JP2013086548A - 境界層制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】移動体のボデー表面において、気流の主流が減速することを抑制する。
【解決手段】境界層制御装置１は、移動体のボデー２の下面３ａにおける気流の境界層と気流の主流とを分離する境界層分離部１１と、境界層分離部１１により分離された境界層と主流との間に、境界層と主流とは状態が異なる流体を噴出する噴出部１２と、を備え、境界層および主流とは状態が異なる流体によって境界層と主流とを確実に分離し、境界層によって減速される主流の割合を低減することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、境界層制御装置に関する。

負の揚力（ダウンフォース）を増大させることにより車体の安定性を高める技術がある。この負の揚力は、車体の下を流れる空気の速度を増加させることによって増加することが知られている。しかし、車体の表面近傍に形成される境界層と呼ばれる速度の小さい層によって車体の下を流れる空気の速度が減少し、負の揚力が減少する。そこで、下記の特許文献１に記載の境界層吸引システムでは、フロア表面付近の境界層を吸引することにより負の揚力を確保している。

特表２００９−５０４４７２号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された境界層吸引システムでは、車体の表面において気流の境界層と気流の主流とを確実に分離することができないため、境界層と主流とが再付着することがある。境界層と主流とが再付着すると、主流が境界層によって減速されて負の揚力が減少し、車体の安定性が損なわれるおそれがある。

そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、移動体のボデー表面において、気流の主流が減速することを抑制できる境界層制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る境界層制御装置は、移動体のボデーの表面における気流の境界層と気流の主流とを分離する境界層分離部と、境界層分離部により分離された境界層と主流との間に、境界層と主流とは状態が異なる流体を噴出する噴出部と、を備えることを特徴とする。

この境界層制御装置においては、移動体のボデーの表面における気流の境界層と主流との間に、境界層と主流とは状態が異なる流体による層を形成することにより、境界層と主流との再付着（合流、混合ともいう。）を抑制できる。その結果、移動体のボデーの表面において、主流の減速を抑制でき、気流による抵抗を低減することが可能となる。例えば車両の下面の表面において、ダウンフォースの減少を抑制することが可能となる。

また、噴出部は、ボデーの表面における気流の境界層と主流との間に、境界層および主流とは、流体速度、流体圧力および流体温度のうち少なくともいずれかが異なる流体を噴出することが好ましい。この場合、ボデーの表面における気流の境界層および主流と流体速度、流体圧力および流体温度のうち少なくともいずれかが異なる流体によって、ボデーの表面における気流の境界層と主流とを分離することができ、境界層と主流との再付着を抑制できる。

また、境界層分離部の後方に設けられ、境界層に含まれる流体を吸引する吸引部をさらに備えてもよく、噴出部は、吸引部によって吸引された流体を境界層と主流との間に噴出することが好ましい。この場合、ボデーの表面における気流の境界層に含まれる流体を循環させることができ、吸引された流体の排気を行う必要性がなくなる。

また、境界層の状態に基づいて、吸引部によって吸引された流体の状態を制御して噴出部に供給する制御部をさらに備えてもよい。また、制御部は、境界層の状態に基づいて、吸引部によって吸引された流体を圧縮することが好ましい。また、制御部は、境界層の状態に基づいて、吸引部によって吸引された流体を加熱することが好ましい。また、制御部は、ボデーの表面における気流の境界層の状態に基づいて、噴出部に流体の噴出方向を変更させることが好ましい。この場合、ボデーの表面における気流の境界層の状態に応じて流体の状態を制御することにより、ボデーの表面における気流の境界層と主流との再付着をさらに抑制できる。

また、境界層分離部は、ボデーの表面に対して一定の距離を隔てて平行に設けられた板材であることが好ましい。この場合、ボデーの表面に設けられた板材によって、ボデーの表面における気流の境界層と主流とを機械的に分離することができる。

また、噴出部は、境界層分離部の後端に設けられていることが好ましい。境界層分離部によってボデーの表面における気流の境界層と主流とが分離されるので、噴出部が境界層分離部の後端部に設けられることにより、ボデーの表面における気流の境界層と主流との間に流体を確実に噴出することができる。

