JP2002533208A - 境界層内へ排出される流体の散逸（エネルギー損失）速度を減少させるための方法及び装置 - Google Patents

境界層内へ排出される流体の散逸（エネルギー損失）速度を減少させるための方法及び装置

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Abstract

(57)【要約】 流体に対して移動する表面の摩擦の減少が、ポリマー−水混合物／溶液（９）を境界層内に排出させることによって達成される。排出されるポリマー−水混合物／溶液の効率は、境界層の外へのポリマーの散逸と、排出の直前における液体せん断力によるポリマーの調整（すなわち延長、解きほぐし、または伸張）と密接に関係する。本発明は、混合物／溶液の抗力減少特性を改善し、混合物／溶液を境界層中に可能な限り長い時間保持する、ポリマー−水混合物／溶液（９）を調整及び排出するための方法及び装置である。ポリマー−水混合物／溶液の抗力減少特性を改善し、それが壁近傍領域に保持される時間を延ばすことによって、イジェクターは能力を向上させることができるとともに、抗力減少システムに要求される体積及び収容力を低減することができる。本発明は、ポリマー−水混合物／溶液の排出に好適なものであるが、如何様な物質を流れのある流体中に排出するためにも適用することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 技術分野 本発明は、管と水との相対的な移動の双方およびパイプラインへの応用におい
て著しい表面摩擦抗力の減少を示す、ポリマー等の高分子量物質を流体の流れの
境界層内へ注入するための方法及び装置に関する。
【０００２】 大きなポリマー分子は、壁近傍領域においては、エネルギーの吸収ならびにバ
ースト（高エネルギー流体の壁からの離間移動）及びスイープ（壁近傍領域にお
ける高エネルギー流体の低エネルギー流体による置換）サイクルの繰返し回数の
減少をともない、乱れた動きで相互に作用する。バースト繰返し回数の減少によ
って、壁からのエネルギー散逸がより少なくなり、表面摩擦抗力が最大８０％ま
で減少する。実験によって、抗力減少のためのポリマー分子の効果は、それらの
分子量、それらの境界層内の位置及びそれらがどの程度伸張または“調整”され
ているか、と密接に関係していることが判明している。
【０００３】 背景技術 従来、ポリマー混合物イジェクターは、ポリマー及び流体の混合物／溶液を壁
に対してある角度をなして排出する単純なスロットであった。この排出アプロー
チに対して適当な距離下流において抗力の減少を高めるためには、大量且つ高濃
度のポリマーが、境界領域全体を満たし、「ポリマー広がり」作用が奏せられる
ように、排出されねばならない。これらのシステムにおいてポリマー消費速度が
高いことは、多くの抗力減少の応用にとって、それらを非現実的なものとする。
【０００４】 現実的な応用に役立てるためには、抗力を減少させるポリマー混合物の排出の
ためのより効率的な方法を発明することが必要とされている。
【０００５】 発明の開示 本発明は、流体の流れる境界層の壁近傍領域に対して混合物／溶液を効率的に
排出できるようにするものである。本発明のイジェクターは、本発明の第１の目
的として、排出に先立ってポリマーを調整し、ほぼすぐに続く排出の抗力減少を
発生させるものである。本発明の第２の目的は、境界層領域にのみポリマーを放
出し、そこに著しい抗力減少を与え得ることにある。本発明の第３の目的は、最
も抗力減少に効果的な領域である、境界層の壁近傍領域にポリマーを可能な限り
長い時間滞留させることにある。
【０００６】 本発明のイジェクターシステムは、抗力減少効果を改善するために、流れ領域
を制限する独特な構成を用い、また窪み穴、溝および弾性材料も用いて、ポリマ
ー混合物／溶液を予め調整するものである。流体の流れに対して排出された後の
最適な抗力減少を与える、最適なポリマー分子の調整（延長、解きほぐし、若し
くは伸張）のために、窪み穴、溝及び流れ領域の制限は、互いに対して及び流れ
