JP2000500558A

JP2000500558A - 境界層制御用の電磁タイルのジグザグ作動

Info

Publication number: JP2000500558A
Application number: JP9519851A
Authority: JP
Inventors: ノーゼンチヤツク，ダニエル・エム
Original assignee: ザ・トラステイーズ・オブ・プリンストン・ユニバーシテイ
Priority date: 1995-11-20
Filing date: 1996-11-19
Publication date: 2000-01-18
Also published as: EP0862532A1; CA2238038A1; AU715892B2; WO1997018990A1; KR19990071516A; US5964433A; EP0862532A4; AU1078597A

Abstract

(57)【要約】フリーストリーム方向において表面に対して動いている電気伝導性流体の流れ中で境界層を制御する装置は、フリーストリーム方向およびそれに対して横切る方向に延びるアレイの形で表面（１０４）上に分配された選択的に作動可能な複数の制御領域タイル（４０６、５０６）を含む。各タイル（４０６、５０６）は、フリーストリーム方向に対して所定の配向を有する磁束線を有する磁界を流体中に発生する磁界発生手段（１０１、１０２）によって画定される。結果としての渦度分布は、アレイ上で、フリーストリーム方向に対して横切る方向における壁における渦度が小さくなり、かつフリーストリーム方向における境界層渦度集中の発生が抑制されるように、各制御領域上の流れ中に渦度分布を導入する制御領域を形成するためにタイル（４０６、５０６）を作動させる。

Description

【発明の詳細な説明】境界層制御用の電磁タイルのジグザグ作動関連出願のクロスリファレンス本出願は、１９９５年１１月２０日出願の米国仮出願第６０／００７３７９号の利点を請求する。発明の背景発明の分野本発明は、多数の電磁タイル（tile）を使用して、壁に沿って流体の流れを制御する方法に関し、さらに詳細には、壁に沿って境界層を極めて効率的に制御するそのようなタイルのアレイの改善された作動技法および代替幾何形状に関する。関連技術の説明粘性流体、および流体中に完全に浸された物体は、流体および物体が互いに動いたときに物体の表面において境界層を形成する。すなわち、物体に接触する流体の層は実質上静止しているが、物体から離間した領域内では、流体はそのフリーストリーム速度で動く。物体とその領域との間の領域は、境界層と呼ばれる。境界層は、小さいレイノルズ数において層流である。（Ｒｅ＝ＵＬ／ν。Ｕはフリーストリーム速度など固有の速度であり、Ｌは翼弦や船殻の長さなど物体の固有の寸法であり、νは流体の動粘性率である）。レイノルズ数が大きくなると、境界層は不安定かつ乱流になる。場合によっては、境界層は物体から「分離」することがある。第１（ａ）図および第１（ｂ）図に翼など物体上の流体流れを示す。第１（ａ）図に示すように、翼１０が小さい迎え角αで動作しているとき、フリーストリーム速度Ｕ_∽を有する流体ストリーム１２は翼の上面１４上を滑らかに流れる。迎え角αおよび／またはレイノルズ数が大きくなると、第１（ｂ）図に概略的に示される不規則な流れ１７によって示されるように、境界層は乱流になる。（説明のために、境界層は、実際よりもはるかに厚いものとして第１図に示してある。）非常に大きい迎え角αにおいて、境界層は、翼から分離し、次いで失速する。境界層分離によってもたらされる揚力の損失の他に、渦および乱流１８が境界層中に発生する。境界層乱流は粘性抵抗を増大させ、したがって追加の推進力の必要が生じ、したがってまた航空機、潜水艦、推進機などの速度を維持するためにより多くの燃料を消費する必要がある。さらに、流れが完全に分離した場合、追加の圧力抵抗が生じる。さらに、乱流境界層は、雑音および振動を誘導する大きい速度および圧力変動を示す。第２図に、平坦なプレートの壁（ｙ＝０）における流体中および境界層の領域中の速度をプロットする。ｙ＝０において、速度ｕは、一般に零であると考えられる。速度は、ｙが増大するにつれて増大し、フリーストリーム速度Ｕ_∽に近づく。したがって、平均流れ方向における速度ｕは、ｕ（ｙ）と表すことができる。平均流れ方向における平均壁せん断応力τ_wは次の関係式によって表される。上式で、μは流体の粘度である。（各項上の線は、それらが時間平均を表すことを示し、したがってこの式は層流ならびに乱流に対して有効である）。また、壁せん断応力は次のように粘性抵抗に関連する。