本発明によれば、移動体のボデー表面において、気流の主流が減速することを抑制できる。

本実施形態に係る境界層制御装置の概略構成図である。 図１のボデー下の気流を説明するための図である。 比較例のボデー下の気流を説明するための図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る境界層制御装置の実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態に係る境界層制御装置の概略構成図である。境界層制御装置は、移動体に搭載される装置であって、移動体が移動することにより移動体の周囲に発生する気流を、一様な流体速度を有する主流と、移動体の表面付近に形成され、主流よりも流体速度の小さい境界層とに分離するための装置である。図１に示されるように、境界層制御装置１は、例えば車両のボデー２の下面３ａ（表面）に対して設けられ、境界層分離部１１と、噴出部１２とを備える。なお、以下の説明において、境界層制御装置１の上下、前後、左右とは、ボデー２側を上、路面Ｒ側を下、進行方向ＦＷ側を前、進行方向ＦＷと逆側を後としたときの方位を意味するものとする。

境界層分離部１１は、移動体の周囲に発生する気流を境界層と主流とに分離するための構造を有している。具体的に説明すると、境界層分離部１１は、例えば、下面３ａに対して平行に配置された境界層分離板１１ａと、境界層分離板１１ａを下面３ａに取り付けるための一対の支持部材１１ｂ，１１ｂとを備えている。境界層分離板１１ａは、例えば、下面３ａの左右方向に延びる中空の板材であって、下面３ａにおける気流の境界層と主流（以下、単に「境界層」、「主流」ともいう。）との境界付近に位置するよう下面３ａから所定の距離を隔てて設けられている。支持部材１１ｂ，１１ｂは、管状の部材であって、境界層分離板１１ａの左右方向の両端部と下面３ａとを接続している。ここで、下面３ａに対して平行とは、境界層分離板１１ａが境界層と主流とを機械的に分離でき、かつ、移動体の周囲に発生する気流による抵抗をほとんど受けない程度に略平行であることを含む。

噴出部１２は、境界層分離部１１によって分離された境界層と主流との間に、境界層と主流とは状態が異なる流体を噴出する。噴出部１２から噴出される流体は、例えば、流体速度、流体温度、噴出時の流体圧力のうちの少なくともいずれかが境界層および主流とは異なる。また、噴出部１２は、例えば、境界層分離板１１ａの後端に設けられる。この場合、噴出部１２は、境界層分離板１１ａの後端に左右方向に沿って設けられた複数のスリット１２ａを有し、これらの複数のスリット１２ａから流体を噴出する。この噴出部１２によって噴出される流体は、境界層および主流とは異なる状態を有するため、この流体によって境界層と主流との間に流体層が形成される。

噴出部１２から噴出される流体は、移動体の周囲に発生する気流の境界層および主流よりも高いエネルギーを有するのが好ましい。このように、境界層および主流よりも高いエネルギーを有する流体が境界層および主流との間に噴出されることにより、高いエネルギーを有する流体層が形成される。そして、この流体層がエアーカーテンとして機能することにより、境界層と主流とが再付着するのを抑制する。ここで、エネルギーは、運動エネルギー（速度）の他、温度又は圧力などによる内部エネルギーであってもよい。このような内部エネルギーは、いずれ運動エネルギーに変換されるので、境界層および主流の内部エネルギーよりも高い内部エネルギーを有する流体は、境界層および主流の運動エネルギーよりも高い運動エネルギーを有する流体と同様に機能する。

境界層制御装置１は、さらに吸引部１３と、流路部１４と、制御部１５とを備えてもよい。

吸引部１３は、境界層分離部１１の後方において下面３ａに設けられ、境界層に含まれる流体を吸引する。この吸引部１３は、前後方向において、噴出部１２によって噴出された流体が境界層および主流などによってその状態を変化させられ、境界層と主流との再付着の抑制力が低下し始める位置に設けられるのが好ましい。また、吸引部１３は、下面３ａの左右方向に延在し、複数の吸引孔１３ａが設けられている。吸引部１３は、これらの複数の吸引孔１３ａを介して下面３ａ付近の流体をボデー２の内部に吸引する。流路部１４は、吸引部１３によって吸引された流体を制御部１５に導出する経路であって、例えばダクトにより構成される。

