JP4358822B2 - 流体抵抗低減用チタンシートおよび流体抵抗低減方法 - Google Patents

Description

本発明は、流体抵抗低減用チタンシートおよび流体抵抗低減方法に関する。本発明は、例えば、流体中を移動走行する物体の表面、あるいは流体が流動する物体の表面に、貼付あるいは固定することによって流体と物体の表面との間に生じる流体抵抗を低減することができる流体抵抗低減用チタンシートおよび流体抵抗低減方法に関する。

物体が流体中を移動する場合や、流体が物体の固体壁の表面を流動する場合には、流体と物体の表面との間に摩擦抵抗（流体抵抗）が発生する。この流体抵抗は、物体の移動の高速化あるいは流体の高効率移送化の障害となるため、古くからこの流体抵抗を低減する方法が検討されてきた。

流体抵抗は、物体の固体壁に形成される流速勾配が大きい境界層内における粘性抵抗と、境界層内に発生する乱れ（渦）とによるエネルギの散逸に起因する。したがって、境界層を制御することにより壁面摩擦抵抗を抑制することが可能である。近年、壁近傍の微細渦構造の解明が進むとともに壁近傍の乱流境界層を積極的に制御しようとする試みがなされている。これは、この境界層を制御することによって、壁面との摩擦抵抗や乱れ（渦）によるエネルギ消散を抑制しようとするものである。

壁面摩擦抵抗の低減法は、流体へ物質を添加することによりその機能を発生させる方法（非特許文献１参照）と、壁面の加工による方法（非特許文献２）とに分けられる。
流体へ物質を添加することによる方法は，トムズ効果に代表される高分子溶液の他に、界面活性剤、植物粘液、繊維質、微細固体粒子さらにはマイクロバブル等があり、特に液体に対して効果がある。しかし、マイクロバブルの注入以外の方法には、添加する物質の劣化や排液の環境問題等があるため、その適用範囲が限定される。

一方、壁面の加工による方法は、古くは境界層内に微小体を設置するＬＥＢＵ（Large Eddy Braking Up System）に始まり、ランダム微小突起、リブレット、植毛、ポリマー塗布、柔軟弾性壁、撥水壁さらには振動壁等が提案されている。この方法は、液体および気体の双方に効果があり、その応用範囲も広いため、近年、各方面で検討されている。特にリブレットに関しては、１９７０年代に米国ＮＡＳＡにおける航空機の燃料費節減を目的にした研究開発の中から生まれたものであり（非特許文献３）、その後に多くの研究者により流体抵抗低減機構および形状の最適化が図られている。リブレットの形状は、Ｖ字形（三角形）やＵ字形（半円形）を主体として、数百種もが考案されている（非特許文献４）。

また、特許文献１には、ダイ押出あるいは型押によりリブレットを成形加工した有機系材料からなるシートを、走行体あるいは流路へ貼付することによって流体抵抗を低減する発明が開示されている。

さらに、特許文献２には、流れ方向に延びる糸状体を一定間隔で多数設けることによって流体抵抗を低減する乱流抵抗低減装置が開示されている。
特開昭６１−２７８５００号公報 特開平０１−２４７２９６号公報 Gyr, A. and Bewersdorff, H.-W.:Drag Reduction of Turbulent Flows by Additives, Kluwer Academic Publishers, (1995). 薄井洋基，鈴木洋：新世紀における抵抗低減技術の躍進，日本機械学会論文集（Ｂ編），67巻658号(2001), 1305． Walsh, M.J.:Riblets as a Viscous Drag Reduction Technique，AIAA J., Vol．21 No．4（1983）, 485． Bechert,D.W., Bruse,M., Hage,W., Van-der-Hoeven, J.G.T. and Hoppe, G.:Experiments on drag-reducing surfaces and their optimization with an adjustable geometry，J. Fluid Mechanics, Vol．338（1997），59．

しかし、特許文献１により開示されたリブレットを成形加工したシートは、有機系材料からなるため、強度、熱さらには経時劣化の問題がある。また、走行体の表面に貼付して使用する場合にも、その取り扱いや手入れ等に細心の注意が要求される。実際に航空機へ適用されて燃料費の低減効果があることが確認されたものの、流体抵抗低減効果を維持するためのメンテナンス費用が嵩んでしまい、現時点では実用化できない。

一方、特許文献２により開示された乱流抵抗低減装置における糸状体を一定間隔で形成することは難しい。特許文献２ではこの糸状体を、塗装あるいは表面加工によって形成する旨開示しているが、塗装により形成したのでは強度、熱さらには経時劣化の問題を払拭できず、また表面加工法により形成したのではコストが嵩む。

