JP2013057390A

JP2013057390A - 壁面上の流れに対する渦発生器

Info

Publication number: JP2013057390A
Application number: JP2011197618A
Authority: JP
Inventors: Shinsuke Mochizuki; 信介望月
Original assignee: Yamaguchi University NUC
Current assignee: Yamaguchi University NUC
Priority date: 2011-09-09
Filing date: 2011-09-09
Publication date: 2013-03-28

Abstract

【課題】壁面上に配設される渦発生器として、ダクト、配管内等の流体の流れに対し移送される流体の混合を促進し、流れにおける圧力損失を抑制し、航空機の翼体や自動車のボディ等に適用される場合には抗力・エネルギー損失を低減させるようにする。
【解決手段】渦発生器２０は平滑な壁面１０上に配設され壁面上に沿った流体の流れＦの方向に微小な凹凸が一様に分布するように形成された粗面を有している。粗面における凹凸の高低差は壁面上の流れにおけるせん断層の厚さの１／５〜１／１００の範囲であり、粗面は流れの方向にせん断層の厚さの少なくとも１０倍以上の長さを有する。それにより、粗面と平滑な壁面との境界において縦渦を生成し壁面からの流れの剥離を抑制する。
【選択図】図１

Description

本発明は、壁面上の流れに対する渦発生器に関し、より詳細には、ダクト、配管等の流体の流れる内面や航空機の翼体、風車のブレード等の面に設けられて縦渦、二次流れを生成するための壁面上の流れに対する渦発生器に関する。

流体を用いた熱や物質の輸送、冷却、乾燥等の工程において、流れを均一化し効率を高める上で流体の混合を促進させることが要求される。これに関連して、流れを取り巻く物体面上での下流における流れの減速や剥離領域の発生が問題となる。これに対しては、従来、流れの減速や剥離領域が発生する位置の上流に渦発生器を設置し、それにより生成した縦渦による混合促進作用を用いて流れの均一化を図っている。渦発生器は通常圧力抵抗を利用するものであり、そのため渦発生器自体から生じる流れの減速が大きくなり、流れに対する抵抗体としてのマイナス作用が大きくなる。そのため、渦発生器の設置場所、寸法、条件等についての検討が不可欠であった。

流れの混合促進のための代表的な装置としては、１）透過性抵抗体を設置して流体抵抗の格差を利用するもの、２）壁面の凹凸により生成した乱れを利用するもの、３）縦渦とそれに伴う二次流れ（主流と直角方向の流れ）を導入して混合促進を図るもの、が用いられている。
１）としては多孔板や網を用いたものがあり、これは流れを混合促進し均一化するのが主目的であり、流量計測の精度向上を目的として使用されることが多い。しかしながら、構造上の特性からその適用は管内、ダクト内等の内部流れ（内部流）に限られ、自動車ボディ、航空機翼体等の物体外部の流れ（外部流）には適用できないものである。

２）についてはゴルフボールのディンプルが知られているが、これは乱流の混合作用を利用して流体抵抗低減に用いられている。しかしながら、混合作用は乱流を生成した装置の近傍に限定され、乱れ生成によるエネルギー損失が大きいという欠点がある。
３）については渦発生器として航空機や自動車に適用されており、縦渦により誘起された二次流れによる輸送によって効率よく混合促進を果たすことができるが、狭い箇所で二次流れを生成することから、渦発生器の寸法は数十ミリメートルと比較的大きくなり、それ自身の流体抵抗が問題になる。また、設置にはボルト止め等の強固な手段が必要である。

渦発生、乱流促進による流体混合に関して、次のような文献に開示されている。特許文献１には、ガスタービン燃焼器において、燃焼室に燃料を噴出する燃料ノズルと、燃焼室に空気を噴出する空気ノズルとが同軸に配置され、燃料ノズルの燃料噴孔より上流側に第１の乱流促進手段を備え、燃料噴孔の下流側に第２の乱流促進手段を備えることにより、内径の大きい空気ノズルで混合促進効果を高めることについて記載されている。

特許文献２には、複数種類の流体を異なる流路から１つの混合領域に吐出し混合させる流体混合器において、混合領域に吐出する少なくとも１つの流路内に、複数の断続するジグザグ状に配置した突起等による渦発生器を設け、それにより混合領域内での滞留を防止することについて記載されている。また、特許文献３には、流体が流れる通路壁上に下流側にエッジを形成する２つの側面とその上側で流れを方向に鋭角をなして離れるルーフ面を有する渦発生器を備え、渦発生器の側面、エッジ等において後流渦の中心部分の流れ内に二次流れを供給するための流出口を備えていて、後流渦の中心範囲の流速を高めることにより、渦崩壊の場所を下流に移動させることについて記載されている。