制御部１５は、境界層の状態に基づいて、流路部１４によって導出された流体の状態を制御する。制御部１５は、例えば、送風圧縮機および加熱器などを有する。そして、制御部１５は、下面３ａ付近の境界層の状態に応じて、例えば、流路部１４によって導出された流体を送風圧縮機によって圧縮して、下面３ａ付近の境界層および主流の流体圧力よりも高い圧力とする。また、制御部１５は、下面３ａ付近の境界層の状態に応じて、例えば、流路部１４によって導出された流体を加熱器によって加熱して、下面３ａ付近の境界層および主流の流体温度よりも高い温度とする。

そして、制御部１５は、制御された流体を下面３ａに設けられた一対の支持部材１１ｂ，１１ｂを介して境界層分離板１１ａに供給し、境界層分離板１１ａの後端に設けられた噴出部１２によって噴出させる。なお、下面３ａ付近の境界層および主流の流体速度、流体温度、流体圧力などの各種状態は、不図示のセンサなどによって検知・検出され、又は、移動体の移動速度等に基づいて推測される。

このように構成された境界層制御装置１では、車両が進行方向ＦＷに移動することにより、主流と境界層とが連続的に繋がった状態の気流が前方から境界層分離部１１に流入する。そして、境界層分離部１１によって主流と境界層とに機械的に分離され、分離された主流と境界層とがそれぞれ境界層分離部１１の後方に流出される。次に、分離された境界層と主流との間に、境界層分離部１１の後端に設けられた噴出部１２により、境界層と主流とは状態が異なる流体が噴出される。

また、分離された境界層に含まれる流体が下面３ａの後方に設けられた吸引部１３によって吸引され、流路部１４を介して制御部１５に導出される。続いて、制御部１５に導出された流体は、制御部１５において加圧、加熱などの制御がなされて、一対の支持部材１１ｂ，１１ｂを介して境界層分離板１１ａに供給される。そして、境界層分離板１１ａに供給された流体は、噴出部１２のスリット１２ａから噴出される。以上のように、境界層制御装置１では、境界層に含まれる流体が循環利用されている。

次に、図２および図３を参照して、境界層制御装置１の作用効果を説明する。図２は、境界層制御装置１を搭載した車両のボデー２の下面３ａの下の気流を説明するための図である。図３は、境界層制御装置１を搭載していない車両のボデー下面の下の気流を説明するための図である。図２および図３において、横軸は、下面の前端の位置を０として、車両の前後方向の位置を示している。また、縦軸は、下面の高さを０として、下面からの上下方向の距離を示している。

図３に示されるように、従来の車両では、その下面の下の気流は、下面近傍に形成された境界層と、下面から一定の距離以上離れた位置に形成された主流とが連続的に繋がってなる。この境界層は、粘性により車両に引きずられて速度が小さく、下面から離れるに従って粘性の影響が小さくなるため速度が大きくなる。一方、主流は、粘性の影響をほとんど受けないため、速度が車速と略同じである。しかし、従来の車両では、境界層と主流とが確実に分離されていないため、主流は後方ほど境界層に付着しやすくなり、主流は境界層によって減速されてしまう。このように、主流が境界層によって減速されると、負の揚力が減少し、車体の安定性が損なわれるおそれがある。

また、従来の車両では、主流と境界層とは連続的に繋がっているため、境界層を吸引するだけでは境界層と主流とが確実に分離されず、主流は粘性による影響を受ける。さらに、気流には再付着する性質があり、主流はボデー（下面）へ再付着する。このため、境界層を十分に吸引するためには、広い面積又は長い距離の吸引部が必要となる。

一方、図２に示されるように、境界層制御装置１を搭載した車両では、ボデー２の下面３ａの下の気流は、下面３ａの前端から位置Ｐ１までは、従来の車両と同様に、下面３ａ近傍に形成された境界層と、下面３ａから一定の距離以上離れた位置に形成された主流とが連続的に繋がっている。しかし、境界層制御装置１では、前後方向の位置Ｐ１から位置Ｐ２に亘って、上下方向の下面３ａから距離Ｄ１隔てた位置に境界層分離部１１が設けられている。このため、下面３ａの下の気流は、この境界層分離部１１によって、下面３ａ側の境界層と、路面Ｒ側の主流とに機械的に分離される。