上式で、ｄＡは壁の基本領域である。式（１）および式（２）は、壁におけるｄｕ／ｄｙが増大するにつれてτ_wならびにＤ_viscousが増大することを示す。第２図に、同じ外部条件に対して、実線として示された層流境界層のｕ（ｙ）、および点線で示された乱流境界層のｕ（ｙ）を示す。壁におけるｄｕ／ｄｙは、壁上の同じ位置において乱流境界層よりも層流境界層のほうが小さいことを理解されたい。したがって、境界層中の流れが層流に維持される場合、粘性抵抗が小さくなる。境界層流れを安定化させるためかつ／または境界層分離を遅らせるための様々な手法がとられている。一つのそのような手法は、最大限の迎え角を達成するために翼の幾何形状を最適化するステップから構成される。しかしながら、最適な翼形状でも翼は限られた迎え角でしか動作することができない。他の手法は、層流境界層が早く乱流になるように層流境界層を「トリッピング」するステップを含む。これは粘性抵抗を増大させるが、境界層分離が遅くなる。対象物の表面に沿って境界層を制御する従来の手法はまた、境界層からエネルギーを供給するか、または引き出すために翼表面中の細いスリットを介して空気を吸引するか、または注入するステップを含んでいた。しかしながら、対象物の表面上に細いスリットを形成する負担の他に、そのような手法は、吸入または注入のために必要な力を与える広範囲の配管網を必要とする。したがって、この手法は、対象物の全体的な重量および複雑さをかなり増大させ、これは、一般に（航空機や潜水艦など）たいていの用途の設計目的に一致しない。したがって、それらのより従来の構成は、境界層制御を効率的、実際的かつ容易に実施される形で達成しない。一方、電磁力を利用して、抵抗を小さくするまったく新規の形で境界層流れを再編成する特に有効な境界層制御技法が米国特許第５４３７４２１号に記載されている。その技法は、第３図に示すように、それぞれＮ磁極およびＳ磁極およびアノードおよびカソードを形成する電極によって形成される多数の電磁制御領域を使用する。第４図に、磁石Ｍおよび電極Ｅによって形成される制御領域タイルの二次元アレイを示す。タイルは、概してフリーストリーム流れ方向に沿った方向ならびに一般にその方向に対して直角な方向において整列される。米国特許第５５３７４２１号の発明の好ましい実施形態では、アレイ中の個々のタイルは、アレイ全体を構成する多数の４タイルサブアレイの中の各タイルサブアレイ中の同様に位置しているタイルが同時に作動するように作動する。サブアレイ中のそれらの「同相」タイル（φ₁、φ₂、φ₃、φ₄）が適切な周波しい低下をもたらす複数の回転流れ領域Ｒ中に編成される。臨界作動周波数ｆ_cr _it は、実験によって決定され、境界層流れプロファイル中の結果ｕ（ｙ）_critを第５図に概略的に示す。その重要性は、本発明の好ましい実施形態の詳細な説明に関して以下で詳細に説明する。米国特許第５４３７４２１号に記載されている技法は、それ以前の従来の境界層制御技法に比べて大幅に改善された。しかしながら、その技法は、以下で詳細に論じるいくつかの欠点および制限を有する。それらの欠点および制限を克服する努力は、米国特許第５４３７４２１号（および関連する米国特許第５３２０３０９号）で論じられているように、電磁力を使用して境界層流れを制御する技法に改善を加えたものである本発明をもたらした。発明の概要本発明の目的は、物体上の粘性抵抗を小さくするために物体上の流れ中で境界層の改善された制御を提供することである。本発明の一態様によれば、フリーストリーム方向において表面に対して動いている電気伝導性流体の流れ中で境界層を制御する装置は、フリーストリーム方向およびそれに対して横切る方向に延びるアレイの形で表面上に分配され、流体中でフリーストリーム方向に対して所定の配向を有する磁束線を有する磁電流発生手段によってそれぞれ画定された選択的に作動可能な複数の制御領域タイルであって、磁界発生手段および電流発生互いに配置され、アレイ上で、フリーストリーム方向に対して横切る方向において壁における渦度が小さくなり、かつフリーストリーム方向における境界層渦度集中の発生が抑制されるように、各制御領域上の流れ中に渦度分布を導入する制御領域を形成するためにタイルを選択的に作動させる制御手段とを含む。図面の簡単な説明本発明の様々な態様は、図面とともに行う以下に記載する好ましい実施形態の詳細な説明を読めば最もよく理解できよう。第１（ａ）図および第１（ｂ）図は、翼のまわりの流体流れ、および翼表面上に形成された境界層に対する流れ条件の影響を概略的に示す図である。第２図は、代表的な境界層の流体速度プロファイルを示す図である。