JP2018151059A - 乱流摩擦抵抗低減装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高頻度のメンテナンスを必要とせず、複雑な制御系を必要としない乱流摩擦抵抗低減装置を提供する。【解決手段】乱流摩擦抵抗低減装置１０は、流体Ｌとの相対運動が行われる物体１２に設けられ、流体Ｌに接し、かつ流体Ｌの主流方向Ｆに対して斜め方向に温度変化を与えられる壁面１４を有している。【選択図】図１

Description

本発明は、乱流摩擦抵抗低減装置に関する。

特許文献１に記載の乱流摩擦抵抗低減表面は、主流方向にジグザグ又は曲線状に配列された細かい溝であるリブレットを有している。ここで、ジグザグ又は曲線状に配列されたリブレット表面では、壁近傍の乱流構造はリブレットの溝に沿って左右に進行方向を周期的に変えつつ流動する一方、主流は直進する流れ構造が生みだされる。そのため、主流と壁面の近傍流れの間に振動面と類似した流れ構造が生じ、振動面と同様に乱流摩擦抵抗の低減効果が生み出される。

特許文献２に記載の壁乱流フィードバック制御システムは、４列１９２個のマイクロ熱膜せん断応力センサと３列４８個の電磁型壁面変形アクチュエータよりなる。ここで、１つのアクチュエータの動作はその上流側のセンサで得られたせん断応力に基づく。この壁乱流フィードバック制御システムによれば、風洞実験において約６％の乱流摩擦抵抗の低減効果が確認されている。

特開２００２−２６６８１６号公報

吉野崇、ほか２名、「マイクロセンサ・アクチュエータ群を用いた壁乱流フィードバック制御システムの構築と評価」、日本機械学会論文集（Ｂ編）、７２巻７１５号（２００６−３）、論文 Ｎｏ．０５−０７８２

ここで特許文献１に記載の乱流摩擦抵抗低減表面は、壁面上に微小な溝を形成しているため、使用の継続に伴い粒子等物質が溝に詰まると、乱流摩擦抵抗に対する低減効果が失われていく。そのため、低減効果の維持には高頻度の清浄が必須であり、メンテナンスを要する。また、外部からのエネルギー投入を必要としないパッシブな方法である為、乱流摩擦抵抗の低減効果は最新の研究でも数％に留まる。

また、特許文献２に記載の壁乱流フィードバック制御システムは、マイクロ熱膜せん断応力センサ、電磁型壁面変形アクチュエータ、及びそれらを駆動するＤＳＰ(Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ)制御システムが必要となる。そのため、システムとしては大変複雑になる。

上記の事実に鑑み、本発明では、高頻度のメンテナンスを必要とせず、複雑な制御系を必要としない乱流摩擦抵抗低減装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係る乱流摩擦抵抗低減装置は、流体との相対運動が行われる物体に設けられ、前記流体に接し、かつ前記流体の主流方向に対して斜め方向に温度変化を与えられる壁面を備えるものである。

上記乱流摩擦抵抗低減装置は、流体との相対運動が行われる物体に設けられている。ここで、「流体との相対運動が行われる物体」とは、例えば、流体を輸送するための配管、具体的には水道管や石油や天然ガスのパイプラインなどが挙げられる。また、内燃機関の燃焼室や、排気管などが挙げられる。さらに、「流体との相対運動が行われる物体」とは、例えば、流体中を移動する移動体、具体的には水上を移動する船舶や、大気中を移動する航空機などが挙げられる。

そして、上記乱流摩擦抵抗低減装置では、流体と接する壁面において流体が流れる主流方向に対して斜め方向に温度変化を与えることで、主流を横断する方向の流れが誘起される。この流れが物体の壁面近傍に生ずる縦渦の発生や成長を抑制させる。これにより乱流摩擦抵抗が低減される。

本発明の請求項２に係る乱流摩擦抵抗低減装置は、前記壁面の温度を変化させる温度変化手段と、前記壁面において前記温度変化手段により前記斜め方向に交互に形成された高温領域と低温領域とが前記主流方向に沿って進行するように制御される制御部と、を備えている。

上記乱流摩擦抵抗低減装置は、壁面の温度を変化させる温度変化手段を設けたものである。この温度変化手段は、主流方向に対して斜め方向に帯状の高温領域と帯状の低温領域とを交互に形成する。すなわち、壁面上には高温領域と低温領域による縞状の波が形成される。また制御部により、縞状の波は斜め方向の状態を維持したまま主流方向に沿って進行する、すなわち斜行するように制御される。ここで、「温度変化手段」は、壁面を加熱する発熱素子に限らず、壁面を冷却可能な吸熱機能を有する素子であってもよい。また、高温領域及び低温領域は、相対的な温度差が生じていればよく、高温領域は必ずしも流体の温度よりも高く、或いは低温領域は必ずしも流体の温度よりも低い必要はない。例えば、低温領域が流体の温度より高い場合は、高温領域は低温領域よりさらに温度が高ければよい。また例えば、高温領域が流体の温度よりも低い場合は、低温領域は高温領域よりさらに温度が低ければよい。

