findung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 4 erläutert, in denen der Mechanismus an einem Helm H angewendet ist. Derselbe Mechanismus kann genauso gut auf Fahrzeuge, Flugzeuge, Raketen usw. Anwendung finden.

Ein Wandoberfläche 1 nach dem ersten Ausführungsbeispiel kann die gesamte Außenfläche des Helmes H sein, ist jedoch auf die beiden Seiten des unteren Abschnitts des Helmes H (diejenigen Abschnitte, die von zwei strichpunktierten Linien umgeben sind) beschränkt, wo große konkave Abschnitte 3 und kleine konkave Abschnitte 5 regelmäßig angeordnet sind. Mit solch einer Anordnung ist der Helm in seiner Eigenschaft im Hinblick darauf verbessert, eine gerade Linie zu halten, und es wird darauf ein Auftrieb erzeugt, wodurch die freischwe benede Ausrichtung eines Skifahrers stabilisiert ist und die Sprungdistanz merklich gesteigert ist, wenn der Teilnehmer den Helm bei einem Skispringwettbewerb trägt.

Sowohl große als auch kleine konkave Abschnitte 3 und 5 sind jeweils teilweise sphärisch und sind abwechselnd in vertika len und lateralen Richtungen gemäß Fig. 2 angeordnet. Wenn diese Anordnung unter verschiedenen Winkeln betrachtet wird, hat die Anordnung eine umgekehrt pyramidenförmige Struktur pb, wobei vier kleine konkave Abschnitte 5 um einen großen konkaven Abschnitt 3 angeordnet sind (Fig. 3), und eine normale pyramidenartige Struktur Pa, wobei vier große kon kave Abschnitte 3 um einen kleinen konkaven Abschnitt 5 angeordnet sind.

Wenn der Mechanismus zum Reduzieren des Fluiddrucks unter dem ausgebauchten Abschnitt des Helmes H vorgesehen ist, wird der untere Wind sowohl durch die kleinen als auch durch die großen konkaven Abschnitt 3 und 5 adsorbiert, so daß die Geschwindigkeit des Windes an den konkaven Abschnitten 3 und 5 erhöht ist. Dadurch wird ein Auftrieb an dem Helm von dem unteren Abschnitt desselben zu dem oberen Abschnitt desselben erzeugt. Bei der Abfahrt, wenn der Ski durchgehend die Schneeoberfläche kontaktiert, wird auf der Kontaktoberfläche die Gleitkraft erzeugt, wodurch der Ski beschleunigt wird. Unter Umständen ist es bevorzugt, daß die konkaven Abschnitte 3 und 5 oberhalb des Ausbauchungsabschnittes des Helmes H angeordnet sind.

2. Ausführungsbeispiel (Fig. 5)

Ein Mechanismus zum Reduzieren des Fluidwiderstandes an einer Wandoberfläche nach einem zweiten Ausführungsbeispiel ist in Fig. 5 gezeigt. Gemäß der genannten Figur ist die Anordnung der großen konvexen Abschnitte 7 und der kleinen konvexen Abschnitte 9 dieselbe wie nach dem ersten Ausfüh rungsbeispiel. Die Anordnung umfaßt eine normale pyramiden artige Struktur Pa, wobei die kleinen konvexen Abschnitte 9 um den großen konvexen Abschnitt 7 angeordnet sind, und eine umgekehrt pyramidenartige Struktur Pb, wo die großen konvexen Abschnitte 7 um den kleinen konvexen Abschnitt 9 angeordnet sind.

3. Ausführungsbeispiel (Fig. 6)

Ein Mechanismus zum Reduzieren des Fluidwiderstandes an einer Wandoberfläche nach einem dritten Ausführungsbeispiel ist in Fig. 6 gezeigt, wo der Mechanismus an einem Rohr F Anwendung findet. Große konkave Abschnitte 3 und kleine kon kave Abschnitte 5 sind auf der Innenmantelfläche des Rohres F in derselben Weise, wie in Fig. 2 gezeigt, angeordnet. Bei solch einer Anordnung der konkaven Abschnitte ist der Widerstand des Fluids, welches innerhalb des Rohres F strömt, reduziert, so daß das Fluid sanft innerhalb des Rohres F strömen kann. Insbesondere dann, wenn der Mechanismus bei einem künstlichen Blutgefäß Anwendung findet, liegt ein Vor teil darin, daß das künstliche Blutgefäß die Belastung min dert, die aufgrund der Verwendung solch eines künstlichen Blutgefäßes auf dem Patienten liegt.

4. Ausführungsbeispiel (Fig. 7)

Ein Mechanismus zum Reduzieren des Fluidwiderstandes an einer Wandoberfläche nach einem vierten Ausführungsbeispiel ist in Fig. 7 gezeigt. Der Mechanismus umfaßt eine Anord nung, die imaginäre regelmäßige Fünfecke 12 und imaginäre regelmäßige Sechsecke 13 beinhaltet sowie große konkave Ab schnitte 3, mittlere konkave Abschnitte 4 und kleine konkave Abschnitte 5 (selbstverständlich können sie auch konvexe Ab schnitte sein) beinhaltet. Die regelmäßigen Fünfecke re präsentieren typischerweise einen goldenen Schnitt (golden ratio), d. h. das Verhältnis von 1 : r, was den Widerstands koeffizienten durch entsprechende Stabilität weiter redu ziert. Daher ist der Widerstandskoeffizient weiter gesenkt, wodurch der Fluidwiderstand merklich reduziert ist.

