JP2004052547A - 動体の流体抵抗を限りなく削減する表面形状。 - Google Patents

Abstract

【課題】従来から航空機、各種船舶、高速鉄道車両等の移動体とプロペラや風力発電ブレードなどの回転体は高速域の流体抵抗を抑える為に流線型となり、表面は可能な限り滑らかに仕上げられています。
しかし、いかに外形を流線型にして流体抵抗を削減しても、表面が平滑過ぎては剥離現象が発生し、削減には自ずと限界があります。
重要なのは臨界レイノルズ数の低減であり流体の剥離対策です。これは、表層部にどのような粗さをもたせ攪拌するかにかかります。
又、高速域の流体剥離で発生する剥離騒音対策も大変重要です。
【解決手段】解決にあたり、凹凸のある自然の河や逆に平らなコンクリート水路より小さな玉砂利水路の方が早く流れるのがヒントとなりました。
自然界で飛ぶ鳥や泳ぎの早い魚の表皮は適当な粗さを持ちます。高速で飛ぶゴルフボールやテニスボールも粗に加工されています。
そこで、小さく滑らかな円形突起物を設けた炭素繊維系シート等で移動体表面を覆えば流体抵抗が攪拌され剥離も防止できます。臨界レイノルズ数も低下し、省エネルギーを高める手段となります。
また、流体輸送の場合は配管内面に同様シートを貼れば、整流効果により乱流が防止され速やかな流れが確保できる事がわかります。
【選択図】　　図４