これらの特許文献１〜３における渦発生器は、いずれも圧力抵抗を利用するものであり、流動抵抗が大きくなり、輸熱や物質の輸送、冷却、乾燥等の工程における損失が多くなる。

特開２０１１−３８７１０号公報特開２０００−５１６７４号公報特開２００４−６９０６１号公報

流体を用いた熱や物質の輸送、冷却、乾燥等の工程において、流れを均一化し効率を高める上で流体の混合を促進させ、流れの下流における流れの減速や剥離を抑制するために流れの減速や剥離領域が発生する位置の上流に渦発生器を設置して、縦渦による混合促進作用を用いて流れの均一化を図ることが行われているが、渦発生器は通常圧力抵抗を利用するものとなっており、流れの減速、損失が大きくなるのが実状であった。このようなことから、渦発生器として圧力抵抗を用いる形態とせずに、流れの減速、損失を少なくすることが求められていた。

本発明は、前述した課題を解決すべくなしたものであり、本発明による壁面上の流れに対する渦発生器は、平滑な壁面上に配設され該壁面上に沿った流体の流れの方向に微小な凹凸が一様に分布するように形成された粗面からなる渦発生器であって、前記粗面は凹凸の高低差が壁面上の流れにおけるせん断層の厚さの１／５〜１／１００の範囲のものであり、前記粗面は流れの方向にせん断層の厚さの少なくとも１０倍以上の長さを有していて、前記粗面と前記平滑な壁面との境界において縦渦を生成して壁面からの流れの剥離を抑制するようにしたものである。

前記平滑な壁面上において前記粗面からなる複数の渦発生器が流体の流れに略垂直な方向に間隔をおいて配設されているようにしてもよい。

本発明によれば、適用される物体の平滑な面において微小な凹凸が一様に分布するように形成された粗面からなる渦発生器とすることにより、壁面に沿った流れにおいて摩擦作用により二次流れを生じ、渦を発生し、それにより混合促進がなされる一方で、流れにおける圧力損失が抑制される。ダクト、流体が移送されるダクト、配管の内面等に適用される場合には、移送される流体の混合促進に寄与し、航空機の翼体や自動車のボディ等に適用される場合には抗力・エネルギー損失を低減させる。

図１（ａ）は、本発明による渦発生器の設置例を示す斜視図であり、図１（ｂ）は、（ａ）の渦発生器により壁面に沿う流れにより二次流れが生じる状況を示す図である。図２は、図１における渦発生器の粗面の形態の例を示す斜視図である。図３（ａ），（ｂ），（ｃ）は、図２における粗面の凸条、凹溝の断面形状を示す図である。図４は、粗面を有する渦発生器を複数並置した例を示す斜視図である。図５は、本発明による渦発生器が流れを受けて二次流れを生成する状況を確認する実験装置を示す斜視図である。図６は、図５の実験装置により渦発生器の下流側の面で測定された流れの速度分布をベクトル線図で示す図である。

以下、本発明の渦発生器の具体的な形態について説明する。
［渦発生器の形態］
図１（ａ）は、本発明による渦発生器の設置例を示しており、図１（ｂ）は、（ａ）の渦発生器により壁面に沿う流れにより二次流れが生じる状況を示す図である。１０は渦発生器が設置される適用物体の平滑な面であり、適用物体としては、流体が流れるダクト、配管等の内面、あるいは航空機の翼体、風車のブレード等の流体中を移動する物体の面がある。ダクト、配管等の場合にはそれらの物体の面が流体の流れを受けるのであり、また、翼体やブレードのような移動物体はそれ自体が流体中を進行し流体との間では流れを受けるのと同等の関係になる。

２０は適用物体の平滑な面上に配設された渦発生器であり、適用物体の平滑な面１０から大きく突出しないように形成された粗面を有する。粗面は渦発生器２０の周囲の平滑な面とは異なり、微小な凹凸が渦発生器２０の全面にわたって一様に分布するように形成されたものである。また、渦発生器の粗面の形状は流れの方向に長辺となる矩形状とするのがよい。流れの方向の長さが非常に短いと渦発生器としての能力が小さくなるので、平滑面の寸法との関係からできるだけ長くとるのがよい。

渦発生器２０の粗面は微小な凹凸が一様に分布しているその表面形状により、この面に沿って流体が流れるに際して、図１（ｂ）に示すように、渦発生器２０と適用物体の平坦な面との流れに平行な境界近辺において二次流れ（縦渦）ＶＦを生成する。

粗面における微小な凹凸の形状形態は種々考えられるが、基本的には、二次流れを生成するために、流れに交差する方向に凹凸成分を有するものであり、簡易な凹凸の形状としては、図２に示すように、平行な凸条２１と凹溝２２が交互に形成されてなるものがある。渦発生器における凸条、凹溝の方向は流れの方向に略垂直な方向になるものである。