第３（ａ）図は、本発明の原理を示す単一の制御領域とともに、米国特許第５４３７４２１号に開示されている磁気境界層制御装置の平面図であり、第３（ｂ）図は、第３（ａ）図の線Ｂ−Ｂの断面図である。第４図は、制御領域タイルの二次元アレイを米国特許第５４３７４２１号の技法に従って作動させたときに得られた流れの様式化された図である。第５図は、近似的な従来の層流境界層速度プロファイルおよび乱流境界層速度プロファイル、および第４図に示される流れ中の境界層速度プロファイルｕ（ｙ）_critを概念的に示す図である。第６（ａ）図から第６（ｄ）図を含む第６図は、制御領域タイルの二次元アレイの一実施形態、および本発明によるタイルを作動させる方法を示す図である。第７（ａ）図から第７（ｄ）図を含む第７図は、流体中で生成される様々な力および場の数学的に生成された図である。第８（ａ）図は、本発明の流れ制御を使用せずに平坦なプレート上の境界層中の速度プロファイルおよびスパン方向渦度プロファイルを概略的に示す図である。第８（ｂ）図は、本発明に従って制御された流れ中のそのようなプロファイルを概略的に示す図である。第９（ａ）図から第９（ｈ）図を含む第９図は、本発明の他の実施形態を示す図である。第１０（ａ）図は、作動していないアレイを使用したテスト装置中の実際の流れを示す図である。第１０（ｂ）図は、米国特許第５４３７４２１号に従って作動するアレイを使用した同じテスト装置中の実際の流れを示す図である。第１０（ｃ）図は、本発明に従って作動するアレイを使用した同じテスト装置中の実際の流れを示す図である。好ましい実施形態の詳細な説明本発明は、米国特許第５３２０３０９号および米国特許第５４３７４２１号の技法よりも粘性抵抗を一層小さくする形で境界層中の流れを編成する。第３（ａ）図および第３（ｂ）図に、上記特許に開示されているシステムの要素ならびに本発明の要素を形成する単一の電磁制御領域を示す。（この制御領域は、本発明および米国特許第５４３７４２１号のアレイの基本的ビルディングブロックを形成し、またどちらも全部記載されているように参照により本発明の一部となる米国特許第５４３７４２１号および米国特許第５３２０３０９号に開示されている。）壁またはプレート１００は、磁束線１０３を有する磁界Ｂを発生するＮ極１０１およびＳ極１０２を有する磁石を備える。磁束線１０３は、壁の表面１０４に出入りし、したがって一般に壁の表面１０４に対して平行であり、かつフリーストリーム流体流れ方向ｘに対して直角であるが、磁石に近接して重要なｙ成分を有する。（全体にわたって使用される座標系は第３（ａ）図および第３（ｂ）図に示されている。）第３（ａ）図に示される磁極１０１および１０２は、プレート１００の下（すなわち、表面１０４に対向する側）に適切な磁石（図示せず）によって与えられ、またプレートは、磁束が自由に通過できる非鉄材料である。電磁石も使用できる。もちろん、磁極は、適切な構造によって与えられる。例えば、一つまたは複数の磁石の極は、表面１０４自体の一部をなすように表面に対して同一平面に配置することができ、また表面から突出することもできる。電極１０６および１０７の両端間に取り付けられた電源１０５は、流体中の二つの電極間で、矢印１０９によって示される電である場合、電極１０６および１０７はプレートから絶縁される。流体は伝導性であり、またフリーストリーム流体流れは大きい矢印Ｕ_∽によって示される。伝導性流体中の電流の方向は、電流密度が一般に流体媒質の平均流れ方向ｘに対して平行なベからカソード電極１０７に向かう方向であるが、電流の線はまた、電極に近接して重要なｙ成分を有する。第３（ｂ）図に示すように、電流と磁界との介在によって発生する矢印１３１にて直角であり、かつ壁１００に向かう方向において制御領域内で作用するが、磁極と電極とによって画定された制御領域の縁びｚ成分を有する。第６図に、本発明に従って作動する制御領域タイルの新規の二次元アレイを使用した流れ制御を示す本発明の一実施形態を示す。アレイは、一連の離間した永久磁石４０１を含んでいる。磁極は、第６図に記号「Ｎ」および「Ｓ」によって示される交番Ｎ極およびＳ極として構成される。（さらに、米国特許第５４３７４２１号の第１０（ｂ）図に示されるような連結磁石は、その特許の議論によれば、磁束を強くする。）制御領域タイル４０６の二次元アレイは、別々に差動できる電極４０７によって形成される。第６（ａ）図から第６（ｄ）図では、磁束線Ｂは、図が見やすいようにほとんどの作動しているタイルから省略してある。第６図に示されるアレイは、自由に大きくすることができる。電極４０７は、制御領域タイルが米国特許第５４３７４２１号の場合のように平均流れ方向またはｘ方向に沿って整列するのではなく、スパン方向またはｚ方向にジグザグになったアレイを形成するように配置される。