のレイノルズ数に対して調整される。さらに、本発明のイジェクターは、ポリマ
ーが壁近傍領域から離れるように移動／散逸するのを減少させるために、流れを
構成するための新規なアプローチを用いる。これは独特なスロットのシステムに
より達成される。各スロットは、慎重に設計された表面カーブと、縦向き（すな
わち流れ方向において）のゲルトラー渦からなるダクトに似たシステムを形成す
る表面特性を有する。ゲルトラー渦は、凹面により角速度が与えられる流体流れ
の遠心作用によって形成される。本発明により形成されるゲルトラー渦のダクト
に似たシステムは、境界層において自然に発生する準縦向き渦のペアの間隔と良
く似ているが、反対向きのペアである。自然発生の準縦向き渦のペアの組合せは
、それらが壁から移動し、流体力学的抗力の大部分を占めるバースト及びスイー
プの発達に寄与するものと考えられる。本発明の組合せによりつくり出される渦
は、それらがつくる圧力差によって壁の近くにその渦を滞留させる。これによっ
て、都合よく、境界層に排出されたポリマーが壁近傍領域に滞留されるようにな
る。
【０００７】 発明実施の最良の形態 本発明は、水・ポリマー混合物／溶液を境界層の壁近傍領域に放出すること、
ならびに混合物／溶液が壁近傍領域に滞留するように混合物／溶液の流動特性を
調整することによって、より効果的なポリマー混合物／溶液の排出を達成するも
のである。壁に付着する流動特性を有する混合物／溶液を製造することによって
、イジェクターは、ポリマーが周囲の水に拡散するまでの、壁近傍領域における
ポリマー滞留時間を延長し、もって抗力減少システムにおけるポリマー消費を減
少させる。
【０００８】 ゲルトラー渦は、凹面に沿って角速度が与えられる流体流動の遠心力作用によ
って形成される。図１は、矢印５で示される流体の流れによって、凹面２上の抗
力により発生する遠心力によって形成される、自然発生のゲルトラー渦１を示し
ている。本発明に係るイジェクターの表面特性は、境界層において自然に発生す
る準縦向き渦のペアの間隔に似たゲルトラー渦を創出するが、それらは反対方向
のペアとなる。自然な準縦向き渦のペアの組合せによって、それらが壁から移動
し、またそれらが流体力学的抗力の大部分を占めるバースト及びスイープの発達
に寄与すると考えられる。
【０００９】 図２Ａは、準縦向き渦のペアの等角投影図である。一般には、静止面上の流れ
が、壁４の近傍にヘアピン状渦３に歪められる横断構造をつくり出すものと認め
られる。流れ方向は矢印５で示されている。各ヘアピン状渦の準流れ方向の「脚
部」は、表面から離間する方向に移動する渦のペアをつくる壁面と直交する方向
に異なる圧力を生じさせる。図２Ｂは、自身を壁から離れるように移動させる圧
力差を誘発する渦ペアの横断面図である。“Ｈ”は、局所的な高圧領域を示して
おり、“Ｌ”は、局所的な低圧領域を示している。これらの自然発生の渦ペアと
は対照的に、本発明のイジェクターによって発生するゲルトラー渦のペアは、そ
れらが生み出す圧力差によってそれらが表面から離れなくなるような組合せ及び
間隔を有する。図２Ｃは、渦ペアを壁に近づく方向に追いやり、それによって渦
ペアが壁から離れなくなるような圧力差を生み出す、渦ペアの断面図である。そ
のような渦のペアは壁近傍に滞留し、それらはイジェクターにより壁近傍に排出
されたポリマーを保持し、それによってそれらはバースト及びスイープの発生を
減少させる。以下では、本発明のイジェクターは、ポリマー混合物及び溶液の散
逸を制御するために渦構造を革新的に用いるものであるため、“渦ダクト”イジ
ェクターと呼ぶことにする。
【００１０】 図３は、本発明の渦ダクトイジェクターを示している。ポリマー混合物溶液９
は、左側からイジェクターに流入し、スロットＩに近づくように移動する。この
例では、ポリマー混合物／溶液が排出される境界層は、渦ダクトイジェクターを
覆い、また液体の流れ５方向は右から左へ向かっている。
【００１１】 ちょうど静止媒体中で右側へ移動するボディにイジェクターが搭載されたかの