上記乱流摩擦抵抗低減装置の壁面では、流体が流れる主流の主流方向に対して斜め方向に高温領域と低温領域とを交互に設け、この高温領域及び低温領域による縞状の波を主流方向に沿って斜行させるように制御することで、主流を横断する方向の流れが誘起される。この流れが物体の壁面近傍に生ずる縦渦の発生や成長を抑制させる。これにより乱流摩擦抵抗が低減される。

本発明の請求項３に係る乱流摩擦抵抗低減装置では、前記壁面は、前記斜め方向に交互に形成された第一遮熱膜と、前記第一遮熱膜とは遮熱性能の異なる第二遮熱膜と、前記第一遮熱膜及び前記第二遮熱膜を前記斜め方向と直交する方向に振動させる駆動部と、で構成されており、前記第一遮熱膜及び前記第二遮熱膜により高温領域及び低温領域が形成されている。

上記乱流摩擦抵抗低減装置では、壁面の表面において流体の主流方向に対して斜め方向に第一遮熱膜と第二遮熱膜とを交互に設け、この第一遮熱膜及び第二遮熱膜を斜め方向と直交する方向に振動させるものである。第一遮熱膜及び第二遮熱膜は遮熱性能が異なるため、壁面におけるある点では、高温領域と低温領域とが交互に出現して主流を横断する方向の流れが誘起される。この流れが物体の壁面近傍に生ずる縦渦の発生や成長を抑制させる。これにより乱流摩擦抵抗が低減される。

本発明の請求項４に係る乱流摩擦抵抗低減装置では、前記壁面は、内燃機関の燃焼室内部に面している。

上記乱流摩擦抵抗低減装置の壁面は、内燃機関の燃焼室における、シリンダの内壁面やピストンの上壁面に適用することができる。上記乱流摩擦抵抗低減装置によれば、内燃機関の熱効率を向上させることができる。

本発明の請求項５に係る乱流摩擦抵抗低減装置では、前記壁面は、前記第一遮熱膜及び前記第二遮熱膜よりも薄い薄膜に覆われている。

上記乱流摩擦抵抗低減装置によれば、壁面において、第一遮熱膜及び第二遮熱膜を薄膜で覆うことにより、第一遮熱膜及び第二遮熱膜の振動に伴う流体の変動を抑制し、乱流摩擦抵抗がさらに低減される。

本発明の請求項６に係る乱流摩擦抵抗低減装置では、前記高温領域及び前記低温領域が延伸する方向と前記主流方向とのなす角度は１１度より大きい。

ここで、「１１度」という角度は、壁乱流に特有な縦渦の平均直径及び代表的な長さから求めた縦渦の対角方向と主流方向との角度である。上記乱流摩擦抵抗低減装置によれば、壁面近傍に生成された縦渦と交差する方向に沿って生じた帯状の温度領域において、温度を振動させることができる。そして、温度の振動により、生成された縦渦を断ち切ることができ、乱流摩擦抵抗が低減される。

本発明の請求項７に係る乱流摩擦抵抗低減装置では、前記流体に対する壁面せん断応力をτ_Ｗ〔ｋｇ／（ｍ・ｓ^２）〕とし、密度をρ〔ｋｇ／ｍ^３〕とし、動粘性係数をν〔ｍ^２／ｓ〕とすると、次式で示される摩擦速度ｕ_τを用いた場合、前記高温領域及び前記低温領域の前記主流方向に対する横断方向の間隔は３１×ν／ｕ_τ〔ｍ〕であり、前記主流方向の間隔は８９×ν／ｕ_τ〔ｍ〕である。

上記乱流摩擦抵抗低減装置によれば、物体の壁面近傍に主流を横断する方向の流れを形成することができる。また壁面近傍に縦渦が生成される場合でも縦渦と交差する方向に沿って壁面に形成された帯状の温度領域において、温度の振動を与えることができ、この温度の振動により、縦渦を断ち切ることができる。すなわち、壁面近傍に生ずる縦渦の発生や成長を抑制させることができ、乱流摩擦抵抗が低減される。

本発明の請求項８に係る乱流摩擦抵抗低減装置では、前記高温領域及び前記低温領域の前記主流方向への進行速度は１４．８×ｕ_τ〔ｍ／ｓ〕である。

上記乱流摩擦抵抗低減装置によれば、周期的な温度の振動を加えることができる。すなわち、継続して壁面近傍に生ずる縦渦の発生や成長を抑制させることができ、乱流摩擦抵抗は低減される。