本発明は、ロール圧延により成形加工された、凸部先端の曲率半径が０．２ｍｍ以下であって連続するとともに流体に直接接する凹凸溝を、少なくとも片面に備えることを特徴とする流体抵抗低減用チタンシートである。
この本発明に係る流体抵抗低減用チタンシートは、（ａ）厚みが３．０ｍｍ以下であること、（ｂ）凹凸溝の深さが０．０１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であり、かつ凹凸溝の間隔が０．０２ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であること、または（ｃ）凹凸溝の形成方向に沿った方向の表面平均粗さが１μｍ以下であること、がそれぞれ望ましい。

別の観点からは、本発明は、これらの本発明に係る流体抵抗低減用チタンシートを、流体中を相対的に移動する物体の表面に装着することによって流体抵抗を低減することを特徴とする流体抵抗低減方法である。

本発明に係る流体抵抗低減用チタンシートは、ロール成形により簡単に低コストで製造することができる。そして、このチタンシートを、流体と相対速度を持って移動する固体壁へ適用することによって、流体抵抗を低減することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
はじめに本発明が完成した経緯を簡単に説明する。上述した特許文献１、２により開示された発明の課題を解決するために、流体抵抗を低減することができる形状（以下、「流体抵抗低減形状」という）をチタンシートへ形成加工することを想到した。

ここで、チタンは、難加工材であるためにその加工法の点で問題はあるものの、耐腐食や耐壊食性、さらには軽量化の観点から、チタンあるいはチタン合金を用いる。
次に、チタンシートに微細な流体抵抗低減形状を成形加工する方法としては、機械加工、プレス、ロール圧延の他に例えばエッチング等の化学的加工等が考えられる。この流体抵抗低減形状は、シート状の材料への一方向（流れ方向）に連続した微細形状であることから、その加工の生産性およびコストを勘案すると、ロールによる圧延加工を採用することが最も望ましい。

しかし、ロールによる圧延加工は、機械加工と比較すると、微細形状への加工精度は劣る。特に、凹凸溝の凹部および凸部先端の形状精度は、機械加工と比較すると、低いものとなる。

そこで、例えばリブレット等の凹凸溝を有する微細形状の加工精度が、流体抵抗の低減効果に及ぼす影響を調べた。図１は、この調査に用いた装置１の概略を模式的に示す説明図である。

図１に示すように、断面が、１００ｍｍ×２０ｍｍで長さ約４ｍの矩形流路２の両側の長辺壁の全面に、凹凸溝等の微細形状を圧延加工した厚さ０．５ｍｍのチタンシートを貼付し、その矩形流路２に清水を流したときの圧力損失を測定した。

この装置１において、水タンク３に収容された清水は、遠心式ポンプ４により流量調節弁５及び電磁流量計６を通り矩形流路２に流送され、圧力計７により圧力および圧力損失を測定された後、水タンク３に戻る。流体抵抗低減を評価するための圧力損失は、矩形流路２内において流れが安定するために必要な助走距離約２ｍを取った後で測定される。

図２には、矩形流路２の横断面形状を示す。同図に示すように、矩形流路２は、アルミニウム製の天板８ａ、底板８ｂとサイドブロック９とを、Ｏリング１０を介してボルト１１により締結することにより、形成される。圧力損失測定タップ１２は、サイドブロックに径２ｍｍの孔を一定間隔で穿って設けた。

測定に先立ち、まず、この装置１で流体摩擦抵抗の評価を適正に行うことができることを確認するために、表面が平滑なチタンシートを、矩形流路２の両側の長辺壁の全面に貼付した時の圧力損失を測定し、次式で表される摩擦係数ｆとレイノルズ数Ｒｅとの関係で整理した。

ただし、（１）式及び（２）式において、Ｄ_ｈ：水力平均径（ｍ）＝２ＷＨ／（Ｗ＋Ｈ）、Ｗ：矩形流路２の幅（ｍ）、Ｈ：矩形流路２の高さ（ｍ）、ｄＰ／Ｌ：圧力損失（Ｐａ／ｍ）、Ｖ_ｍ：平均流速（ｍ／ｓ）、ρ：流体の密度（ｋｇ／ｍ^３）、μ：流体の粘度（Ｐａ・ｓ）である。

結果を図３にグラフで示す。このグラフに示すように、摩擦係数ｆとレイノルズ数Ｒｅとの関係は、ムーディー線図における流体力学的に滑らかなｋｅ／Ｄ＝０（ｋｅ：絶対粗さ（ｍ）、Ｄ：管径または水力平均径（ｍ））の曲線とよく一致している。このことから、この装置１により流体摩擦抵抗の評価を適正に行うことができることを確認した。

図４は、矩形流路２の両側の長辺壁の全面に、高さｈが２０７μｍ、ピッチｐが３９４μｍの三角形のリブレットを圧延加工により形成したチタンシートを貼付した場合の流体抵抗を測定した結果を、上述した方法により整理して示すグラフである。

図４にグラフで示すように、摩擦係数ｆは、レイノルズ数Ｒｅが８×１０^４以下の範囲において流体力学的に滑らかな面の摩擦係数よりも小さくなる。このことから、このチタンシートは流体抵抗の低減効果を有することがわかる。