すなわち、制御領域タイル、例えば行ａの４０６_a1、４０６_a2、４０６_a3．．．は、次の行ｂの制御領域タイルから（ｚ方向において）タイル幅の二分の一のピッチでずれている。したがって、一つおきの行のタイルはｘ方向において整列する。本発明では、タイルの隣接する行がタイル幅の二分の一のピッチで配置される必要はない。本発明のこの実施形態の原理によれば、ずれはタイル幅の数分の一でよい。例えば、ピッチは、三分の一でよい。その場合、三つおきの行のタイルはｘ方向において整列することになる。第６（ａ）図から第６（ｄ）図に、本発明の図示の実施形態による流れ制御用に与えられた制御回路によって隣接する行がどのようにして流れ制御のために作動するかを示す。またそれらの図は、それぞれ四相作動サイクルの中の一つの相における電極４０７の作動状態を示す。タイルの各行ごとに、電極４０７は、第６（ａ）図から第６（ｄ）図に示すように正および負の電圧に選択的に接続される。制御領域タイルは、四相サイクル中に作動する。第６（ａ）図、第６（ｂ）図、第６（ｃ）図、第６（ｄ）図はそれぞれ、相φ₁、φ₂、φ₃、φ₄を示す。第６（ａ）図から第６（ｄ）図の「＋」符号は正の電極を示し、「−」符号は負の電極を示す。各相は２５％デューティーサイクルを有し、したがって所与の相の作動時間は四つのすべての相について全作動時間の２５％になる。本明細書に開示する原理に従ってアレイを作動させる適切な制御回路を備えることが当業者なら容易にできよう。例えば、適切なクロック回路の影響下で動作する半導体スイッチング回路は、適切な時刻において選択された電極４０７への必要な電気接続を実施する。作動周波数は、次の関係式に従って決定される。上式で、ｆは作動周波数であり、Ｕ_cは（フリーストリーム速度Ｕ_∽およびアレイの幾何形状および作動条件に関連する）タイル作動によってもたらされる動揺の固有対流速度であり、Δｘは、同じスパン方向（ｚ）座標を有する二つのタイルのストリーム方向（ｘ）における間隔である。また、最適な作動周波数は実験的に決定される。第６（ａ）図から第６（ｃ）図を参照すると、四相サイクルの作動パターンは表１に示すようなものになることが理解できよう（表１の見出しは、第６図のタイルの下付文字を表す。例えば、表１の「ａ２」は第６図のタイル４０６_a2を表す）。この作動パターンは、上で論じたように決定された適切な周波数において、以下の原理に従って境界層流れを制御する。米国特許第５４３７４２１号（その第４図およびその説明文粘性を発生することが説明されている。同じ機構が本明細書の第６図に示される実施形態でも働く。この実施形態では、米国特許第５４３７４２１号の第１０図に示される実施形態の場合域タイルの縁部または周縁部における流れ中の磁束線および電流がプレートの表面に出入りするときに実際に曲がるために発米国特許第５４３７４２１号では、その特許出願で論じられているように制御領域タイルのアレイを作動させることによって生じる境界層中の速度プロファイルの観点から流れを検討している。米国特許第５４３７４２１号に記載されているように、抵抗Ｄは、次のように境界層速度プロファイルｕ（ｙ）の形で表すことができる。上式で、ρは流体の質量密度である。式４中の丸括弧中の項は、プレートの表面において零になる流体速度によってもたらされた「失われた運動量」の尺度と考えられる。その項が大きくなると、「失われた運動量」がｘ方向におけるプレートに対する力中に現れるので、プレートに対する抵抗が大きくなる。その項は、第５図の曲線ｕ（ｙ）の下の領域を表し、プレート上の所与の位置において、米国特許第５４３７４２１号に開示されている発明によって抵抗が小さくなることを意味する。しかしながら、その発明によって作成される流体流の物理特性を理解すれば、本発明が抵抗を低下させるのに有効な理由はこれに使用されるアレイおよび作動パターンによって課される流れの状態を共振現象とみなせるからである。すなわち、所与の制御タイル領域の各作動が各制御領域の所与の位置における流体に増分量の渦度を発生するだけであっても、このような流体が通過する他の領域の適正な時間における作動は、流れがこの特許において説明されているように編成されるようになるまで局部渦度を連続的に強化する。しかし、その後の調査により、抵抗の低下が翼幅（ｚ）方向では一様ではなく、また抵抗の低下がかなり狭い範囲のローレンツ力の大きさ（すなわち、電極に印加される狭い範囲の電圧）でピークとなるか、いくら大きい電圧を電極に印加しても上限にすぐ達してしまうかのいずれかであることが判明した。これらの現象を考慮すると、米国特許第５４３７４２１号に記載されている流れ制御を分析する他の方法が、結果として得られる速度のプロファイルではなく、流れ内の渦度の分布の観点からの流れの観察によるものであることが認識される。