JP2000199505A - 物体の流体摩擦抵抗低減装置 - Google Patents

物体の流体摩擦抵抗低減装置

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Kosuke Umazume
耕輔 馬詰
Masayoshi Hashiguchi
真宜 橋口
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    • F15D—FLUID DYNAMICS, i.e. METHODS OR MEANS FOR INFLUENCING THE FLOW OF GASES OR LIQUIDS
    • F15D1/00—Influencing flow of fluids
    • F15D1/10—Influencing flow of fluids around bodies of solid material
    • F15D1/12—Influencing flow of fluids around bodies of solid material by influencing the boundary layer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B1/00—Hydrodynamic or hydrostatic features of hulls or of hydrofoils
    • B63B1/32—Other means for varying the inherent hydrodynamic characteristics of hulls
    • B63B1/34—Other means for varying the inherent hydrodynamic characteristics of hulls by reducing surface friction
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B64C2230/24—Boundary layer controls by using passive resonance cavities, e.g. without transducers
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    • Y02T70/10—Measures concerning design or construction of watercraft hulls

Abstract

(57)【要約】 【課題】 物体に生じる流体摩擦抵抗を低減する。 【解決手段】 流体中を相対移動する物体Ｂに生じる流
体摩擦抵抗の低減装置であって、物体の表面Ｓに設け、
かつ物体Ｂの表面Ｓにそって移動する流体を導入してそ
の移動方向ｘへ回転させる溝Ｍで構成したことを特徴と
する物体の流体摩擦抵抗低減装置。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、流体中を相対移
動する物体に生じる流体摩擦抵抗を低減することができ
る、物体の流体摩擦抵抗低減装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来の物体の流体摩擦抵抗低減装置とし
ては、物体、例えば、船の表面やパイプラインの内壁面
に、流体の乱流による抗力を減少させるために、物体の
長手方向に設ける幾筋もの三角溝（リブレット）があ
る。
【０００３】このリブレットは、流体のもつ粘性の作用
で物体の表面近傍に不可避的に発生する境界層内の流体
の速度分布形状を人為的に変更することにより、同表面
に作用する流体摩擦抵抗を低減するためのものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記リ
ブレットでは、物体の表面での流体の速度分布に関する
すべり無し流れを充分に回避できず、流体摩擦抵抗を充
分に低減できないという問題がある。
【０００５】この発明は、このような従来の問題点を解
決することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段及び作用】物体Ｂの平坦な
表面に生じる流体摩擦抵抗は、図１に示すように、流体
の流れ方向（ｘ）の速度分布（ｕ）の物体Ｂの表面Ｓ上
における鉛直方向（у）の一次勾配（ｄｕ／ｄｙ）
（正、０、負の値のいずれもとり得る）に流体の粘性係
数（μ）を乗じたもので定義される、下式で示す摩擦応
用（τ）に比例する。
【０００７】
【数１】
【０００８】したがって、一次勾配（ｄｕ／ｄｙ）の絶
対値を低減するか、あるいはその符号を図１に示す通常
の正の状態から負の状態に転換できれば、物体Ｂの流体
摩擦抵抗は低減できる。
【０００９】そのためには、物体Ｂの表面Ｓ近傍での速
度成分の差を０に近づけるか、あるいは物体Ｂの表面に
流体の逆流を生じさせて一次勾配（ｄｕ／ｄｙ）の符号
を負にすればよい。
【００１０】そこで、この発明においては、図２に示す
ように、物体Ｂの表面Ｓにそって移動する流体を導入し
てその移動方向へ回転させる溝Ｍを、物体Ｂの表面Ｓに
設けた。
【００１１】このようにすれば、図２に示すように、溝
Ｍの底部では、流体がその流れ方向へ回転することで、
逆流Ｒが生じ、流体の流れ方向の速度成分の一次勾配の
符号が負となる。また、溝Ｍの領域における流体の速度
成分の一次勾配の絶対値を低減することができる。
【００１２】この発明における溝Ｍは、物体の表面全体
に、あるいは部分的に設ける。また、長いものを連続的
に設けることもできるし、短いものを断続的に設けるこ
ともできるし、長いもの短いものを任意に組み合わせて
設けることもできる。
【００１３】溝Ｍの向きは、流体の流れ方向と交差する
方向に設けるのが好ましい。
【００１４】溝Ｍの断面形状は、上述の流体摩擦抵抗を