本発明によれば、高頻度のメンテナンスを必要とせず、複雑な制御系を必要としない乱流摩擦抵抗低減装置を提供することができる。

第１の実施形態に係る乱流摩擦抵抗低減装置を示した概略構成図である。 第１の実施形態に係る乱流摩擦抵抗低減装置の壁面を示した平面図である。 第１の実施形態に係る乱流摩擦抵抗低減装置の壁面において壁面温度制御を作動させた状態を示した平面図である。 第１の実施形態に係る乱流摩擦抵抗低減装置における発熱素子の温度変化をグラフで示した図面である。 第１の実施形態に係る乱流摩擦抵抗低減装置において壁面温度制御の有無による摩擦係数の違いをグラフで示した図面である。 第１の実施形態に係る乱流摩擦抵抗低減装置において（Ａ）壁面温度制御無しの場合における速度ベクトル分布、及び（Ｂ）壁面温度制御有りの場合における速度ベクトル分布をグラフで示した図面である。 第１の実施形態の変形例１に係る乱流摩擦抵抗低減装置の壁面を示した平面図である。 第１の実施形態の変形例２に係る乱流摩擦抵抗低減装置の壁面を示した平面図である。 第２の実施形態に係る乱流摩擦抵抗低減装置の壁面の状態を示した（Ａ）平面図及び、（Ｂ）断面図（（Ａ）のＸ−Ｘ断面図）である。 第３の実施形態に係る乱流摩擦抵抗低減装置の壁面の状態を示した（Ａ）平面図及び、（Ｂ）断面図（（Ａ）のＹ−Ｙ断面図）である。

［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る乱流摩擦抵抗低減装置について図１〜図３を用いて説明する。

乱流摩擦抵抗低減装置１０は、図１に示されるように、流体Ｌとの相対運動が行われる物体１２において、流体Ｌと接する壁面１４を備えている。具体的に、乱流摩擦抵抗低減装置１０では、物体１２に沿って流路１６が形成されており、この流路１６の内部を流体Ｌが流れる。

図１は、流体Ｌが流れる流路１６における一部の領域を図示したものである。本実施形態の乱流摩擦抵抗低減装置１０は、少なくとも流路１６の下面に壁面１４が設けられている。この壁面１４は、流体Ｌの流れる主流方向Ｆに対して斜め方向に温度変化を与えることが可能とされている。

図２に壁面１４の平面図を示す。図２に示されるように、本実施形態の壁面１４には、その表面又は表面の直下に温度変化手段としての複数の発熱素子２０が格子状に配置されている。ここで、発熱素子２０としては、例えば、ＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）素子などを使用することができる。この発熱素子２０は、壁面１４に対して温度変化を与えることが可能である。具体的に発熱素子２０は、図３に示されるように、流体Ｌの主流方向Ｆに対して斜め方向に一定の幅を有する帯状の高温領域１４Ｈと帯状の低温領域１４Ｌとを交互に形成する。すなわち、発熱素子２０は、壁面１４上に高温領域１４Ｈと低温領域１４Ｌによる縞状の波を形成する。なお、図３では発熱素子２０の一部を省略して図示している。ここで、図２に示されるように、壁面１４には、温度を制御するための制御部３０が接続されている。図では省略されているが、制御部３０は各発熱素子２０に対してそれぞれ電気的に接続されており、発熱素子２０毎に発熱させることが可能である。

そして、制御部３０は、壁面１４において、発熱素子２０により斜め方向に交互に形成された高温領域１４Ｈと低温領域１４Ｌとが主流方向Ｆに沿って進行するように変化させる壁面温度制御を実行可能に形成されている。壁面温度制御では、各発熱素子２０において周期的にオンとオフを切り替えることにより、壁面１４における高温領域１４Ｈ及び低温領域１４Ｌの配列を維持したまま主流方向Ｆに沿って移動させる。すなわち、本実施形態の乱流摩擦抵抗低減装置１０は、壁面１４上に形成した高温領域１４Ｈと低温領域１４Ｌによる縞状の波を斜行させる。

図４に壁面１４に配置された発熱素子２０の内、１の発熱素子２０Ａ（図３参照）が配置された壁面上における温度の経時変化を示す。なお、図４における横軸は、後述する単位粘性時間当たりの時間であって、無次元の値である（図５に同じ）。本実施形態の壁面温度制御では、各発熱素子２０において周期的にオンとオフを切り替えることにより、壁面１４の温度が４４０Ｋ〜７３０Ｋの範囲で正弦波を示すように変化させる。すなわち、壁面１４では、平均温度（５８５Ｋ付近）を境に高温側に発熱されている（５８５Ｋ〜７３０Ｋの範囲にある）壁面１４は高温領域１４Ｈを構成する。また、平均温度（５８５Ｋ付近）を境に低温側に発熱されている（４４０Ｋ〜５８５Ｋの範囲にある）壁面１４は低温領域１４Ｌを構成する。