その場合にのみ、流れを強制的に再編成する態様が局部的な長手方向での渦度の集中も引き起こすことが理解されよう。本発明はアレイに沿った長手方向の渦度の局部集中を防止するか、あるいは理想的には排除するとともに、電磁制御領域タイルによって発生するローレンツ力を使用して流れ内に渦度を発生させることによって得られる抵抗の低下を達成することによって、この見識を利用する。第７図は本発明の基礎を成す物理的機構のきわめて概略的な図である。これはある種の想定条件下で示されるパラメータの概念値をコンピュータによって視覚化したものである。第７（ａ）図は第６図に示したアレイの単一のタイル４０６を画定ある。第７（ａ）図が示しているように、電流密度は特にタイルの縁部近傍においてｘおよびｙ方向の成分を有しているが、主な成分は一方の電極から他方へのｚ方向のものである。第７近傍においてｙ方向の成分を有しているが、主な成分はｘ方向のものである。第６図に示すアレイ内の磁石がｚ方向へ連続して延びているため、磁界には感知できるｚ成分がない。磁石の端部において、磁界は第７（ａ）図に示した電流と同様なｚ方向性分を有することとなる。したがって、得られるローレンツ力場は第７（ｃ）図に示すように表すことができ、制御領域全は矢印の先端におけるローレンツ力を概念的に示したものである。当分野の技術者には、流れの任意所定の点におけるモーメンきよう。渦度の式がモーメントの式の回転であるから、渦度の関係式で表される既知の「回転」ないし「ｄｅｌ」演算子である）。ツ力の回転）は二次元アレイのタイルにおける流れ内の渦源となるが、これはパターン内のそれぞれのタイルの作動がアレイらである。ローレンツ力が存在している場合に発生する渦度を第７（ｄ）図に示すように純粋に概念的に視覚化できるが、こ域にプロットしたものである。第７（ｄ）図はしたがって、第作動によって発生する渦度の性質を定性的に視覚化することを可能とする。上記したように、本発明につながる見識は流れを境界層において結果として得られる速度のプロファイルではなく、アレイ内の渦度の分布という観点から考慮すべきであるということを認識したものである。この手法が本発明につながったものであり、米国特許第５４３７４２１号で検討されている技法によって得られる大きい抵抗の低下に比較しても、抵抗をさらに大幅に低下させることが達成される。翼幅方向の渦度（すなわち、ω_z）に関し、式５は次の関係式を与える。ただし、ｕ_xおよびｕ_yはそれぞれｘおよびｙ方向での流れの速度成分である。 ∂ｕ_y／∂ｕ_xは壁においてゼロとなり、したがって次のようになる。式７を式１および２と比較すると、抵抗がｙ＝０におけるωのｚ成分（すなわち、ω_z,o）によって決定されることがわかる。したがって、ω_z,o（壁における翼幅方向渦度）を少なくすると、抵抗が低下する。第８（ａ）図および第８（ｂ）図の略図はこの現象を示す。（ω（ｙ）のプロットの横座標に対するマイナス記号は明確とするため省略されている）。第８（ａ）図は速度とω_zのプロファイルを示す（ｚ方向は紙面に垂直である）。第８（ａ）図に示した速度プロファイルにより、式７による図示のω_z,oをもたらす。第８（ｂ）図に示したものと同様な速度プロファイルが、上述のように第６図に示したアレイを作動させることによって生じる。これが定性的には第５図のｕ（ｙ）_critと同様なものであるから、これも式４による抵抗の低下をもたらす。また、∂ｕ_x／∂ｙが小さいため、ω_z,oのω ′_z,oへの減少ももたらす。本発明は壁における翼幅方向渦度（ω_z,o）を減少させるとともに、一つの制御領域によって誘導される長手方向渦度が下流の制御領域によって誘導される長手方向渦度によって大幅に打ち消されるように、流れに渦度を導入するものであるから、抵抗のさらに大幅な低下を達成するものである。米国特許第５４３７４２１号の従来の手法は長手（ｘ）方向の渦度を局所に集中させるものであった。これは以下の原理により抵抗の低下量を制限していた。当分野の技術者には、所与の制御領域タイルの作動が流れ内の総渦度を変えないことが即座に認識されよう。これは渦度の分布を変えるが、実際には等しい量の正負方向の渦度を導く。物理的な原理（すなわち、角モーメントの保存）は、総誘起渦度が制御される流れにおいてゼロでなければならないのであるから、同じ量の正および負方向の渦度が翼幅および長手方向へ導入されることを必要とする。従来の構成では、流体が後で作動した下流の制御領域の影響を受けるようになったときに、所与の制御領域によって流体に導入された正負の長手方向渦度が強められることが認識されている。