ように、ポリマー混合物／溶液はスロットＩＩ, ＩＩＩ, 及びＩＶからイジェク
ターボディの境界層に排出される。最適な溶液濃度および体積流量率は各応用の
要求に応じて決定される。
【００１２】 左側からイジェクターに流入するポリマー混合物／溶液は、ディフューザー１
０及びコーン１２によってスロットＩに向かうように方向付けられる。枠組み１
４に取り付けられた一つまたはそれ以上の羽根（符号を付していない）の間にお
ける相互作用は、流れの不規則性を減少させる。流れがスロットＩを通過する際
、コーン１２内の窪み穴及びディフューザー１０内の縦向きのスロットによって
準縦向きの渦がつくり出される。
【００１３】 図４は、コーン１２の断面図であり、コーン１２内の窪み穴１５が図示されて
いる。図５はディフューザー１０の断面図であり、ディフューザー１０内の縦向
きのスロット１７が図示されている。窪み穴１５及びスロット１７によりつくり
出された渦の相互作用は、混合物／溶液中のポリマー分子の更なる混合及び伸張
を促す。スロットＩの幅は、コーン１２が取付られたセンターチューブ１８を縦
向きにスライドさせることによって調整または変化させることができる。また、
ディフューザー１０及びコーン１２の材質及び特性は、渦構造を変えるために変
更または修正することができる。絞られた又は調節された流れは、次いでスロッ
トＩを通り抜け、及び枠組み２０の流路系統を通過する。枠組み２０の流路のサ
イズによって、条件（１）に従い、コーン１２の窪み穴の形状が決定される。 0.25 d passageways20 ≦ d dimples12 ≦ 0.5 d passageways20 ・・・条
件（１） ここで、d passageways20 は枠組み２０内の流路の直径であり、d dimples12 はコーン１２内の窪み穴の直径である。窪み穴の深さ（ｈ）は等式（１）により
与えられる。 h dimples12 = 0.25 d dimples12 ・・・等式（１） ここで、h dimples12 はコーン１２内の窪み穴の深さであり、d dimples12 は
上に定義したものである。付け加えると、ディフューザー内の溝は等式（２）及
び（３）により定義される。 B grooves10 = d dimples12 ・・・等式（２） W grooves10 = h grooves10 = 0.25 d dimples12 ・・・等式（３） ここで、B grooves10はディフューザー１０内の溝の中心間距離であり、W gro oves10 はディフューザー１０内の各溝の幅であり、h grooves10はディフューザ
ー１０内の各溝の深さである。 渦の形成は、次式を満足する特性を有する弾性材料でコーン１２を製作するこ
とによって増強される。 ( E /ρ)1/2 = 0.5 U∞ ・・・等式（４） ここで、Eは弾性係数であり、ρは密度、U∞は外部流速である。さらに、渦の
増強のために、次のような特性の異方性弾性材料を使用することもできる。 2 ≦ E long / E xverse ≦ 5 ・・・条件（２） ここで、E longは縦方向の弾性係数であり、E xverseは横方向の弾性係数であ
る。
【００１４】 枠組み２０の流路系統は、４つのグループに分けることができる。第１のグル
ープ２２は、コーン１２内の窪み穴の半分の直径を有するフェアリング２６内に
あってスロットＩＩに通じる流路をなす第２のグループ２４を通して、溶液を縦
方向に通過させる。スロットＩＩは層流区分イジェクターであり、スロットＩＩ
Ｉ及びＩＶの上流における境界層を厚く調整するためのものである。スロットの
前部表面の凹面形状は、縦向きゲルトラー渦をつくり出すストッパー２８により
形成され、フェアリング２６（図３）により形成される形状はコアンダ表面を与
えるスロットＩＩの表面は開口と平行をなす。スロットＩＩからの流れが境界層
に入るにつれて、それは下流のコアンダ表面から外れた付着流と特に近接する縦
向きゲルトラー渦構造によって特徴付けられる。これらの縦向きゲルトラー渦は