なお、高温領域１４Ｈ及び低温領域１４Ｌは、相対的な温度差が生じていればよく、高温領域１４Ｈは必ずしも流体Ｌの温度よりも高く、或いは低温領域１４Ｌは必ずしも流体Ｌの温度よりも低い必要はない。例えば、低温領域１４Ｌが流体Ｌの温度より高い場合は、高温領域１４Ｈは低温領域１４Ｌよりさらに温度が高ければよい。また例えば、高温領域１４Ｈが流体Ｌの温度よりも低い場合は、低温領域１４Ｌは高温領域１４Ｈよりさらに温度が低ければよい。

次に、高温領域１４Ｈ及び低温領域１４Ｌによる縞状の波のスケールについて説明する。本実施形態では、フィードバック制御を行った場合のシミュレーション結果を基に乱流摩擦抵抗が最も低減される縞状の波の最適値を求めている。縞状の波のスケールは、壁乱流を特徴づける物理量である摩擦速度ｕ_τ〔ｍ／ｓ〕、粘性長さν／ｕ_τ〔ｍ〕、並びに、摩擦速度及び粘性長さから算出される粘性時間ν／（ｕ_τ）^２〔ｓ〕で表すこととする。ここで、ν〔ｍ^２／ｓ〕は動粘性係数であり、壁面せん断応力をτ_Ｗ〔ｋｇ／（ｍ・ｓ^２）〕とし、密度をρ〔ｋｇ／ｍ^３〕とすると、摩擦速度ｕ_τは次式で得ることができる。

次に、本実施形態の高温領域１４Ｈ及び低温領域１４Ｌによる縞状の波のスケールを上述した物理量で表すと次のようになる。なお、高温領域１４Ｈ及び低温領域１４Ｌは同じ幅で配置されると共に、同じ間隔で交互に配置されている。そのため、高温領域１４Ｈのスケールについて説明することとし、低温領域１４Ｌのスケールについては割愛する。

すなわち、図３に示されるように、主流方向Ｆに対する横断方向Ｃの間隔ｓは３１ν／ｕ_τ〔ｍ〕である。また、主流方向Ｆの間隔ｌは８９ν／ｕ_τ〔ｍ〕である。さらに、間隔ｓ及び間隔ｌから高温領域１４Ｈ及び低温領域１４Ｌが延伸する方向と主流方向Ｆとのなす角度θを算出すると２０度となる。

一方、図４における壁面１４の温度変化を参照すると、壁面温度制御では、発熱素子２０の作動周期は６ν／（ｕ_τ）^２〔ｓ〕である。これは、壁面近傍に見られる縦渦の生成−散逸に要するタイムスケールの約１割に相当する。なお、主流方向Ｆの間隔ｌ及び作動周期より高温領域１４Ｈ及び低温領域１４Ｌの主流方向Ｆへの進行速度を求めると１４．８×ｕ_τ〔ｍ／ｓ〕となる。すなわち、壁面温度制御では、高温領域１４Ｈ及び低温領域１４Ｌによる縞状の波が１４．８×ｕ_τ〔ｍ／ｓ〕の速度で主流方向Ｆに斜行するように制御される。

なお、壁乱流に係る物理量に基づいて壁乱流に特有な縦渦のスケールを示すと、縦渦の平均直径は３０ν／ｕ_τ〔ｍ〕とされ、縦渦の代表的な長さは１５０ν／ｕ_τ〔ｍ〕とされている（特許文献２Ｆｉｇ．１参照）。この縦渦の平均直径及び代表的な長さから縦渦の対角方向と主流方向Ｆとの角度を求めると１１度となる。この縦渦のスケールと高温領域１４Ｈ及び低温領域１４Ｌによる縞状の波のスケールとを対比すると次のようになる。すなわち、主流方向Ｆに対する横断方向Ｃの間隔ｓは、縦渦の平均直径に近似する値である。また、主流方向Ｆの間隔ｌは、縦渦の代表的な長さよりも短い値である。そして、高温領域１４Ｈ及び低温領域１４Ｌが延伸する方向と主流方向Ｆとのなす角度θは、縦渦の対角方向と主流方向Ｆとの角度よりも大きい。

（作用効果）
以上のように構成される本実施形態の乱流摩擦抵抗低減装置１０は以下の作用を有している。

図３に示されるように、壁面１４において流体Ｌが流れる主流方向Ｆに対する斜め方向、詳しくは、高温領域１４Ｈ及び低温領域１４Ｌが延伸する方向と直交する方向に温度変化を与えることで、主流を横断する方向に流れが誘起される。具体的には、制御部３０による壁面温度制御により、主流方向Ｆに対して斜め方向に高温領域１４Ｈと低温領域１４Ｌとを交互に設けて縞状の波を形成すると共に、この縞状の波を主流方向Ｆに沿って斜行させることで、主流を横断する方向の流れが誘起される。この流れが壁面１４近傍に生ずる縦渦の発生や成長を抑制させることで乱流摩擦抵抗が低減される。

