JP2011185410A

JP2011185410A - 移動体外壁及び移動体

Info

Publication number: JP2011185410A
Application number: JP2010053835A
Authority: JP
Inventors: Kaoru Iwamoto; 薫岩本
Original assignee: Tokyo University of Agriculture and Technology NUC; Tokyo University of Agriculture
Current assignee: Tokyo University of Agriculture and Technology NUC; Tokyo University of Agriculture
Priority date: 2010-03-10
Filing date: 2010-03-10
Publication date: 2011-09-22
Anticipated expiration: 2030-03-10
Also published as: JP5590443B2

Abstract

【課題】従来の機体表面に実装するだけで流体摩擦抵抗を低減でき、エネルギー効率を改善する、新規な移動体外壁、及びこれを備える移動体を提供する。
【解決手段】移動体外壁１０１の表面に、流体に対して周期的な変化を発生させるためのリブレット１０２を設けた。リブレット１０２の形状は、流体の動粘度と、移動体の巡航速度と、流体の移動方向における移動体の長さに基づいて算出される周期で決定される。リブレット１０２が移動体外壁１０１全体を覆うことで、移動体外壁１０１を取り巻く流体の乱れが減少し、流体摩擦が最大で約２０％軽減できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、移動体外壁及び移動体に関する。
より詳細には、航空機、高速列車、船舶等の高速移動体の表面に実装して、高速移動体の表面に接触する空気或は水等の流体との摩擦抵抗を低減し、推進力に要する燃料等のエネルギー消費を大幅に低減する、移動体外壁の構造に関する。

周知のように、航空機、新幹線等の高速列車、そして船舶、また将来実現されるリニアモーターカー等の高速輸送機器は、旅客や貨物等の輸送対象を高速且つ大量に輸送するために、燃料や電力を大きく消費する。これら高速輸送機器を運用する企業体にとって、電力や燃料等のエネルギー消費を低減することは、当該企業体の利益率を向上するだけでなく、エネルギーの大部分を諸外国から輸入する我が国の負担を軽減するためにも、また環境負荷を低減するためにも極めて重要である。
高速輸送機器のエネルギー消費を低減するための試みは、あらゆる角度で研究され、技術が進化している。高速輸送機器のエネルギー効率を改善する技術のアプローチとしては、大まかには三通りの手法が考えられる。一つは、高速輸送機器に推進力を与えるエンジンやモータのエネルギー効率を改善するアプローチである。もう一つは、高速輸送機器を軽量化させるアプローチである。そして最後の一つは、高速輸送機器の機体に接触する空気や水等の流体との摩擦抵抗を低減させるアプローチである。本明細書は最後の摩擦抵抗について言及する。

特開２００２−２６６８１６号公報

Science&Technology Trends September 2006 feature article 02:［２０１０年２月２３日検索］、インターネット＜URL:http://www.nistep.go.jp/achiev/ftx/jpn/stfc/stt066j/0609_03_featurearticles/0609fa02/200609_fa02.html＞

従来、高速輸送機器の摩擦抵抗を低減する試みとしては、機体を流線型にする等の、古典的な流体摩擦の低減方法の他、機体表面に流体の流れに沿った筋状の凹凸を設ける等の、流体力学に基づく方法が提案されている。
特に、移動体外壁の表面に畝（うね）状のリブレット（riblet）を設けて、流体摩擦抵抗を低減する試みとしては、特許文献１及び非特許文献１に開示されるように、様々な形状のものが提案されている。しかし、これらの方法は何れも改善効果に限界があることが知られている。

本発明は係る課題を解決し、従来の機体表面に実装するだけで流体摩擦抵抗を低減でき、エネルギー効率を改善する、新規な移動体外壁、及びこれを備える移動体を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の、移動体を覆う移動体外壁は、流体の流れ方向に対し等周期長さ且つ流れの直交方向に対して等間隔にて左右に蛇行する第一のリブと、第一のリブに対して流れ方向に線対称の形状で左右に蛇行する第二のリブとを表面に具備する。

