JP2002266816A - 乱流摩擦抵抗低減表面 - Google Patents

乱流摩擦抵抗低減表面

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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】リブレット面の乱流摩擦抵抗を低減する。 【解決手段】乱流摩擦抵抗は、物体表面近傍で活発に生
成し成長する渦構造によって、表面近くの低速の流体と
中心部を流れる早い主流が強く混合させられるために生
じる。振動面においては、表面近傍の渦構造は、表面の
左右運動と主流の直進運動によって、あたかも引きちぎ
られ渦構造の発生と成長が阻害される結果、大きな乱流
摩擦抵抗が低減する。考案したジグザグ（又は曲線）状
に配列されたリブレット表面では、壁近傍の乱流構造は
リブレットの溝に沿って左右に進行方向を左右に周期的
に変えつつ流動する一方、主流は直進する流れ構造が生
みだされるので、主流と壁面の近傍流れの間に、振動面
と類似した流れ構造を生じさせることができる。このよ
うにして、リブレットの溝をジグザグ（又は曲線）状に
配置した表面、振動面と同様な大きな流体摩擦低減効果
を生み出すことができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】乱流摩擦抵抗は、実用的なほ
とんどの流動条件では流体と運動物体表面の間の相対的
運動がある場合には、乱流摩擦抵抗が必ず生じ、エネル
ギー消費量に大きな影響を与える。乱流摩擦抵抗によっ
て消費される動力の全動力に対する比率は、旅客機の場
合では約半分、船舶の場合では８０〜９０％、石油や天
然ガスのパイプライン輸送ではほとんどを占めている。
従って、その低減は省エネルギー技術として重要な課題
である。また、水泳、ボート、ヨット等の水中での高速
性を競うスポーツ等のユニフォームや船体に適用するな
らば、記録を更新することができるのでスポーツ工学の
課題でもある。本発明は、乱流摩擦抵抗を低減するもの
であるので流体工学分野に広い関連を有する。
【０００２】
【従来の技術】表面に真っ直ぐな微細な溝を密接に配列
した表面模様を有するリブレット面は、レース用ヨット
の船底や、競泳用水着に応用されているので広く知られ
ているが、平滑な表面の乱流摩擦抵抗と比べた低減量
は、最大で８％程度である。また、イルカの摂取カロリ
ーと運動エネルギー消費量の比較から予測された柔軟な
表面の低減効果も、これまで確認された実績としてはリ
ブレット面と同程度である。表面を、流れに直交する方
向かつ表面に並行に往復運動させる振動面では最大で４
０％の低減効果が得られている。特殊な高分子や界面活
性剤を液体中に添加する方法では、５０％以上を上回る
低減効果が確認されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】リブレット面を航空機
の機体表面に実際に施工した試験結果によれば、燃料消
費量は３％減少したが、重量増加と施工費用を考慮する
と経済効果をもたらさなかった。すなわち、この例は、
乱流摩擦抵抗低減技術を実用化するには、もっと大きな
低減効果を有する表面を発明する必要があることを示し
ている。大きな低減効果を示す振動表面による乱流摩擦
低減法は、表面を機械的に周期的に駆動しなければなら
ないので、航空機・船舶や配管等に適用するのは困難で
ある。また、大きな低減効果を示す高分子などを添加す
る方法には、添加物質が環境汚染を引き起こす問題があ
る。従って、８％を大きく上回る低減効果を、表面を駆
動することなく、物質を添加することなく、静止した表
面で実現できる技術が必要である。これが。本発明が解
決しようとする課題である。
【０００４】
【課題を解決しようとする手段】実用的状況においては
乱流摩擦抵抗は、物体表面近傍で活発に生成し成長する
渦構造によって、表面近くの低速の流体と中心部を流れ
る早い主流が強く混合させられるために生じる。振動面
においては、表面近傍の渦構造は、表面の左右運動と主
流の直進運動によって、あたかも引きちぎられ渦構造の
発生と成長が阻害される結果、大きな乱流摩擦抵抗が低
減する。静止した表面において、同様の主流と壁近傍の
渦構造の干渉関係を作り出すことができれば、大きな流
体表面摩擦の低減を生じさせることができる。主流方向
とリブレットの溝方向が食い違う条件（食い違い角が約
２０度以下であれば）では、壁近傍の流れ方向渦構造は
リブレットの溝方向に流動することが見出されている。
従って、ジグザグ（又は曲線）状に配列されたリブレッ
ト表面では、壁近傍の乱流構造はリブレットの溝に沿っ
て左右に進行方向を左右に周期的に変えつつ流動する一
方、主流は直進する流れ構造を生みだすことができる。