また、本実施形態では、高温領域１４Ｈ及び低温領域１４Ｌが延伸する方向と主流方向Ｆとのなす角度θを縦渦の対角方向と主流方向Ｆとの角度である１１度よりも大きい２０度になるように設定した。これは壁面１４近傍に生成された縦渦と交差する方向に沿って帯状の温度領域が生じることを意味している。そして、縦渦に対して交差する方向に沿って生じた帯状の温度領域において、温度の振動を繰り返し与えることができる。この温度の振動により生成された縦渦を断ち切ることができる。すなわち、縦渦を消滅させることで乱流摩擦抵抗が低減される。

次に、本実施形態の乱流摩擦抵抗低減装置１０の効果を検証した。

図５に摩擦係数の経時変化の一例を示す。縦軸は乱流摩擦の大きさを表す摩擦係数であり、横軸は無次元化された時間である。破線ｐは壁面温度制御無しの場合、実線ｑは壁面温度制御有りの場合の摩擦係数のグラフを示している。図示のように、壁面温度制御有りの場合の摩擦係数は壁面温度制御無しの場合の摩擦係数に比べて大きく減少している。例えば、壁面温度制御有りの場合、時間の経過と共に摩擦係数が下降する時間帯がある。これは生成された縦渦が、縦渦に対して交差する方向に沿って生じた帯状の温度領域の温度の振動により断ち切られて消滅したことによるものと推察される。一方、時間の経過と共に摩擦係数が上昇する時間帯があるが、摩擦係数が上昇してもその値は、壁面温度制御無しの場合よりも低く抑えられている。すなわち、壁面温度制御有りの場合の摩擦係数は、全般的に壁面温度制御無しの場合に比べて低く抑えられており、その低減率は約２割である。これは、主流の横断方向Ｃに誘起された流れが壁面１４近傍に生ずる縦渦の発生や成長を抑制させたことによる効果である。

摩擦係数が低減される機構について補足説明する。図６（Ａ）は、本実施形態の乱流摩擦抵抗低減装置１０における部分断面（図１のａ−ｂ−ｃ−ｄ断面）を主流方向Ｆから見たときの速度ベクトルである。図６（Ａ）は壁面温度制御無しの場合、（Ｂ）は壁面温度制御有りの場合を示す。図６（Ａ）及び（Ｂ）の下端は壁面１４である。

まず、図６（Ａ）に示されるように、壁面温度制御無しの場合には、壁面１４の近傍に環状の流れ、すなわち、縦渦が複数存在している（丸枠Ｒ参照）。これは壁乱流に見られる典型的な特徴である。一方、図６（Ｂ）の壁面温度制御有りの場合には壁面１４近傍の縦渦は観察されず、楕円枠Ｓに示されるように主流方向Ｆに対して横断方向Ｃ(ａ−ｂ方向)の流れが発生している。この流れは壁面１４における温度の振動に起因する流体Ｌの圧縮／膨張運動に伴うものである。

ここで、壁面１４近傍の縦渦は流体Ｌの外層の運動量を壁面１４近傍に輸送する働きを担っている。すなわち、縦渦が生ずることにより、外層の運動量が壁面１４側に奪われることで、摩擦抵抗となる。これに対し、壁面温度制御を作動させた場合、主流の横断方向Ｃ(ａ−ｂ方向)の流れにより縦渦の生成が抑制される。すなわち、外層の運動量が壁面１４近傍に輸送されなくなり、その結果、摩擦係数は低減される。

以上、本実施形態の乱流摩擦抵抗低減装置１０によれば、制御部３０が壁面１４に対して壁面温度制御を行うことで、壁面１４上に高温領域１４Ｈと低温領域１４Ｌによる縞状の波を形成する。そして、縞状の波が斜行することにより、第１の作用として、壁面１４近傍において主流に対する横断方向Ｃの流れが誘起され、縦渦の発生や成長が抑制される。また、第２の作用として、縞状の波の帯状の温度領域において温度の振動により、生成された縦渦は断ち切られる、つまり消滅される。このように、本実施形態では、乱流摩擦抵抗の原因となる縦渦の発生及び成長の抑制、並びに発生した縦渦の消滅により乱流摩擦抵抗は低減される。

また、本実施形態の壁面温度制御では、縞状の波のスケールが、主流方向Ｆに対する横断方向Ｃの間隔ｓを３１ν／ｕ_τ〔ｍ〕に、主流方向Ｆの間隔ｌを８９ν／ｕ_τ〔ｍ〕になるように設定されている。このように設定された縞状の波により、上記第１の作用と第２の作用の均衡を図ることができ、乱流摩擦抵抗の低減効果を最大限に発揮することができる。