移動体の機体表面に、流体の流れ方向に幅広部分と幅狭部分とが規則的に繰り返されるリブレットを設ける。流体はリブレットに沿って流れることで、流体と機体表面との間に発生する乱流に規則的な振動が加わり、乱れが減少し、流体摩擦が低減される。

本発明により、従来の機体表面に実装するだけで流体摩擦抵抗を低減でき、エネルギー効率を改善する、新規な移動体外壁、及びこれを備える移動体を提供できる。

本発明の実施形態である移動体外壁の斜視図である。移動体外壁を上から見た図と、移動体外壁の断面図である。本実施形態の移動体外壁を実装する航空機の外観図である。本実施形態の移動体外壁の長さと、摩擦抵抗低減効果の関係を説明するグラフである。移動体外壁のもう一つの実施形態を示す概略図である。

図１は、本発明の実施形態である移動体外壁の斜視図である。
移動体外壁１０１の表面には、畝状のリブレット１０２が設けられている。
流体は移動体外壁１０１の表面を矢印Ａ１０５方向に流れる。リブレット１０２は、流体の流れる方向に沿って周期的に左右に蛇行するＡリブ１０３と、Ａリブ１０３と逆のパターンで周期的に左右に蛇行するＢリブ１０４が、交互に配置されて構成される。

図２（ａ）及び（ｂ）は、移動体外壁１０１を上から見た図と、移動体外壁１０１の断面図である。
図２（ａ）は移動体外壁１０１の上面図であり、図２（ｂ）は移動体外壁１０１を図２（ａ）のａ−ａ’線から見た断面図である。
図１及び図２（ａ）を見て判るように、Ａリブ１０３とＢリブ１０４は流体の流れる方向において線対称である。
Ａリブ１０３及びＢリブ１０４の形状と配置関係は、図２（ａ）及び（ｂ）に示す、以下のパラメータで構成される。
・Ａリブ１０３及びＢリブ１０４の、流体の流れ方向の長さＬｘ
・Ａリブ１０３及びＢリブ１０４の、流体の流れ方向に対する傾斜角θ
・Ａリブ１０３及びＢリブ１０４の、最も狭い箇所の幅Lｚ
・Ａリブ１０３及びＢリブ１０４の高さｈ
・Ａリブ１０３及びＢリブ１０４の厚みＴ

厚みＴは薄ければ薄いほど良い。現実的にはリブレット１０２の剛性を確保するためと、製造工程上の制約から、高さｈとの兼ね合いで決定される。

幅Ｌｚと長さＬｘと高さｈは、ＤＮＳの結果、以下のような値が最適であることが判った。

上記（１）式にある「２１５．９８」「１４．７５」及び「７．５」という定数は、ＤＮＳの結果からおよそ上下３０％程度のマージンで有効であると思われる。したがって、上記（１）式は以下のように書き換えることができる。

上記（１）式のパラメータのうち、動粘度ν及び流体密度ρは、対象の移動体周囲の流体が決まれば、流体の種類と温度、圧力等で一意に決まる。
壁面摩擦応力τ_ｗは、例えば以下の式で決定される。

或は、より正確には、流れ方向の位置ｘに応じてτ_ｗは変化するので、以下の式で詳細に決定することもできる。

先ず、移動体の流れ方向長さLを得て、移動体の巡航速度U_ｌａｍを決定し、流体の動粘度νと流体の密度ρを算出する。次に、壁面摩擦応力τ_ｗを、上記（３）式或は（４）式で算出する。τ_ｗが得られれば、上記（１）式で幅Ｌｚ、長さＬｘ及び高さｈを得ることができる。角度θは現状では７．５°を採用しているが、まだ最適化の余地はあると思われる。

図３は、本実施形態の移動体外壁１０１を実装する航空機の外観図である。
航空機３０１に本発明を適用する場合、図１及び図２に示す外壁構造を、両翼を含めた機体全体に設ける。
一例として、実際の移動体に本発明を適用する場合の演算結果を記す。航空機として、ボーイング７７７−３００の場合を記す。
幅Ｌｚと長さＬｘと高さｈは、それぞれ、81μm、1.2mm、41μmとなった。