、スロットＩＩＩの上流の流れを調整する。境界層を厚く調整するスロットＩＩ
の作用によって、スロットＩＩＩ及びＩＶにおける排出流によって発生する乱流
が減少する。
【００１５】 他のグループの流路３０は、枠組み２０、フェアリング２６及びリング３２，
３４，３６及び３８を通して混合物／溶液を斜めに通過させ、スロットＩＩＩか
ら排出させる。スロットＩＩＩの上流側表面のカーブは、ゲルトラー渦システム
を生じさせるように凹んでいる。これらの渦は次いでリング３２の弾性下流側表
面上の窪み穴によって増幅される。図６は、そのようなリング３２の要部の断面
を示している。リング３２の窪み穴３３の寸法及び角度は次のようにして与えら
れる。 λdimples 33 = d dimples 33 = ( ( 7.19×10 5 ) / Re x ) + ( 3.56×10 5 ) ( Re x ) + 1.71 ・・・等式
（５） h dimples 33 ≦ 0.5 d dimples 33 ・・・等式（６） ここで、λdimples 33、d dimples 33及びh dimples 33は、それぞれリング３
２の窪み穴の、壁単位y*における角度、直径及び深さであり、Re xは特にスロッ
トＩＶの上流における水流のレイノルズ数である。この分野において良く知られ
ているように、壁単位は壁からの距離の無次元化寸法である。それらは次の等式
を用いた長さ次元として説明することができる。 y = ( y* v ) / μ ・・・等式（７） ここで、yは有次元長さであり、vは流体の動粘度であり、μは流体の摩擦速度
である。
【００１６】 弾性材料でリング３２を製作することによって、スロットＩＩＩにおいて形成
されるゲルトラー渦をさらに増強させることができる。弾性材料を選択する場合
、前述のように等式（４）を満足する特性を有するのが望ましい。さらに効果を
増強させるために、前述のように条件（２）に当てはまる異方性弾性材料を用い
ることができる。
【００１７】 リング３２が図３に示された位置よりも上流に位置しているときには、例えば
その横向き溝がリング３６の端部のすぐ下に位置していると、横向き溝４０は、
当該横向き溝４０の範囲内に静止横向き渦を生じさせる。生じた低い圧力によっ
て、横向き溝の範囲内に静止横向き渦がつくり出される。この低い圧力は、縦向
きゲルトラー渦を含むスロットＩＩＩからの排出流をこの横向き渦が壁に抗して
取り込み、スロットＩＩＩからの排出流を安定化させることよってつくり出され
る。リング３２がリング３６から遠ざけられている場合、横向き溝は一連の横向
き渦リングを発生させ、これが流れにともなって下流に逃げ出す又は移動する。
これらの横向き渦が放出される繰返し回数は、リング３２及び３４の周期運動に
よって（すなわち、枠組み１４を通りリング３４を間接的に支持するセンターロ
ッド４８を振動させることによって）、あるいはリング３２の材料の弾性特性を
変更することによって、制御することができる。横向き溝の寸法は、次式より与
えられる。 w xverse40 = h xverse40 = 0.5 d dimple 33 ・・・等式（８） ここで、w xverse40及びh xverse40はそれぞれ横向き溝４０の幅及び深さであ
る。
【００１８】 枠組み２０内における、最後のグループの流路４２は、ポリマー混合物／溶液
を調節リング３２，３４，４４及び４６内へ斜めに通過させ、スロットＩＶに通
じる流れをなす。スロットＩＩＩと同様に、スロットＩＶの上流側表面のカーブ
は、リング４４及び４６の窪み穴によって増幅された縦向きゲルトラー渦の系列
をつくり出す。これらのゲルトラー渦は、スロットＩＩＩからくる渦と相互に作
用し、壁近傍にポリマー溶液を保持させる役割を担う縦向き導波路を形成する。
リング４４及び４６の窪み穴の寸法及び間隔は、リング３2及び４の窪み穴の場
合と同じ等式により決定される。
【００１９】 スロットＩ、ＩＩＩ及びＩＶの幅は、コーン１２及び／又はリング３２及び３