さらに、本実施形態の乱流摩擦抵抗低減装置１０によれば、従来技術との比較において次の効果を奏する。すなわち、従来技術のように流体Ｌと接触する壁面上に微小な溝を形成して乱流摩擦抵抗を低減させる場合（特許文献１参照）、使用の継続に伴い粒子等物質が溝に詰まると、乱流摩擦抵抗に対する低減効果が失われていく。そのため、低減効果の維持には高頻度の清浄が必須とされている。これに対して本実施形態の壁面１４は平滑な面であるため、使用の継続に伴い乱流摩擦抵抗の低減効果は失われず、高頻度のメンテナンスを必要としない。

また、従来技術のフィードバック制御システム（特許文献２参照）では、多数の応力センサやアクチュエータ、及びそれらを駆動するＤＳＰ制御システムを必要とする。これに対して、本実施形態の乱流摩擦抵抗低減装置１０では、格子状に配置された複数の発熱素子２０と、これを作動させる制御部３０があれば足りる。ここで、本実施形態の制御部３０としては、汎用のマイクロプロセッサで足りる。すなわち、本実施形態の乱流摩擦抵抗低減装置１０は複雑な制御系を必要としない。

（変形例）
本実施形態の発熱素子２０は格子状に一定の間隔を置いて配置するのが望ましいが、図７の変形例１に示されるように横断方向Ｃにおいて発熱素子２０を間引いてもよい。変形例１では、横断方向Ｃにおいて発熱素子２０が配置されていない壁面１４は通常壁２２とされている。また、図８の変形例２に示されるように主流方向Ｆにおいて発熱素子２０を間引いてもよい。変形例２では、主流方向Ｆにおいて発熱素子２０が配置されていない壁面１４は断熱材を配した断熱壁２４とされている。変形例１及び変形例２によれば、縞状の波における温度分布は斑とはなるが高温領域１４Ｈ及び低温領域１４Ｌを形成することは可能である。すなわち、変形例１及び変形例２は、本実施形態よりも乱流摩擦抵抗の低減効果は劣るものの、乱流摩擦抵抗の低減は期待できる。また、変形例１及び変形例２では配設する発熱素子が少なくて済むという利点がある。

なお、発熱素子２０を間引く方向については、主流方向Ｆや横断方向Ｃに限らない。例えば、主流方向Ｆ及び横断方向Ｃを組み合わせて格子状に間引いてもよいし、主流方向Ｆ及び横断方向Ｃに対する斜め方向に間引いてもよい。また、発熱素子２０が配置されていない壁面１４は断熱材を配した断熱壁２４としても、断熱材を配さない通常壁２２としてもどちらでもよい。

（その他の態様）
なお、本実施形態では温度変化手段として壁面１４を発熱させる発熱素子２０を格子状に配置したが、高温領域１４Ｈ及び低温領域１４Ｌのように温度差を生じさせることができれば、この限りではない。例えば、壁面１４において発熱素子２０に代えてペルチェ素子のような吸熱機能を有する素子を格子状に配置してもよい。

本実施形態の壁面温度制御では、図４に示されるように、壁面１４の温度変化が正弦波となるように制御しているがこの限りではない。例えば、壁面１４の温度変化が矩形波となるように制御しても乱流摩擦抵抗は低減される。

［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る乱流摩擦抵抗低減装置について図９（Ａ）及び（Ｂ）を用いて説明する。以下、第１の実施形態との相違点について説明する。なお、第１の実施形態と同一の構成には同一の符号を付している。

図９（Ａ）に本実施形態の壁面１４の平面図を、図９（Ｂ）に断面図をそれぞれ示す。図９（Ａ）及び（Ｂ）に示されるように、本実施形態の壁面１４は、その表面が遮熱膜４０で構成されている。この遮熱膜４０は、アルミニウム合金製の物体１２に対して形成された陽極酸化皮膜である。詳しくは、特開２０１３−０６０６２０号公報、及び特開２０１６−２１６７６３号公報に記載されているように、本実施形態の遮熱膜４０は、陽極酸化皮膜の内部の空隙の量を増やし、熱および応力への耐久性を高めるために膜表面にシリカを充填したシリカ強化多孔質陽極酸化皮膜とされている。本実施形態では、遮熱膜４０として、第１遮熱膜４２と第２遮熱膜４４とが流体Ｌの主流方向Ｆに対して斜め方向に交互に配置されている。第１遮熱膜４２及び第２遮熱膜４４においては、主流方向Ｆに対して斜め方向と直交する方向を配列方向Ｔとしている（図９（Ａ）参照）。