実際には、その発明の目標は一つの制御領域によって導入された渦度が後で遭遇する制御領域によって強められるように制御領域を実際に作動させることである。米国特許第５４３７４２１号の発明は驚くべき抵抗の低下をもたらすものであるが、本発明はその発明によって達成された抵抗の低下が実際には、境界層における速度プロファイルの再分布による翼幅方向の壁の近くでの渦度の減少の結果（すなわちω_z,o、第８図参照）であると認識することから始まっている。渦度の分布の観点から考えた場合、以前の手法が流れを、粘性抵抗の大きい原因であることが知られている長手方向（すなわち、ストリーム方向）の渦度ω_xを強める状況にするものであることが判明した。長手方向の渦度は乱流境界層の存在に必須のものであることが知られており、したがって、粘性抵抗の主要な源である。第２図および第５図を、式１および２とともに参照されたい。乱流境界層においては、逆回転の長手方向渦が翼幅（ｚ）方向である程度規則正しく発生する。このような渦が壁の近くの流体の剥離につながり、その後その流体に高速なフリーストリーム流体が補充される（いわゆる「バーストスウィープ」現象）ことが実験的に観察された。従来の発明は実際にこの長手方向渦度を高め、したがって抵抗の低下が必然的に制限される。本発明は抵抗をさらに低下させることを実現するものであるが、物理的な原理から本発明の制御領域を使用して長手方向の渦度の導入を回避することは不可能である。上記の説明にしたがい適切な制御回路によって作動させられた第６図によるアレイが、上流の制御領域によって生じた長手方向渦度を減衰するように分布された長手方向渦度を、下流の制御領域が生じさせるような態様で長手方向渦度を導入することが判明した。その結果、壁における翼幅方向の渦度ω_zの減少による抵抗の低下を最大限とすることができる。第９図は本発明の他の実施の形態を示し、この実施の形態において制御領域タイルはｘ方向へそろえられているが、陰のついた作動制御領域をもたらし、これによって個々のタイルによって生じた長手方向渦度の集中が本発明により作成された下流タイルによって打ち消される態様で作動させられる。第９図に示したもののようなアレイについて、作動パターンを表２に示す。第９図の実施の形態においてｘ方向にそろえられている制御領域タイルは表２に概要を示した八相サイクルで作動し、各相におけるデューティサイクルは１２．５％である。作動周波数は上述のようにして決定される。以下の実施形態は本発明を説明し、上述のような理論的根拠を検証するものである。実施形態第９図に示したもののようなアレイを、米国特許第５４３７４２１号に示されているもの（第７図参照）と類似した流れチャネルでテストした。チャネルの寸法はその特許で論じられているものから若干改変されており、テスト部分は流動流体によって完全に満たされた密閉円筒であった。ｘ方向で約０．２２ｍ（十六個の制御領域）、ｚ方向で約０．０７２ｍ（七個の制御領域）という全体的な寸法のテストアレイを使用した。制御領域は第９図に関して上述したようにして作動させた。テストアレイは、各タイルの中央において約０．４ガウスのピーク横断磁束を発生する永久磁石を含んでいた。約１．０ｍａ／ｃｍ² 程度の大きさのピーク電流を関連する電極の間に流すことによってタイルを作動させた。作動周波数は５Ｈｚであり、デューティサイクルは１２．５％であり、したがって１．６秒で所与の作動シーケンスの八相のすべてが作動した。流速は約７．５０ｃｍ／秒であった。流体は導電性（約２．５５Ｓ／ｍ）であり、上述の特許で論じられているように、流れを視覚化するために染料を使用した。比較例として、等相のタイルを上述の特許の第１０図に関連して述べられているようにして作動させた。第１０（ａ）図から第１０（ｃ）図はテストの結果を示す。ｘ方向下流に向けた（第１０図左上のｙ−ｚ軸で示すように）ビデオレコーダを使用し、薄いレーザエネルギーの層を境界層に当てて、染料を蛍光発光させて、流れを視覚化した。（米国特許第５４３７４２１号の第７図参照。）第１０（ａ）図はアレイを不作動化させた場合の流れの状態を示す。アレイを有する板体上の抵抗Ｄを測定した。明るい領域Ｂは境界層内の流れを表す。第１０（ｂ）図は電極に０．４ワットの総電力を印加して、上述の特許で述べられている発明にしたがってアレイを作動させた場合の流れの状態を示す。抵抗は制御領域がいずれも作動していない場合（第１０（ａ）図）の抵抗に比較して２５％低下した。すなわち、ΔＤ／Ｄ＝−０．２５である。さらに、上記の特許で論じられている（第１１図および第１２図参照）強い回転流の領域が、第１０（ｂ）図において、境界層流を表面から引き離す集中した長手方向渦度の領域Ｂ₁ 、Ｂ₂、Ｂ₃として示されている。