４を縦向きにスライドさせることによって、調節又は振動させることができる。
コーン１２はセンターチューブ１８と連結され、リング３２及び３４は、枠組み
１４に対するファスナーを通るセンターロッド４８によって連結される。スロッ
ト幅を調節することによって、混合物／溶液の排出速度を変化させることができ
る。最も効果的な抗力減少は、通常の場合、排出速度が自由流速の５％〜１０％
の範囲にあるときに発生する。イジェクターボディ５０及びスロットの幅は、混
合物／溶液の流速をこの望まれる混合物／溶液の流速の範囲内にするように適合
される。リング３２及び３４を取り除くとともにリング４４及び４６を縦向きス
ロットを特徴とするリングで置き換えることによって、全体的に異なるスロット
の構造を得ることができる。縦向きスロットは、自然発生の準縦向きの渦ペアに
おける多数の隙間に隣接して配置されるものであり、強力な縦向き渦をつくりだ
す。
【００２０】 産業上の利用性 当然ながら、本発明のイジェクターは明確に図示された具体例に限定されない。
また当然に、ダクト渦イジェクターは非常に多くの変形が可能である。例えば、
リング３２，３４，４４及び４６は、異なる材料及び異なる構造的特徴を有する
リングにより置き換えることができる。むしろ、本発明の範囲は、後に述べる請
求の範囲およびそれらと法的に等しいものによって定義される。当業者が前述の
説明を読んだ結果種々の変更を想到するであろうが、そのような当業者にとって
明白な変更の全ては、開示された本発明の思想の範囲内であると思われる。
【図面の簡単な説明】
本発明は、後記の詳細な説明及び添付図面（これらは図解の手段としてのみ与
えられたものであって本発明を限定するものではない）から、より完全に理解で
きるだろう。
【図１】 図１は、凹面上の抗力により発生する遠心力に起因する、ゲルトラー渦の形成
を示している。
【図２】 図２Ａは、自然発生の準縦向きの渦のペアを示す等角投影図である。 図２Ｂは、自然発生の渦のペアの断面図である。 図２Ｃは、本発明の渦ダクトイジェクターにより形成される、縦向きゲルトラ
ー渦のペアの断面図である。
【図３】 図３は、本発明の渦イジェクターの側面を示している。
【図４】 図４は、図３のイジェクターにおけるコーン要素の断面図である。
【図５】 図５は、図３のイジェクターにおけるディフューザー要素の断面図である。
【図６】 図６は、イジェクターリングの要部断面図である。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１３年２月５日（２００１．２．５）
【手続補正１】
【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
【補正の内容】
【特許請求の範囲】

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】抗力減少物質をその第１流体に対する放出に先立って調整する
    とともに、その第１流体に対する放出を調整する方法であり、第１流体の流路を
    形成するように前記第１流体と表面とを相対的に移動させる方法であって、次記
    のステップ、 （ａ）前記抗力減少物質を混合物として溶液中に含む第２流体を窪み穴若しく
    は溝を有する表面間に流通させるか、または減少領域を通して流通させ、それに
    より前記第２流体中の抗力減少分子を前記第２流体中で解きほぐす、延長させる
    、または伸張させることによって、抗力減少物質を流体せん断力を用いて調整す
    ること、及び （ｂ）第２流体を、それが第１流体の流路に入るようにコアンダ表面上を流し
    て、実質的に第１流体の境界層における壁近傍領域のみからなる領域に抗力減少
    物質を放出し、前記コアンダ表面は第２流体が壁と直接隣接する流路に入るため
    のスロットに対して下流側に位置すること、 を含む方法。
  2. 【請求項２】前記第２流体の主成分が前記第１流体の主成分と同じ物質であ