図２に示される渦発生器の粗面における凸条２１、凹溝２２の断面形状は、図３（ａ）のように矩形形状としてあるが、図３（ｂ）のように凹溝２２の断面を半円形状としてもよく、あるいは、図３（ｃ）のように凸条２１の断面を直立辺と斜辺を有する三角形状にして全体的に鋸刃状の断面形状としてもよい。この場合、断面が三角形状の凸条２１の直立面が流れに対して上流側に、斜面が下流側となるようにする。

図２に示す凸条、凹溝による粗面の構成では、凸条の稜線が直線状であるが、波線状、ジグザグ状のような形状の凸条が多数縞状に並設されるようにしてもよい。また、粗面として、平行ないし並設される凸条の形状ではなく、凹部（ディンプル）が一様に多数形成された形状としてもよい。さらに、凹部（凹溝）、凸部（凸条）の分布形態は必ずしも規則的である必要はなく、渦発生器の粗面の全面にわたって一様であれば、不規則的なものでもよい。

簡便で低コストであって、安全性の高い粗面を設ける方法として、例えば、塗装による方法、表面に凹凸を有するテープやシートを貼り付ける方法等が挙げられる。塗装による方法としては、住宅の外壁に施工されるような砂や固形物を混ぜた塗料の塗布が挙げられる。また、テープやシートを貼り付ける方法としては、サンドペーパーや壁紙等の表面に凹凸加工がなされたテープやシートを接着剤や両面テープ等で固定する方法が挙げられる。これらの方法の場合、凹凸の高さはせん断層厚さの１／１０程度ととすればよく、せん断層厚さが１０ｍｍ以下となることが多いので、例えば１ｍｍ程度の凹凸となるような粗面とすればよい。また、図２のような凸条、凹溝による粗面では、凹部の幅が凸部の幅と同程度のものとして、流れの方向に多数の凹凸が一様に分布するようにするのがよい。

凸部、凹部が不規則な粗面としては例えばサンドペーパー面のような凹凸の形態となる。凸条、凹溝が規則的に配設された粗面形状としては、基本的には凸条の稜線が流れに交差する方向を主体としたものが好ましく、極端な場合として凸条の稜線が流れに平行になっているようにした粗面の場合には二次流れの生成の効果は低下する。

渦発生器の粗面における凹凸の高低差は流れに対し主として摩擦作用により二次流れを生じるような凹凸とするものであり、流れに圧力変化を生じて二次流れを生じるような大きさとはしない。本発明における、流れに対して圧力損失を与えない粗面とするには、粗面における凹凸の高低差が壁面上の流れにおけるせん断層（壁面に沿って速度に変化のある層）の厚さに対して十分に小さく、せん断層の厚さの１／５〜１／１００の程度にするのがよい。また、粗面が二次流れを生じるために流れの方向に十分な長さとする必要があり、この粗面の長さについてはせん断層の厚さの１０倍以上、あるいは１００倍以上というように十分な長さを有するものとする。

適用物体面上に渦発生器を配設する仕方として、適用物体を作製する際に渦発生器の粗面の凹溝の部分を切削加工等により形成するという手法があるが、適用物体にこのような加工を施し難いものである場合に、別途粗面を有する渦発生器を形成しておいて、適用物体面上に強力な接着剤により貼り付けるようにしてもよい。このように渦発生器を別途形成する場合に、微小凹凸の粗面を有する渦発生器の厚さは流れに対し圧力損失を与えない程度に薄いものとする必要がある。

図４は、粗面を有する渦発生器を複数並置した例を示している。渦発生器の適用物体が翼体や風車のブレードのように長い形状のものであれば、渦発生の効果を高めるために、適用物体の長さ方向に渦発生器を複数並置して設けるのがよい。流れを受ける複数並置された渦発生器はそれぞれ適用物体の平滑な面との境界において二次流れを生じることになり、渦発生器による二次流れ生成の効果が高められる。

［渦発生器による二次流れ生成の検証］
図５は、本発明による渦発生器が流れを受けて二次流れを生成する状況を確認する実験装置を示すものである。３０は送風ダクトであり、矩形の排出口３１から空気流が流出する。排出口３１の底辺に接して空気の流れＦの方向に平滑面１０が配置され、平滑面１０上に粗面を有する渦発生器２０が配設されている。空気の流れＦは送風ダクトの排出口３１から排出されて平滑面１０に沿って流れる。その過程で渦発生器２０上を通過する。