低減できる形状であれば、その態様は問わない。溝Ｍの
代表的な断面形状は、例示すれば、図３から図８に示す
ような形状である。図中、矢印は流体の流れ方向を示
す。流体は、物体の表面と平行に流れる場合もあり、同
表面に対し斜めに（交差方向）流れる場合もある。
【００１５】図３の溝Ｍ1 断面長方形のものであり、図
４の溝Ｍ2 は流体の下流側にひさしＨ1 を設けた断面長
方形のものであり、図５の溝Ｍ3 は流体の上流側と下流
側にひさしＨ2 を設けた断面長方形のものである。図６
の溝Ｍ4 は底面と側面の間に湾曲面を設けた断面Ｕ字形
のものである。図７の溝Ｍ5 は断面長円形のものであ
り、図８の溝Ｍ6 は断面円形のものである。
【００１６】溝Ｍを設ける物体Ｂの表面は、平面、湾曲
面、凸凹面など任意に選定できる。表面は滑面であって
もよいし、粗面であってもよい。
【００１７】物体Ｂは剛体でもよいし、軟体でもよい
し、弾性体でも良い。溝Ｍを設けることができるもので
あれば、その種類を問わない。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を実
施例によって説明する。
【００１９】図９に示す溝Ｍａを設けたモデル（模型）
Ｉと図１０に示す溝Ｍａを設けたモデル（模型）IIを、
それぞれ流速０．５〜３．２ｍ／ｓｅｃで矢印Ｘ方向に
流れる水と流速０．５〜４．０ｍ／ｓｅｃで矢印ｘ方向
に流れる水の中に設置し、各モデルＩ、IIに生じる抗力
を測定した。この抗力は、測定法上、表面摩擦に加えて
圧力抵抗を含むので、後述するモデルIII 、IVに生じる
抗力を測定して、モデルＩ、IIに設けた溝Ｍａの効果を
検証した。
【００２０】モデルＩは、図９に示すように、平面形状
が長方形、側面形状が先端の尖った楔形の塩化ビニル製
の扁平な物体Ｂの先端側の両面に、幅（Ｗ1 ）方向に平
行に並列配置した２９本の溝Ｍａ（後述）を設けたもの
である。物体Ｂの長さ（Ｌ1）は４５０ｍｍ、幅（Ｗ
1 ）は１５０ｍｍ、高さ（Ｈ1 ）は８２ｍｍである。
【００２１】モデルIIは、図１０に示すように、平面形
状が長方形、側面形状が先端の尖った楔形の塩化ビニル
製の扁平な物体Ｂの先端側の両面に、幅（Ｗ2 ）方向に
平行に並列配置した２９本の溝Ｍａを設けたものであ
る。物体Ｂの長さ（Ｌ2 ）は４５０ｍｍ，幅（Ｗ2 ）は
１５０ｍｍ，高さ（Ｈ2 ）は２４ｍｍである。
【００２２】モデルＩとモデルIIの溝Ｍａは、図１１及
び図１２に示すように、断面形状が円形の溝で、幅（ｗ
1 ）は２．４ｍｍ、深さ（ｄ1 ）は１．８ｍｍである。
溝Ｍａの後端側（水の下流側）出隅部には、８度の傾斜
角（θ）で切断したカット面Ｃが設けられている。その
幅（ｗ3 ）は１．０ｍｍである。２９本の溝Ｍａは、モ
デルＩでは、先端より３３ｍｍの位置から５．５ｍｍの
間隔（ｐ1 ）で設けられており、モデルIIでは、先端よ
り５３ｍｍの位置から５．５ｍｍの間隔（ｐ1）で設け
られている。
【００２３】モデルＩ、IIは、上述のように、尖った先
端を水の流れの上流側へ向けて設置されている。すなわ
ち、各モデルＩ、IIの中心軸ｋと水の流れの方向ｘが平
行になるように設置されている。
【００２４】（比較例）図示しないが、溝Ｍａを設けな
いモデルＩと同形のモデルIII と溝Ｍａを設けないモデ
ルIIと同形のモデルIVについて、実施例と同じ要領で、
各モデルIII 、IVに生じる抗力を測定した。
【００２５】図１３は、実施例のモデルＩ、IIに生じる
抗力の測定結果を、それぞれ比較例のモデルIII 、IVの
それと比較して示したグラフである。ただし、ここにい
う抗力は、モデルＩ、IIを支持する治具の抵抗を含めた
値である。
【００２６】図１３から明らかなように、モデルＩの抗
力は、モデルIII に比べ、平均して１．５３％低減して
いる。またモデルIIの抗力は、モデルIVに比べ、平均し
て０．６％低減している。
【００２７】
【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、物体の表面に、流体をその移動方向へ回転させる溝
を設けたから、物体に生じる流体摩擦抵抗を効果的に低
減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 物体の表面近傍に発生する速度分布形状を示
す図
【図２】 物体の表面に設けた溝とその近傍に発生する
速度分布形状を示す図
【図３】 この発明において採用できる溝の断面図
【図４】 この発明において採用できる溝の断面図
【図５】 この発明において採用できる溝の断面図
【図６】 この発明において採用できる溝の断面図
【図７】 この発明において採用できる溝の断面図
【図８】 この発明において採用できる溝の断面図
【図９】 実施例の、溝を設けたモデルＩを示し、同図
（ａ）は平面図、同図（ｂ）は側面図、同図（ｃ）は正
面図
【図１０】 実施例の、溝を設けたモデルIIを示し、同
図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は側面図、同図（ｃ）は
正面図
【図１１】 モデルＩとモデルIIに設けた溝の断面図
【図１２】 図１１の要部拡大図
【図１３】 モデルＩとモデルIIに生じる抗力を比較例
のそれと比較して示したグラフ
【符号の説明】
Ｂ 物体 ｘ 流体の流れ方向 Ｓ 表面 Ｍ、Ｍ1 〜Ｍ6 、Ｍａ 溝 Ｃ 逆流 Ｈ1 、Ｈ2 ひさし Ｃ カット面 Ｔ 突起 ｋ 中心軸

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 流体中を相対移動する物体に生じる流体
    摩擦抵抗の低減装置であって、物体の表面に設け、かつ
    物体の表面にそって移動する流体を導入してその移動方
    向へ回転させる溝で構成したことを特徴とする物体の流
    体摩擦抵抗低減装置。
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