すなわち、主流と壁面の近傍流れの間に、振動面と類似
した流れ構造を生じさせることができる。従って、リブ
レット溝をジグザグ（又は曲線）状に配置した表面、す
なわち、ジグザグリブレット面又は曲線リブレット面に
よって、振動面と同様な大きな流体摩擦低減効果を生み
出すことができる。
【０００５】
【発明の実施の形態】物体表面を工作機械でシ゛ク゛サ
゛ク゛（又は曲線）状溝列を直接加工する切削法、ジグ
ザグ（又は曲線）リブレット面の模様を予め付与したロ
ーラーを物体表面に押しつける転写法、物体表面を塗装
する際に掻き取り部をリブレット形状に加工したブレー
ドを左右に周期的にずらしながらスライドさせるスキー
ジ法、及び、物体表面にジグザグ（又は曲線）リブレッ
ト模様を予め成形加工したシートを接着する接着法のい
ずれかの方法によって、物体表面をジグザグ（又は曲
線）リブレット模様で覆った表面をうことができる。
【実施例】
【０００６】ポリアセタール樹脂板に高さとピッチが
０．５ｍｍの三角溝をエンドミル工具を用いて、流れ方
向に対する溝の角度が１０度、波長が９０ｍｍのジグザ
グ模様となるように切削した。Ｒｅが２ｘ１０４での主
流速は約０．３５ｍ／ｓなので、主流の単位時間の移動
に対応してジグザグ模様は約４回繰り返す。すなわち、
周期約４Ｈｚ、振幅３０ｍｍの振動板の運動に相当す
る。比較測定のため、同一寸法の（直線）リブレット面
を製作した。
【０００７】このようにして製作した（直線）リブレッ
ト面とシ゛ク゛サ゛ク゛リブレット面の摩擦抵抗を乱流
条件で測定した。測定は、高さ３０ｍｍｘ幅１４０ｍｍ
の流路断面を有し長さが１ｍの矩形流路の長いほうの対
面する２面として組み込んで、水を試験流体として流し
た状態で、流路側面に設けた静圧口間の差圧を測定し、
摩擦摩擦損失係数を算出した。摩擦摩擦損失係数は、乱
流摩擦抵抗を無次元化した値である。
【０００８】その結果を、図２に示す。直線は、実測し
た平滑面の摩擦損失係数を示す。中実のデータ点は、直
線リブレット面の摩擦損失係数を示す。中空のデータ点
は、シ゛ク゛サ゛ク゛リブレット面の摩擦損失係数を示
す。これらの３つの面のデータから、直線リブレット面
の摩擦抵抗は平滑面の値より平均で６％低減しており、
シ゛ク゛サ゛ク゛リブレットの値は１２％低減している
ことがわっかた。
【０００９】すなわち、実測した結果から、本発明に基
づくシ゛ク゛サ゛ク゛リブレット面の乱流摩擦低減率は
１２％であり、従来の直線状リブレット面低減率の６％
の２倍であり、大幅な低減が可能であることを実証して
て要いる。
【０００７】
【図面の簡単な説明】
図１は、シ゛ク゛サ゛ク゛リブレット表面の概念を示し
たものである。図２は、平滑面、直線リブレット面、シ
゛ク゛サ゛ク゛リブレット面の摩擦損失係数の実測結果
を示したものである。
【符号の説明】
１ ｐ リブレットの溝のピッチ間隔 ２ ｔ リブレットの溝の深さ ３ Ｌ ジグザグの周期の長さ ４ θ ジグザグの角度 ５ Ｒｅ レイノルヅ数 ６ λ 摩擦損失係数
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１３年７月２日（２００１．７．２）
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
【請求項２】 物体表面に、周期的な曲線様の微細な溝
を密接に配列させて乱流摩擦抵抗を低減する表面。
【手続補正書】
【提出日】平成１３年１１月１３日（２００１．１１．
１３）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】発明の名称
【補正方法】変更
【補正内容】
【発明の名称】 乱流摩擦抵抗低減表面
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高瀬 和之 茨城県那珂郡東海村白方字白根２番地の４ 日本原子力研究所東海研究所内 (72)発明者 日野 竜太郎 茨城県那珂郡東海村白方字白根２番地の４ 日本原子力研究所東海研究所内 (72)発明者 崔 宏昭 イギリス国レスター エルイー４・３エイ ユー，パーク・ロード，バーストール 40，ノッティンガム・ユニバーシティ

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 【請求項目１】 物体表面に、直線を折り曲げたジグザ
    グ状の微細溝を密接に配列させて乱流摩擦抵抗を低減す
    る表面 【請求項目】 物体表面に、周期的な曲線様の微細な
    溝を密接に配列に配列させて乱流摩擦抵抗を低減する表
    面
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