図４は、本実施形態の移動体外壁１０１の長さと、摩擦抵抗低減効果の関係を説明するグラフである。実験の結果得られたデータである。
グラフの横軸は移動体外壁１０１の長さであり、縦軸は摩擦抵抗低減効果である。グラフ中、δは約１０ｍｍである。
摩擦抵抗低減効果は、移動体外壁１０１の長さが長くなればなる程、増大する傾向がはっきり認められる。

以上説明したように、移動体外壁１０１にリブレット１０２を取り付ける。リブレット１０２の形状は上述の演算式に基づき、移動体の巡航速度と、流体の動粘度と、流体の移動方向における移動体の長さに基づいて算出できる。このようにして形状を決定したリブレット１０２を設けた移動体外壁１０１に摩擦抵抗低減効果が生じる。

リブレット１０２の材質や製造方法は特に限定されるものではない。リブレット１０２は可動部分が存在しないので、マイクロメートルオーダーの微小なリブレットを形成することができることと、リブレットが流体や塵埃によって損傷を受けない等の条件さえ満たせば、どのような材質、製造方法であってもよい。
一例としては、合成樹脂を用いたスタンプ工程、合成樹脂或は金属のエッチング工程、パテを含有する塗料を用いた塗布工程等、一般的な、壁面に微小な突起を形成するための工程を用いて、様々なリブレット形成方法が利用可能である。
また、非特許文献１に開示されているように、リブレット１０２を形成したシートを移動体外壁１０１に貼付する手法であってもよい。

本実施形態は、以下のような応用例が考えられる。
（１）リブレットの形状は、幅広の部分と幅狭の部分が流体の流れの方向に周期的に現れればよいので、必ずしも図１に示したような直線的な形状でなくともよい。
図５は移動体外壁のもう一つの実施形態を示す概略図である。つまり、リブレット５０２及びＡリブ５０３とＢリブ５０４の形状は、図５に示すように、サインカーブのような曲線形状であってもよい。

本実施形態では、移動体外壁１０１を開示した。
移動体外壁１０１の表面に、流体に対して周期的な変化を発生させるためのリブレット１０２を設けた。リブレット１０２の形状は、流体の動粘度と、移動体の巡航速度と、流体の移動方向における移動体の長さに基づいて算出される周期で決定される。リブレット１０２が移動体外壁１０１全体を覆うことで、移動体外壁１０１を取り巻く流体の乱れが減少し、流体摩擦が最大で約２０％軽減できる。

以上、本発明の実施形態例について説明したが、本発明は上記実施形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、他の変形例、応用例を含む。

１０１…移動体外壁、１０２…リブレット、１０３…Ａリブ、１０４…Ｂリブ、３０１…航空機、５０２…リブレット、５０３…Ａリブ、５０４…Ｂリブ

Claims

流体の流れ方向に対し等周期長さ且つ前記流れの直交方向に対して等間隔にて左右に蛇行する第一のリブと、
前記第一のリブに対して前記流れ方向に線対称の形状で左右に蛇行する第二のリブと
を表面に具備する、移動体を覆う移動体外壁。
前記第一のリブと前記第二のリブの前記周期長さは、前記移動体外壁に接触する流体の動粘度と、前記移動体の巡航速度と、前記移動体の進行方向の長さに基づく周期から決定される、請求項１記載の移動体外壁。
前記第一のリブと前記第二のリブの前記周期長さ、前記第一のリブと前記第二のリブの最も近接する箇所の間隔及び前記第一のリブと前記第二のリブの高さは、前記周期長さをLｘ、前記最も近接する箇所の間隔をLｚ、前記高さをｈ、前記動粘度をνとして、前記巡航速度及び前記移動体の進行方向の長さから壁面摩擦応力τ_ｗを得て、前記流体の密度ρから

で得られる、請求項２記載の移動体外壁。
流体の流れ方向に対し等周期長さ且つ前記流れの直交方向に対して等間隔にて左右に蛇行する第一のリブと、
前記第一のリブに対して前記流れ方向に線対称の形状で左右に蛇行する第二のリブと
を表面に具備する外壁によって覆われる移動体。