Description

【特許請求の範囲】
【請求項１】様々な動体の表層面に流体抵抗攪拌突起を設けることで、臨界レイノルズ数を下げ流体抵抗を限りなく削減します。
流体抵抗削減は様々な分野に省エネルギー効果をもたらす。
【請求項２】風力発電ブレードに流体抵抗攪拌突起を設けたり、又はシートを貼りつけ、臨界レイノルズ数を低下させる。
空気剥離現象をなくし、運転時の風切り騒音を解消する。
又、炭素繊維系シート貼りでひび割れや欠損も防止します。
【請求項３】既存風力発電ブレードに流体抵抗攪拌突起シートを貼り、ブレードの耐久性向上と運転時の風切り騒音を解消する。
【請求項４】航空機等の外装面に流体抵抗攪拌突起を設けたり、又は貼りつけ臨界レイノルズ数を低下させれば、流体抵抗が限りなく低下し、燃費効率の大幅な改善が見込まれます。
【請求項５】船舶の流体接触面に流体抵抗攪拌突起シート等を貼る。
水際の乱流部が攪拌により整流され、推進力が増大します。又、スクリューに流体抵抗攪拌突起を設け気泡抵抗を防ぐ。
【請求項６】高速鉄道車両や自動車の外装面に流体抵抗攪拌突起を設け又は貼りつけ、高速運航時の燃費効率を大幅に改善します。
又、空気剥離現象の解消により風切り騒音も解消する。
【請求項７】流体抵抗攪拌突起シート等をプラント配管や暗渠及び大径輸送管内壁に貼りつければ漏水が防止されると同時に水際乱流部を攪拌し、整流により流送の効率化をはかる。
【請求項８】流体抵抗攪拌突起シート等を上水・下水道管や排水溝及び用水路等の内壁に貼り漏水を防止すると共に水際乱流部を攪拌し、整流する事で流送の効率化をはかる。
【請求項９】流体抵抗攪拌突起シート等を衛生設備や器具あるいは各種ホース等の内面に貼り、又は同様の突起を内面に設け、整流効果により流送を効率化する。
【請求項１０】水や空気等の流体抵抗を受けるスポーツウエアの表層部に、小さな流体抵抗攪拌突起形状を加工することにより乱流の攪拌で流体抵抗が緩和され競技速度が向上する。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この流体抵抗削減技術は幅広い分野において省エネルギーを可能にします。
本発明は流体抵抗を極限まで削減する、すなわち臨界レイノルズ数を下げることを目的に、流体力学の原理を応用して開発した技術です。
まず、動体の流体抵抗削減を図るには外形を流線型に変えるだけでは根本的な問題解決にはならないし、剥離現象による流体抵抗は削減できません。
流体抵抗の削減には表層面に流体抵抗削減突起を設けるのが最も効果的です。
具体的には小さく滑らかなに円形突起をもつ成型した炭素繊維系シート等を表面に貼ったり形状を設けることで流体抵抗削減を可能にします。
なお、輸送管や流送溝等の場合は内壁に貼ることで乱流発生を防止できます。
【０００２】
【従来の技術】
従来から流体抵抗を削減する為には、外部形状を流線型にしたり接触面を可能なかぎり滑らかに仕上げることを無条件に受け入れてきました。
しかし、一般的には表面積が少なければ抵抗も少なく滑らかな表面仕上げが有利とされるが、実際は実用速度や高速域において滑らかさが流体剥離を招き、臨界レイノルズ数を増大させてしまいます。
また、分子運動論上も表面に適当な粗さを設ける方が流れの中の乱れ成分を強め臨界レイノルズ数を低下させるとされています。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の航空機、高速船舶、高速鉄道車両、自動車等は流体抵抗を抑えるため、流線型とする反面、表面は可能な限り滑らかに仕上げられてきました。
しかし、たとえ流線型にしても表面が平滑過ぎれば流体剥離を招きます。
つまり、移動体の後方に発生する抵抗渦は平滑さでは解消しないのです。
それは高速運転域の風切り騒音にもつながる重要な問題です。
また、高速で飛ぶゴルフボールやテニスボール等の表皮が平滑でなく粗い表面なのは臨界レイノルズ数を下げる効果があるのは周知の事実です。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
まず、流体剥離を防ぐにはどの方向からの流れについても対処可能にする為、円形の突起で流体境界層を攪拌するのが最も効果的であると考えます。
又、恒久的に攪拌機能を維持するには、高い剛性、軽量で耐久性を持つ炭素繊維系の材料性能等を活用することも必要不可欠となります。
本発明ではこれらを組合わせ、省エネルギーに生かす手段として考えました。
そこで、炭素繊維系の流体抵抗攪拌突起シートを移動体表面に接着します。
その結果、境界部での流体抵抗攪拌に伴い剥離抵抗が解消し、高速域で発生する流体剥離に伴う騒音やエネルギーロスも改善されます。
また、流体を輸送する各種配管やコンクリート溝の場合は流体の接触面に同様シートを貼れば、乱流攪拌効果により速やかな流送が確保されるのです。
【０００５】
【発明の実施形態】
本発明は新規物件はもちろんの事、既存物件についても流体抵抗攪拌シートを貼り付ければ良く、炭素繊維の強く薄く軽い材料特性により、動体自体の機能は損なわずに性能や効率が改善され、省エネルギー効果も拡大します。