ここで、第１遮熱膜４２と第２遮熱膜４４とは遮熱性能が相違する。詳しくは、第１遮熱膜４２は、第２遮熱膜４４よりも熱伝導率及び体積比熱が共に小さく設定されている。なお、遮熱膜４０において遮熱性能を変化させる方法としては、熱伝導率、体積比熱を変える他、厚みを変える方法がある。また、上述した方法は、組み合わせてもよい。

遮熱性能の違いは、壁面温度の変動幅であるスイング幅の違いとなって現れる。シリカ強化多孔質陽極酸化皮膜からなる遮熱膜４０は、熱伝導率及び体積比熱が小さい程、高いスイング幅が得られることが知られている。したがって、流路１６内に壁面１４よりも高温の流体Ｌを流した場合、第１遮熱膜４２の方が第２遮熱膜４４よりも高い温度となる。また、流路１６内に壁面１４よりも低温の流体Ｌを流した場合、第１遮熱膜４２の方が第２遮熱膜４４よりも低い温度となる。

例えば、流路１６内に壁面１４よりも高温の流体Ｌを流した場合、図９（Ａ）に示されるように、流体Ｌの主流方向Ｆに対して斜め方向に一定の幅を有する帯状の高温領域１４Ｈと帯状の低温領域１４Ｌとが交互に形成される。そして、本実施形態では、第１遮熱膜４２及び第２遮熱膜４４を、配列方向Ｔに対して機械的な手段である駆動部５０により振動させることで、配列方向Ｔに沿って温度変化を与えることができる。つまり、壁面１４におけるある点では、高温領域１４Ｈと低温領域１４Ｌとが交互に出現して主流を横断する方向の流れが誘起される。

以上、本実施形態によれば、流路１６内に壁面１４よりも高温又は低温の流体Ｌを流すと共に、第１遮熱膜４２及び第２遮熱膜４４を配列方向Ｔに沿って振動させることにより、高温領域１４Ｈと低温領域１４Ｌとによる縞状の波を自律的に生成することができる。そして、主流方向Ｆに沿って斜行する縞状の波によって、主流を横断する方向の流れが誘起されることから、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。すなわち、本実施形態によれば、縦渦の発生や成長が抑制されると共に、生成された縦渦は断ち切られて消滅する。つまり、乱流摩擦抵抗の原因となる縦渦の発生及び成長の抑制、並びに発生した縦渦の消滅により乱流摩擦抵抗は低減される。

なお、本実施形態の第１遮熱膜４２及び第２遮熱膜４４は、主流方向Ｆに対する横断方向Ｃの間隔ｓを３１ν／ｕ_τ〔ｍ〕に、主流方向Ｆの間隔ｌを８９ν／ｕ_τ〔ｍ〕になるように配置するとよい。また、第１遮熱膜４２及び第２遮熱膜４４の振動周期は、６ν／（ｕ_τ）^２〔ｓ〕とするとよい。このように配置された第１遮熱膜４２及び第２遮熱膜４４を配列方向Ｔに対して周期的に振動させることで、乱流摩擦抵抗の低減効果を最大限に発揮させることができる。

ところで、本実施形態のように、第１遮熱膜４２及び第２遮熱膜４４を交互に配置した壁面１４は、内燃機関の燃焼室のように流体Ｌとしてのガスの温度が変動する場所に適用することができる。例えば、シリンダの内壁面やピストンの上壁面に適用することで、ガスの温度変化に伴い、第１遮熱膜４２と第２遮熱膜４４との間に温度差を与えることができる。そして、壁面１４を内燃機関の燃焼室に適用することで、壁面１４近傍への運動量輸送が弱まり摩擦抵抗が低減した結果、副次的な効果として、ガスから壁面１４へ流れる熱流束を低減することができる。すなわち、本実施形態によれば、内燃機関における熱損失が低減することから、内燃機関の熱効率の向上を図ることができる。

［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態に係る乱流摩擦抵抗低減装置について図１０（Ａ）及び（Ｂ）を用いて説明する。以下、第１及び第２の実施形態との相違点について説明する。なお、第１及び第２の実施形態と同一の構成には同一の符号を付している。

図１０（Ｂ）に示されるように、本実施形態では、第１遮熱膜４２及び第２遮熱膜４４の表面が薄膜４６に覆われている点で第２の実施形態と相違する。この薄膜４６は、流路１６において空間的に固定されており、第１遮熱膜４２及び第２遮熱膜４４の振動が流体Ｌに及ぶことを抑制している。ここで、本実施形態の薄膜４６は、多孔体等、遮熱膜４０と同様の遮熱性能を有している。つまり、薄膜４６は、流体Ｌや隣接する遮熱膜４０の温度に追従しやすい遮熱性能を有している。