第１０（ｃ）図はアレイを第９図に関連して上述したようにして作動させた場合の流れの状態を示す。抵抗は制御領域を作動させていないアレイに比較して８５％、第１０（ｂ）図に示した従来の技術と比較して２５％低下しており、印加電力は僅か０．０２ワットであった（第１０（ｂ）図の５％）。第１０（ｃ）図は境界層内の流れが翼幅（ｚ）方向へより均一に持ち上がっていることも示しており、壁におけるω_zの減少を実証している（第８（ｂ）図参照）。第１０図が長手（ｘ）方向で見た図であるから、第１０（ｂ）図の高くなった明るい領域Ｂ₁、Ｂ₂、Ｂ₃は長手方向の渦度が強くなった領域を示している。第１０（ｃ）図は長手方向の渦度がどのようにして減らされたかを示し、制御領域タイルによって導入された渦度を再分布させることによって長手方向渦度の集中を減少させた結果、翼幅方向の渦度がより一様に増加し、翼幅方向に沿った表面（第８（ｂ）図参照）におけるω_zが減少したことを示している。これらの図に示した境界層は層流であるが、これらの図は全体として、従来の手法を使用して導入された長手方向渦度の集中を本発明が減衰させることを確認するものである。これらの図は、流れを米国特許第５４３７４２１号に記載されている発明にしたがって制御した場合に生じる翼幅方向の抵抗の変動源も確認している。したがって、これらの実験により、その発明で発生した抵抗の低下に関する制限が、境界層における長手方向渦度を打ち消そうと試みた結果ではなく、強化しようとしたことによる悪影響の結果であることが明確となった。上述したような磁気境界層制御装置を境界層の制御が望まれるあらゆる表面に設けることができることが理解されよう。本発明は別々の要素として製造することが簡単であり、現在稼働中の船舶、航空機を簡単に改装できる装置を提供する。したがって、磁気境界制御装置は大量生産が簡単に行え、これが装着される船舶、航空機の稼動場所へ配送することが簡単に行えるものである。この装置は最小限の時間および作業で、船舶、航空機などの内皮、たとえば潜水艦のセールに簡単に取り付けることができるものである。もちろん、本発明が詳細に説明したもの以外の形状を取ることができ、本発明の範囲が以下の請求の範囲のみによって決定されるものであることが理解されよう。

【手続補正書】特許法第１８４条の４第４項【提出日】１９９７年５月８日（１９９７．５．８）【補正内容】請求の範囲１．フリーストリーム方向において表面に対して動いている電気伝導性流体の流れ中で境界層を制御する装置において、フリーストリーム方向およびそれに対して横切る方向に延びるアレイの形で表面上に分配され、流体中でフリーストリームｙ、ｚ、ｔ）を発生する磁界発生手段、および流体中で磁束線段によってそれぞれ画定され、それにより特定のタイルの作動域タイルと、前記アレイ上で、フリーストリーム方向に対して横切る方向において壁における渦度が小さくなり、かつフリーストリーム方向における境界層渦度集中の発生が抑制されるように、各前記制御領域上の流れ中に渦度分布を導入する制御領域を形成するために前記タイルを選択的に作動させる制御手段とを含む装置。２．前記アレイが、それぞれ複数の前記タイルを含む前記制御領域タイルの複数の隣接する行を含む請求の範囲第１項に記載の装置。３．前記磁界発生手段が複数の平行な磁石を含み、かつ前記電流発生手段が前記磁石の間に複数の平行な電極を含む請求の範囲第２項に記載の装置。４．前記磁石が一般にフリーストリーム方向に対して横切る方向に延びる永久磁石を含み、かつ前記電極が一般にフリーストリーム方向に延びる請求の範囲第３項に記載の装置。５．隣接する前記行中の隣接する前記制御領域タイルがずれている請求の範囲第４項に記載の装置。６．各前記制御領域タイルが、フリーストリーム方向およびそれに対して横切る方向において他の前記制御領域タイルと実質上同じ寸法を有し、各前記制御領域タイルが、フリーストリーム方向に対して横切る方向において前記タイルの寸法の二分の一の距離だけ隣接する前記行中の各前記制御領域タイルからずれており、前記制御手段が、前記制御領域タイルを含む前記電極を作動させることによって一つおきの前記行中の四つおきの制御領域タイルを作動させるように構成され、一つおきの前記行中の作動している前記制御領域タイルが、一つの制御領域タイルだけずれるよう整列され前記行に隣接しており、前記制御手段が、各前記行中の隣接する前記制御領域タイルを連続的に作動させ、それにより前記行中の各前記制御領域タイルが、前記行中のすべての前記制御領域タイルを作動させるのに必要な周期の２５％の間作動する請求の範囲第５項に記載の装置。７．隣接する前記行中の隣接する前記制御領域タイルが整列している請求の範囲第４項に記載の装置。