また、表層部に突起形状を成型するのも可能であるが、定期メンテナンスや経年変化による補修等を考慮すれば攪拌突起シート貼りが最も有効です。
【０００６】
【本発明の実施例】
▲１▼風力発電ブレードへの活用
発電ブレード表面に炭素繊維系の流体抵抗攪拌突起シート等を貼る。
低速回転時や風受け面に直角方向は、表面が粗であるほうが平滑面より風力を受け止め易く、逆に高速域では空気剥離が防止されるため、風切り騒音を解消できます。
その為、微弱な風力でも稼働可能になりエネルギー回収率も向上します。
併せて、ひび割れや欠損が生じやすい従来ブレードの弱点も克服します。
▲２▼航空機や飛行体等への活用
翼や胴体の表層面に炭素繊維系の流体抵抗攪拌突起シート等を貼る。
高速域の流体抵抗臨界レイノルズ数が低下する為、運航機能を損なわずに燃費効率の改善が可能になります。
なお、飛行揚力は翼の外部形状により変化するものだから揚力への影響は全くないことがわかります。
航空機等は、外面に流体抵抗攪拌突起シートを貼ることにより究極の流体抵抗削減が可能になるのです。
▲３▼各種船舶への活用
船体の水流接触面に炭素繊維系の流体抵抗攪拌突起シート等を貼る。
水際境界層に発生する乱流の攪拌効果により水流剥離が防止される事や、接水面が粗である事により消波効果もあり高波の影響も軽減されます。
又、経年変化による貼り替えやメンテナンス等も容易であり、スクリュー表面に突起を設ければ高回転域で発生しやすい気泡抵抗も解消できます。
▲４▼高速鉄道車両や自動車等への活用
鉄道車両や車体表層面に炭素繊維系の流体抵抗攪拌突起シート等を貼る。
高速域における境界層からの空気剥離が解消されレイノルズ数が低下する。
抵抗力の減少で推進力が増加し、高速域での風切り騒音も解消します。
▲５▼配管・暗渠・大口径輸送管等への活用
流送路内壁に炭素繊維系の流体抵抗攪拌突起シート等を貼る。
シート貼りで壁面が粗になる為、消波効果があり、壁面に発生する乱流を攪拌して整流するため、速やかな流送が確保されます。
特に継手や分岐部への採用が効果的で、破損やひび割れ漏水も防止します。
▲６▼上水・下水道管及び排水溝・用水路等への活用
流送路面に炭素繊維系の流体抵抗攪拌突起シート等を貼る。
壁面での消波効果があり、整流により流体抵抗が削減され、配管継手部やコンクリート躯体の破損やひび割れによる漏水も防止できる。
▲７▼衛生設備器具・各種ホース等の接水面への活用
水路に小さく滑らかに成型した円形突起付き炭素繊維シート等を貼る。
やわらかい躯体には同様の突起を設けることで流体抵抗を削減します。
シート貼りは流水路継目のひび割れやそれに伴う漏水防止も見込まれる。
▲８▼流体抵抗を受けるスポーツウエア等への活用
空気や水の抵抗を受ける競技のスポーツウエア表面に小さな円形突起を設ける加工により、乱流時の流体剥離が解消され競技速度が向上します。
【０００７】
【発明の効果】
本発明により移動体後方に発生しやすい流体剥離抵抗が、表層部に設けた流体抵抗攪拌突起により解消され、剥離に伴う抵抗渦の発生が防止される。
すなわち、この表面形状には流体抵抗を限りなく削減する効果があります。
又、この表面形状の既存物件への採用にあたっては、施工が容易である事や炭素繊維系の材料性能と併せ、本来の機能を損なう事なく、省エネルギーや耐久性向上などの面で大きな効果を発揮します。
【図面の簡単な説明】
【図　１】風力発電装置全体の立面図である。
【図　２】風力発電ブレードの全体図である。
【図　３】発電ブレードの表面仕上げ詳細図である。
【図　４】流体抵抗攪拌突起シート等の標準詳細図である。
【図　５】各種配管及び大口径輸送管等への採用要領図である。
【図　６】上水・下水道及び排水溝・用水路等への採用要領図である。
【図　７】スポーツウエア表面に設けた流体攪拌突起の詳細図である。
【符号の説明】
▲１▼　　風力発電塔本体
▲２▼　　風力発電塔基礎
▲３▼　　ナセル
▲４▼　　ローター
▲５▼　　風力発電ブレード
▲６▼　　流体抵抗攪拌突起付きシート
▲７▼　　シート貼り付けの下地処理
▲８▼　　各種移動体や回転体等の躯体

Claims (8)

1. 水や空気など流体が接する面に小さな円形突起を規則的に配し、流体抵抗を細分化してエネルギーロスを削減。
2. 移動体を定型円形突起付き炭素繊維シートなどで覆い流体抵抗の削減により推進力を向上させ騒音も抑制。
3. 風力発電のブレードに定型円形突起付き炭素繊維シートを巻き付け、ひび割れや欠損を防止する。
4. 風力発電のブレードに定型円形突起付き炭素繊維シートを活用して分割制作し、製造・輸送コストを削減する。
5. 既存風力発電ブレードに定型円形突起付き炭素繊維シートを巻き付け発電エネルギーを効率的に回収する。
6. 風力発電装置の発電塔と基礎の接合部にガラス繊維ボルト付きの積層ラバーで絶縁対策を行う。
7. 風力発電の発電塔を挟む形で２系列の風力ブレードを設け余剰風力を効果的に活用する。
8. メンテナンスフリーの彩色済み定型円形突起付き炭素繊維シートを航空機、船舶、新幹線の外壁に貼り省エネルギー化をはかる。

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