以上のように構成される本実施形態によれば、第２の実施形態と同様に乱流摩擦抵抗を低減させることができる。なお、本実施形態では、流体Ｌと接するのは薄膜４６であるため、第１遮熱膜４２及び第２遮熱膜４４の遮熱性能の違いによる高温領域１４Ｈと低温領域１４Ｌとの温度差は低減する。他方、本実施形態では、最表面の流体Ｌの変動を抑制し、効果的な乱流摩擦抵抗の低減を図ることができる。そして、本実施形態の壁面１４を内燃機関の燃焼室に適用することで、第２の実施形態と同様に、内燃機関の熱効率の向上を図ることができる。

なお、本実施形態において、薄膜４６と遮熱膜４０（第１遮熱膜４２、第２遮熱膜４４）との間は振動を妨げない範囲で最小の距離を確保すればよい。また、本実施形態では、薄膜４６の背面に遮熱性能の異なる第１遮熱膜４２及び第２遮熱膜４４を配置したがこれに限らず、遮熱性能の等しい２種類の遮熱膜を交互に配置してもよい。この場合、隣り合う遮熱膜を薄膜４６に対して交互に当接及び離間させることで、薄膜４６の背面に空気層の領域と遮熱膜の領域とを設け、帯状の高温領域１４Ｈと帯状の低温領域１４Ｌとを交互に形成することができる。これにより、本実施形態と同様の効果を奏することができる。

［補足］
第２及び第３の実施形態を、内燃機関の燃焼室に適用する場合、流体Ｌであるガスが流れる方向は常に変動する。例えば、レシプロエンジンにおいては、吸入工程、燃焼行程、及び排気工程で、主流となる方向が変化する。したがって、第２及び第３の実施形態を、内燃機関の燃焼室内に適用する際は、最も摩擦低減が必要とされる流れを主流として遮熱膜４０を配置するとよい。一例として、燃焼行程における摩擦低減を図る場合には、火炎の伝播する方向を主流として、遮熱膜４０を配置することとなる。

なお、第２及び第３の実施形態は、内燃機関から延出された排気管に対しても適用可能である。その他、壁面熱流束を低減できることから各種の熱移動機器の熱流束制御部品として使用することができる。

１０ 乱流摩擦抵抗低減装置
１２ 物体
１４ 壁面
１４Ｈ 高温領域
１４Ｌ 低温領域
２０ 発熱素子（温度変化手段）
３０ 制御部
４２ 第１遮熱膜
４４ 第２遮熱膜
４６ 薄膜
Ｆ 主流方向
Ｃ 横断方向

Claims (8)

1. 流体との相対運動が行われる物体に設けられ、前記流体に接し、かつ前記流体の主流方向に対して斜め方向に温度変化を与えられる壁面を備える乱流摩擦抵抗低減装置。
2. 前記壁面の温度を変化させる温度変化手段と、
   前記壁面において前記温度変化手段により前記斜め方向に交互に形成された高温領域と低温領域とが前記主流方向に沿って進行するように制御される制御部と、
   を備える請求項１に記載の乱流摩擦抵抗低減装置。
3. 前記壁面は、
   前記斜め方向に交互に形成された第一遮熱膜と、前記第一遮熱膜とは遮熱性能の異なる第二遮熱膜と、
   前記第一遮熱膜及び前記第二遮熱膜を前記斜め方向と直交する方向に振動させる駆動部と、で構成されており、
   前記第一遮熱膜及び前記第二遮熱膜により高温領域及び低温領域が形成される請求項１に記載の乱流摩擦抵抗低減装置。
4. 前記壁面は、内燃機関の燃焼室内部に面している請求項３に記載の乱流摩擦抵抗低減装置。
5. 前記壁面は、
   前記第一遮熱膜及び前記第二遮熱膜が、前記第一遮熱膜及び前記第二遮熱膜よりも薄い薄膜で覆われている請求項３又は４に記載の乱流摩擦抵抗低減装置。
6. 前記高温領域及び前記低温領域が延伸する方向と前記主流方向とのなす角度は１１度より大きい請求項２〜５の何れか１項に記載の乱流摩擦抵抗低減装置。
7. 前記流体に対する壁面せん断応力をτ_Ｗ〔ｋｇ／（ｍ・ｓ^２）〕とし、密度をρ〔ｋｇ／ｍ^３〕とし、動粘性係数をν〔ｍ^２／ｓ〕とすると、次式で示される摩擦速度ｕ_τを用いた場合、前記高温領域及び前記低温領域の前記主流方向に対する横断方向の間隔は３１×ν／ｕ_τ〔ｍ〕であり、前記主流方向の間隔は８９×ν／ｕ_τ〔ｍ〕である請求項２〜６の何れか１項に記載の乱流摩擦抵抗低減装置。
   
8. 前記高温領域及び前記低温領域の前記主流方向への進行速度は１４．８×ｕ_τ〔ｍ／ｓ〕である請求項７に記載の乱流摩擦抵抗低減装置。