5. Ausführungsbeispiel (Fig. 8)

Nach einem in Fig. 8 gezeigten fünften Ausführungsbeispiel umfassen normale und umgekehrte pyramidenartige Strukturen Pa und Pb die gemischte Anordnung konkaver Abschnitte 8 und konvexer Abschnitte 10.

Die folgenden exzellenten Effekte können mit der Anordnung nach dem ersten bis fünften Ausführungsbeispiel der vor stehend erläuterten Erfindung erzielt werden: die pyrami denartigen Strukturen, die sich aus sehr einfachen konkaven Abschnitten, konvexen Abschnitten oder Kombinationen daraus zusammensetzen, sind auf der Wandoberfläche ausgebildet, um turbulente Strömungen in dem Fluid zu erzeugen, wobei die Ad sorbtionsschichten darauf die turbulenten Strömungen darin adsorbieren können, wodurch der Fluiddruck auf der Wand oberfläche merklich reduziert ist. Wenn dieser Mechanismus bei einem Helm Anwendung findet, ist der Luftwiderstand merk lich reduziert und eine Fähigkeit, einen geraden Kurs zu hal ten, ist erzeugt, wodurch das Motorrad sicher fährt. Wenn dieser Mechanismus auf Fahrzeuge, Flugzeuge, Raketen usw. an gewendet wird, ist der Mechanismus dazu ausgelegt, die Ge schwindigkeit unter Einbeziehung der Sicherheit zu steigern, nicht zu sprechen von der Energieersparnis. Wenn der Mecha nismus auf künstliche Blutgefäße angewendet wird, kann der Mechanismus die auf dem Patienten liegende Belastung mindern. Somit hat der Mechanismus, wie oben beschrieben, verschieden ste exzellente Effekte.

Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen sowie der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung können so wohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausfüh rungsformen wesentlich sein.

Bezugszeichenliste

1 Wandoberfläche
3 großer konkaver Abschnitt
4 mittlerer konvexer Abschnitt
5 kleiner konkaver Abschnitt
7 großer konvexer Abschnitt
9 kleiner konvexer Abschnitt
8 konkaver Abschnitt
10 konvexer Abschnitt
12 Fünfeck
13 Sechseck
Pa normale pyramidenförmige Struktur
Pb umgekehrte pyramidenförmige Struktur
F Rohr
H Helm

Claims

1. Mechanismus zum Reduzieren des Fluidwiderstandes an einer Wandoberfläche, umfassend:
eine Wandoberfläche (1), die einen Fluidwiderstand annehmen soll, und
mehrere große und kleine konkave Abschnitte (3, 5), die je weils auf der Wandoberfläche (1) ausgebildet und regelmäßig angeordnet sind, um mehrere normale und umgekehrte pyrami denartige Strukturen (Pa, Pb) zu bilden, wobei
jede der mehreren umgekehrten pyramidenartigen Strukturen (Pb) sich aus einem einzelnen großen konkaven Abschnitt (3) und mehreren kleinen konkaven Abschnitten (5) zusammensetzt, welche den einzelnen großen konkaven Abschnitt (3) umgeben, und
jede der mehreren normalen pyramidenartigen Strukturen (Pa) sich aus einem einzelnen kleinen konkaven Abschnitt (5) und mehreren großen konkaven Abschnitten (3) zusammensetzt, welche den einzelnen kleinen konkaven Abschnitt (5) umgeben.

2. Mechanismus zum Reduzieren des Fluidwiderstandes an einer Wandoberfläche, umfassend:
eine Wandoberfläche (1), die einen Fluidwiderstand annehmen soll, und
mehrere große und kleine konvexe Abschnitte (7, 9), die je weils auf der Wandoberfläche (1) ausgebildet und regelmäßig angeordnet sind, um mehrere normale und umgekehrte pyrami denartige Strukturen (Pa, Pb) zu bilden, wobei
jede der mehreren normalen pyramidenartigen Strukturen (Pa) sich aus einem einzelnen großen konvexen Abschnitt (7) und mehreren kleinen konvexen Abschnitten (9) zusammensetzt, welche den einzelnen großen konvexen Abschnitt (7) umgeben, und
jede der mehreren umgekehrten pyramidenartigen Strukturen (Pb) sich aus einem einzelnen kleinen konvexen Abschnitt (9) und mehreren großen konvexen Abschnitten (7) zusammensetzt, welche den einzelnen kleinen konvexen Abschnitt (9) umgeben.

3. Mechanismus zum Reduzieren des Fluidwiderstandes an einer Wandoberfläche, umfassend:
eine Wandoberfläche (1), die einen Fluidwiderstand annehmen soll, und
mehrere konkave und konvexe Abschnitte (8, 10), die jeweils auf der Wandoberfläche (1) ausgebildet und regelmäßig ange ordnet sind, und zwar derart, daß mehrere konkave Abschnitte (8) einen konvexen Abschnitt (10) und mehrere konvexe Ab schnitte (10) einen konkaven Abschnitt (8) umgeben, dadurch gekennzeichnet, daß normale und umgekehrte pyramidenförmige Strukturen (Pa, Pb) ausgebildet sind, und zwar durch die Differenz zwischen den Höhen der konkaven und konvexen Abschnitte (8, 10).

4. Mechanismus zum Reduzieren des Fluidwiderstandes an einer Wandoberfläche nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid Luft ist.

5. Mechanismus zum Reduzieren des Fluidwiderstandes an einer Wandoberfläche nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid Wasser ist.