８．各前記制御領域タイルが、フリーストリーム方向およびそれに対して横切る方向において他の前記制御領域タイルと実質上同じ寸法を有し、前記制御手段が、作動している制御領域を画定する前記二つの電極を作動させることによって前記作動している制御領域を形成する形で前記電極を作動させるように構成され、一つおきの前記行中の前記作動している制御領域が、整列しており、かつ隣接する前記行中で、隣接する前記行中の前記作動している制御領域の中間にあり、前記制御手段が、各前記行中の各作動している制御領域が前記行中のすべての前記作動している制御領域を作動させるのに必要な周期の１２．５％の間作動するように各行中の隣接する前記電極を連続的に作動させる請求の範囲第７項に記載の装置。ある請求の範囲第１項に記載の装置。る請求の範囲第９項に記載の装置。１１．前記磁界発生手段が、前記電流発生手段によって生成された電流に対して直角な磁束線を有する磁界を提供するように配置された請求の範囲第１項に記載の装置。１２．表面が揚力面を含む請求の範囲第１項から第８項のいずれか一項に記載の装置。１３．前記揚力面が制御表面である請求の範囲第１２項に記載の装置。

Claims

【特許請求の範囲】１．フリーストリーム方向において表面に対して動いている電気伝導性流体の流れ中で境界層を制御する装置において、フリーストリーム方向およびそれに対して横切る方向に延びるアレイの形で表面上に分配され、流体中でフリーストリームｙ、ｚ、ｔ）を発生する磁界発生手段、および流体中で磁束線段によってそれぞれ画定され、それにより特定のタイルの作動域タイルと、前記アレイ上で、フリーストリーム方向に対して横切る方向において壁における渦度が小さくなり、かつフリーストリーム方向における境界層渦度集中の発生が抑制されるように、各前記制御領域上の流れ中に渦度分布を導入する制御領域を形成するために前記タイルを選択的に作動させる制御手段とを含む装置。２．前記アレイが、それぞれ複数の前記タイルを含む前記制御領域タイルの複数の隣接する行を含む請求の範囲第１項に記載の装置。３．前記磁界発生手段が複数の平行な磁石を含み、かつ前記電流発生手段が前記磁石の間に複数の平行な電極を含む請求の範囲第２項に記載の装置。４．前記磁石が一般にフリーストリーム方向に対して横切る方向に延びる永久磁石を含み、かつ前記電極が一般にフリーストリーム方向に延びる請求の範囲第３項に記載の装置。５．隣接する前記行中の隣接する前記制御領域タイルがずれている請求の範囲第４項に記載の装置。６．各前記制御領域タイルが、フリーストリーム方向およびそれに対して横切る方向において他の前記制御領域タイルと実質上同じ寸法を有し、各前記制御領域タイルが、フリーストリーム方向に対して横切る方向において前記タイルの寸法の二分の一の距離だけ隣接する前記行中の各前記制御領域タイルからずれており、前記制御手段が、前記制御領域タイルを含む前記電極を作動させることによって一つおきの前記行中の四つおきの制御領域タイルを作動させるように構成され、一つおきの前記行中の作動している前記制御領域タイルが、一つの制御領域タイルだけずれるよう整列され前記行に隣接しており、前記制御手段が、各前記行中の隣接する前記制御領域タイルを連続的に作動させ、それにより前記行中の各前記制御領域タイルが、前記行中のすべての前記制御領域タイルを作動させるのに必要な周期の２５％の間作動する請求の範囲第５項に記載の装置。７．隣接する前記行中の隣接する前記制御領域タイルが整列している請求の範囲第４項に記載の装置。８．各前記制御領域タイルが、フリーストリーム方向およびそれに対して横切る方向において他の前記制御領域タイルと実質上同じ寸法を有し、前記制御手段が、作動している制御領域を画定する前記二つの電極を作動させることによって前記作動している制御領域を形成する形で前記電極を作動させるように構成され、一つおきの前記行中の前記作動している制御領域が、整列しており、かつ隣接する前記行中で、隣接する前記行中の前記作動している制御領域の中間にあり、前記制御手段が、各前記行中の各作動している制御領域が前記行中のすべての前記作動している制御領域を作動させるのに必要な周期の１２．５％の間作動するように各行中の隣接する前記電極を連続的に作動させる請求の範囲第７項に記載の装置。ある請求の範囲第１項に記載の装置。る請求の範囲第９項に記載の装置。１１．前記磁界発生手段が、前記電流発生手段によって生成された電流に対して直角な磁束線を有する磁界を提供するように配置された請求の範囲第１項に記載の装置。１２．表面が揚力面を含む請求の範囲第１項から第８項のいずれか一項に記載の装置。１３．前記揚力面が制御表面である請求の範囲第９項に記載の装置。