そして、前後方向の位置Ｐ２において、境界層分離部１１により分離された境界層と主流との間に、境界層と主流とは状態が異なる流体が噴出部１２によって噴出される。この噴出された流体によって、位置Ｐ２から後方に流体層が形成され、この流体層がエアーカーテンとして機能する。すなわち、境界層および主流とは状態の異なる流体が境界層と主流との間に噴出されることによって、境界層と主流との再付着を抑制できる。その結果、下面３ａにおいて、主流の減速を抑制でき、主流の速度は、下面３ａの後端まで車速と略同じ速度を維持される。

さらに、境界層制御装置１は、前後方向の位置Ｐ３から位置Ｐ４に亘って、左右方向に延びる吸引部１３を備える。位置Ｐ３は、噴出部１２によって噴出された流体が境界層および主流などによってその状態を変化させられ、境界層と主流との再付着の抑制力が低下し始める位置である。この吸引部１３によって、位置Ｐ３より後方の境界層に含まれる流体が吸引される。このため、位置Ｐ３より後方において、境界層によって主流が減速されることを抑制できる。すなわち、境界層制御装置１は、まず境界層分離部１１によって境界層と主流とを機械的に分離し、その後方において、噴出された流体のエアーカーテンにより境界層と主流との分離を維持し、さらにその後方において、吸引部１３によって境界層を吸引することにより、主流が境界層に付着して減速されるのを抑制している。

このように、境界層制御装置１は、下面３ａの前端から後端までの広い範囲にわたり、主流と境界層とを分離し、境界層に引きずられ減速される主流の割合を低減している。その結果、下面３ａの下において、負の揚力の減少を抑制でき、車体の安定性の向上が可能となる。例えば、路面Ｒの凹凸による車両の振動および急操舵時のロールなどが低減される。

また、従来の車両では、下面の下の気流は、ベンチュリ効果で減圧されている。したがって、境界層に含まれる流体を吸引するには、その流体圧力よりもさらに減圧する必要があるため、大きな駆動力を必要とする。これに対し、境界層制御装置１が搭載された車両では、速度の大きい主流から分離された境界層は、その流速がさらに低下するので、境界層の圧力が回復する（負圧が弱められる）。このため、境界層に含まれる流体を吸引するのに必要な駆動力を低減できる。

また、境界層制御装置１では、吸引部１３によって吸引した流体を、噴出部１２によって噴出される流体として使用することにより、吸引部１３によって吸引した流体を排気するための配管が不要となる。

また、境界層制御装置１は、制御部１５によって噴出部１２から噴出される流体の状態を制御することができる。例えば、制御部１５は、境界層および主流の流速よりも高い速度の流体を噴出部１２から噴出させてもよい。この場合、境界層および主流の流速よりも高速の流体によって境界層と主流との間に流体層が形成される。この流体層によって、境界層および主流が再付着しようとする流れを分断することができ、境界層と主流とを分離することができる。

また、制御部１５は、送風圧縮機１５１によって流体を圧縮して、境界層および主流よりも高圧の流体を噴出部１２に供給してもよい。この場合、流体を圧縮することにより、流体の流速を高めることができる。そして、境界層および主流の流速よりも高速かつ高圧の流体によって境界層と主流との間に流体層が形成される。この流体層は、境界層および主流よりも高圧であるから、流体層から境界層および主流に向かう方向に流れが生じる。このため、境界層と主流とを分離することができる。

また、制御部１５は、加熱器１５２によって流体を加熱して、境界層および主流よりも高温の流体を噴出部１２に供給してもよい。一般に、高温の流体は上に層を形成し、低温の流体は下に層を形成する。したがって、加熱などにより暖められた流体は下面３ａ付近に層を形成し、主流は路面Ｒ側に層を形成する。このため、高温の流体による流体層によって、境界層又は下面３ａと主流とを分離することができる。さらに、暖められた流体は、下面３ａ付近に集まるため、吸引部１３によって吸引され、再利用される。この場合、既に加熱された流体を加熱器１５２によって再度加熱することになるので、常温の流体を加熱する場合と比較して、境界層および主流の流体温度より高温の流体を得るのに要する電力を低減できる。