    る、請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】前記第１流体の主成分及び前記第２流体の主成分が水である、
    請求項２記載の方法。
  4. 【請求項４】前記第１流体の主成分が炭化水素である、請求項１記載の方法
    。
  5. 【請求項５】ステップ（ｂ）において、前記第２流体中に渦が安定化され、
    これがペアをなして前記表面と直接隣接する低圧領域を有する圧力差を発生させ
    、それによって、抗力減少物質を、前記表面と直接隣接する近傍位置に前記渦が
    作用する間は滞留させる、請求項１記載の方法。
  6. 【請求項６】抗力減少物質を、実質的に表面に対して流れる第１流体の境界
    層のみからなる領域に放出する方法であって、次記のステップ、 （ａ）溶液としてのまたは流体を含む混合物としての抗力減少物質を、一つま
    たはそれ以上の数のスロットを介して排出し、各スロットは、溶液または混合物
    が第１流体の流路に入るように上を流れ且つ壁と直接隣接するスロットに対して
    下流側に位置するコアンダ表面を含むこと、 を含む方法。
  7. 【請求項７】ステップ（ａ）に先立って、境界層は、前記コアンダ表面を夫
    々含む一つまたはそれ以上の数のスロットの上流側に位置するスロットを介して
    、付着流と直接隣接して存在する縦向きゲルトラー渦によって特徴付けられる流
    れを排出することによって、厚く調整される、請求項６記載の方法。
  8. 【請求項８】抗力減少物質は、ポリマーである又はポリマーを含むものであ
    る、請求項６記載の方法。
  9. 【請求項９】第１表面に対して流れる流体の境界層に放出される物質を、前
    記表面の直近に滞留させる方法であって、次記のステップ、 （ａ）流体を凹面上を流し、ペアをなす渦を形成させて、前記表面と隣接する
    前記第１流体の境界層に低圧領域を生じさせ、それによって、物質を前記表面と
    直接隣接する近傍位置に前記渦が作用する間は滞留させるステップ、及び （ｂ）流体を窪み穴または溝を有する表面上を流して、前記渦の作用時間を延
    長させる、 を含み、これをこの記載順に実行する方法。
  10. 【請求項１０】流れのある流体中に物質を排出する装置であって、 上流側に凹面を有する第１スロットを有し、この第１スロットの下流側にコア
    ンダ表面を有し、前記第１スロットはコアンダ表面上に窪み穴または溝を有する
    、 装置。
  11. 【請求項１１】上流側に凹面を有する第２スロットを更に有し、この第２ス
    ロットの下流側にコアンダ表面を有し、前記第２スロットはコアンダ表面上に窪
    み穴または溝を有する、請求項１０記載の装置。
  12. 【請求項１２】前記第１スロットに対して上流に位置するスロットを有し、
    このスロットはその上流側に凹面を及びその下流側にコアンダ表面を有する、請
    求項１０記載の装置。
  13. 【請求項１３】前記第１スロットに対して上流に位置するスロットを有し、
    このスロットはその上流側に凹面を及びその下流側にコアンダ表面を有する、請
    求項１１記載の装置。
  14. 【請求項１４】前記第１スロットに対して下流に横向き溝を有し、これが横
    向き溝内に静止横向き渦をつくり出す、請求項１０記載の装置。
  15. 【請求項１５】前記第１スロットに対して下流側に横向き溝を有する固体物
    質を含み、その材料または位置が、前記第１スロットに対して上流の横向き溝内
    に静止横向き渦を形成するように、あるいは流れに伴って下流に逃げ出し移動す
    る一連の横向き渦リングを前記第１スロットに対して下流に形成するように、変
    化できるようになっている、請求項１０記載の装置。
  16. 【請求項１６】一連の横向き渦リングが放出される振動数を制御する手段を
    更に有する、請求項１５記載の装置。
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