使用した実験装置において、送風ダクトの矩形の排出口３１の寸法は横幅が７００ｍｍ、高さが４０ｍｍである。渦発生器の粗面は図２に示される流れの方向に略垂直の方向に延びる凸条、凹溝が多数形成された形状のものであり、凸条の高さ（凹溝の深さ）ｈは２ｍｍ、凸状の幅ａは４ｍｍ、凹溝の幅ｂは６ｍｍ、凸条、凹溝の長さは２００ｍｍ、流れの方向における粗面の長さは２０００ｍｍである。

このような形状形態の粗面が配設された平滑面上に送風ダクト３０から流速５〜１５ｍ／ｓの空気流を流した。せん断層の厚さは２０ｍｍであり、凸条の高さ（凹溝の深さ）ｈはせん断層の厚さの１／１０程度になっている。図５で渦発生器の粗面の手前先端側頂点の位置を原点として、流れの方向をｘ、平滑面に垂直な方向をｙ、粗面の先端の辺の方向をｚとして、ｘ方向下流側で１６００ｍｍの位置においてｚｙ面内の流れを測定した。

流れの速度分布の測定結果を図６にベクトル線図で示す。送風ダクトの排出口３１の高さの半分をＨ（＝２０ｍｍ）とする。速度ベクトルについて、ｙ方向成分Ｖ、ｚ方向成分Ｗを流れＦの速度分布における最大値Ｕ_Ｃ０で除した値で示している。ｚ／Ｈ＜０の範囲に粗面を有する渦発生器が配置され、ｚ／Ｈ＞０の範囲は平滑面である。この流れの速度分布のベクトル線図から、粗面と平滑面との境界において二次流れが発生していることが確認される。

［二次流れ生成の条件と渦発生器の利用形態について］
上述した粗面を有する渦発生器が配設された平滑面上を流体が乱流として流れる際に渦発生器と粗面との境界において二次流れが生じることが確認され、この二次流れが渦流となり、流れの後方における剥離を抑制する作用を有するものとなる。このような二次流れの生成に関しては、配置される渦発生器の粗面の寸法形態や流体の流速等に関して条件がある。

気体の流れの場合に、流速が非常に低く、例えば１ｍ／ｓであると二次流れは生成されず、流速が非常に高く圧縮性が支配的になるような流速（マッハ数１程度）では衝撃波が生じて二次流れ生成の確認は困難になる。実験を行った５〜１５ｍ／ｓ程度の流速範囲では流速と二次流れとの比率、パターンが変わらないことが確認される。また渦発生器の粗面と平滑面との境界において二次流れが生じることから、この境界が十分な長さを有すること、すなわち粗面が流れの方向に十分なだけの長さを有することも条件になる。この長さとしては、例えば流れのせん断層の厚さの１０倍以上の長さであることが求められる。流れの方向に関しての粗面の幅は長さほどには問題にならないが、これが小さ過ぎると二次流れが十分に生成しなくなるので、少なくとも流れのせん断層の厚さの数倍程度をとるのがよく、実際には渦発生器の適用物体における寸法との関係で適宜設定すればよい。

渦発生器を適用する物体としては、適用される面が平面状であることには限られず、流れが面に沿うことができるような曲率のものであれば、曲面状のものでもよい。この場合渦発生器の粗面もその適用される面に応じた曲率を有するものになる。粗面を有する渦発生器が適用される面が平面状の代表的なものとしては矩形断面のダクト内面があるが、曲面状になる円形断面の配管の内面であってもよい。物体外面に適用される例として、航空機の翼、風車のブレード、自動車のボディ面等がある。

本発明による粗面を有する渦発生器は壁面に沿った流れにおいて摩擦作用により二次流れを生じ、それにより混合促進がなされる一方で、粗面としては流れにおける圧力損失が抑制される。適用される物体が化学物質製造装置や伝熱機器におけるダクト、配管等である場合、移送される流体の混合促進に寄与するものであり、航空機の翼体や自動車のボディ等の場合には抗力・エネルギー損失を低減させるものとなる。

１０平滑面、平滑な壁面
２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ渦発生器
２１凸条
２２凹溝
３０送風ダクト
３１排出口

Claims

平滑な壁面上に配設され該壁面上に沿った流体の流れの方向に微小な凹凸が一様に分布するように形成された粗面からなる渦発生器であって、前記粗面は凹凸の高低差が壁面上の流れにおけるせん断層の厚さの１／５〜１／１００の範囲のものであり、前記粗面は流れの方向にせん断層の厚さの少なくとも１０倍以上の長さを有していて、前記粗面と前記平滑な壁面との境界において縦渦を生成して壁面からの流れの剥離を抑制するようにしたことを特徴とする壁面上の流れに対する渦発生器。
前記平滑な壁面上において前記粗面からなる複数の渦発生器が流体の流れに略垂直な方向に間隔をおいて配設されていることを特徴とする請求項１に記載の壁面上の流れに対する渦発生器。