なお、本発明に係る境界層制御装置は本実施形態に記載したものに限定されない。例えば、境界層制御装置１は、車両に限らず、飛行機などの種々の移動体に搭載することができる。また、境界層制御装置１は、移動体のボデーの下面に限らず、移動体のボデーの表面に設けることができる。移動体のボデー表面における気流の境界層では、粘性によるせん断力が移動体に対する気流の抵抗の原因となり、移動体が減速される。このため、移動体のボデー表面において、気流を境界層と主流とに分離することにより、主流の減速を抑制でき、気流による抵抗を低減することが可能となる。その結果、燃費等を改善できる。

また、噴出部１２は、境界層分離部１１によって分離された主流と下面３ａとの間に状態の異なる気流を噴出してもよい。あるいは、噴出部１２は、境界層分離部１１によって分離された主流と境界層制御装置１が搭載されたボデーとの間に状態の異なる気流を噴出してもよい。この場合、境界層分離部１１によって分離された主流が、ボデー（下面）に再付着することを抑制でき、ボデーに引きずられて減速される主流の割合を低減できる。

また、制御部１５は、境界層の状態に応じて、噴出部１２に流体の噴出方向を変更させるように制御してもよい。具体的には、制御部１５は、移動体の移動速度が低い場合には、ボデー２側（境界層）に流体を噴出させるように噴出部１２を制御し、移動速度が高くなるに従い、ボデー２の表面に対して徐々に平行に流体を噴出させるように噴出部１２を制御してもよい。例えば、噴出部１２を樹脂製とし、噴出部１２を弾性変形させることによって、流体の噴出方向を制御してもよい。このようにすることで、移動体の移動速度が低い場合には、噴出される流体の速度が十分大きいので、直接境界層に噴出することにより、境界層の速度を上げることができる。一方、移動体の移動速度が高い場合には、移動体のボデーの表面に対して平行に流体を噴出することにより、気流を境界層と主流とに分離することができる。また、制御部１５は、例えば加圧、加熱、噴出方向の変更などの流体の制御をいずれか一つだけ行ってもよく、複数の制御を組み合わせて行ってもよい。

１…境界層制御装置、２…ボデー、３ａ…下面（表面）、１１…境界層分離部、１１ａ…境界層分離板、１２…噴出部、１３…吸引部、１５…制御部。

Claims (9)

1. 移動体のボデーの表面における気流の境界層と前記気流の主流とを分離する境界層分離部と、
   前記境界層分離部により分離された前記境界層と前記主流との間に、前記境界層および前記主流とは状態が異なる流体を噴出する噴出部と、
   を備える境界層制御装置。
2. 前記噴出部は、前記境界層と前記主流との間に、前記境界層および前記主流とは、流体速度、流体圧力および流体温度のうち少なくともいずれかが異なる流体を噴出する、
   請求項１に記載の境界層制御装置。
3. 前記境界層分離部の後方に設けられ、前記境界層に含まれる流体を吸引する吸引部をさらに備え、
   前記噴出部は、前記吸引部によって吸引された前記流体を前記境界層と前記主流との間に噴出する、
   請求項１又は請求項２に記載の境界層制御装置。
4. 前記境界層の状態に基づいて、前記吸引部によって吸引された前記流体の状態を制御して前記噴出部に供給する制御部をさらに備える、
   請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の境界層制御装置。
5. 前記制御部は、前記境界層の状態に基づいて、前記吸引部によって吸引された前記流体を圧縮する、
   請求項４に記載の境界層制御装置。
6. 前記制御部は、前記境界層の状態に基づいて、前記吸引部によって吸引された前記流体を加熱する、
   請求項４又は請求項５に記載の境界層制御装置。
7. 前記制御部は、前記境界層の状態に基づいて、前記噴出部に流体の噴出方向を変更させる、
   請求項４〜請求項６のいずれか一項に記載の境界層制御装置。
8. 前記境界層分離部は、前記ボデーの表面に対して一定の距離を隔てて平行に設けられた板材である、
   請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の境界層制御装置。
9. 前記噴出部は、前記境界層分離部の後端に設けられている、
   請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の境界層制御装置。

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