図５は、このチタンシートの表面に形成されたリブレットの形状および凸部先端の形状を粗さ測定器により測定した結果を示すグラフである。
同図にグラフで示すように、このリブレットは圧延加工により形成されているため、リブレットの形状は、巨視的には三角形状であるが、微視的には、図５における拡大図に示すように凸部（頂点）の先端が丸みを帯びた三角形状を呈する。本実施の形態では、圧延加工では、凸部の先端がこのように丸みを帯びる。

そこで、図６（ａ）〜図６（ｅ）に示す種々の凹凸溝形状を圧延加工により形成したチタンシートを用いて、上述した方法によって流体抵抗の低減効果に及ぼす凹凸形状の影響を測定した。

表１には、測定した凹凸溝形状の寸法および形状（高さｈ（μｍ）、ピッチｐ（μｍ）、図６（ａ）〜図６（ｅ）の形状、凸部先端の曲率半径（μｍ））をまとめて、最大流体抵抗低減率（％）とともに示す。

表１に示すように、流体抵抗低減効果が発現するレイノルズ数Ｒｅは、凹凸溝の高さｈ及びピッチｐにより異なるものの、流体抵抗の低減率は、凹凸溝の凹部形状には直接関係せず、凸部先端の曲率半径に支配される。

しかも、この測定範囲である凸部の高さｈ：１２〜１０５０μｍ、ピッチｐ：２３〜１８０３μｍの凹凸溝に対して、レイノルズ数Ｒｅ：６×１０^３〜４×１０^５の範囲では、最大の流体抵抗低減率は、凸部先端の曲率半径Ｒと凹凸溝の高さｈやピッチｐとの相対値ではなくて、凸部先端の曲率半径Ｒの絶対値との相関が最も強い。この結果を図７にグラフで示す。図７にグラフで示すように、凹凸溝の凸部の先端半径が２００μｍ以下であれば、凹部形状によらずに流体抵抗の低減効果が得られる。

したがって、本実施の形態のチタンシートは、ロール圧延により成形加工された、凸部先端の曲率半径が０．２ｍｍ以下である連続する凹凸溝を、少なくとも片面に備えるものとした。

ここで、チタンシートとしては、厚さに対する幅が小さいものであるが、一般的にはその比が０．０５以下のものである。
チタンの冷延板あるいはチタン合金シートは、その厚さが３ｍｍ以下が一般的である。凹凸溝の形状は、図６（ａ）〜図６（ｅ）に示すものを基本とするが、これらに限定されるものではない。凹凸溝の寸法は、本例で流体抵抗の低減効果を確認することができた凹凸溝の高さ：１０〜１０００μｍ、かつピッチ：２０〜２０００μｍの範囲とした。また、当然のことながら、流れに沿った凹凸溝の表面は滑らかなほどよく、この面が粗くなると摩擦抵抗が増大し、凹凸溝による流体抵抗の低減効果がなくなる。したがって、この面の平均粗さは１μｍ以下であることが望ましい。

さらに、以上の説明では、本実施の形態のチタンシートを、矩形流路の内壁面へ貼付することにより流体抵抗を低減する場合を示したが、本発明はこの場合に限定されるものではなく、各種断面形状の管路やオープンダクトへの貼付以外にも、例えば船舶、列車、自動車、水中および空中航走体さらには高速回転体等固体壁等と流体とが相対速度を持って移動する物体に対しても、同様に装着することにより、流体抵抗を低減することができる。

凹凸溝を有する微細形状の加工精度が、流体抵抗の低減効果に及ぼす影響の調査に用いた装置の概略を模式的に示す説明図である。 図１に示す装置における矩形流路の横断面形状を模式的に示す説明図である。 図１に示す装置の矩形流路の両側の長辺壁の全面に、平滑なチタンシートを貼付した時の圧力損失を測定し、摩擦係数とレイノルズ数との関係を整理して示すグラフである。 図１に示す装置の矩形流路の両側の長辺壁の全面に、リブレットを圧延加工により形成したチタンシートを貼付した時の圧力損失を測定し、摩擦係数とレイノルズ数との関係を整理して示すグラフである。 チタンシートの表面に形成されたリブレットの形状および凸部先端の形状を粗さ測定器により測定した結果を示すグラフである。 図６（ａ）〜図６（ｅ）は、チタンシートに圧延加工により形成した種々の凹凸溝形状を示すグラフである。 流体抵抗低減率に及ぼす凸部先端半径の影響を示すグラフである。

Claims (5)

1. ロール圧延により成形加工された、凸部先端の曲率半径が０．２ｍｍ以下である連続するとともに流体に直接接する凹凸溝を、少なくとも片面に備えることを特徴とする流体抵抗低減用チタンシート。
2. 厚みが３．０ｍｍ以下である、請求項１に記載された流体抵抗低減用チタンシート。
3. 前記凹凸溝の深さが０．０１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であり、かつ該凹凸溝の間隔が０．０２ｍｍ以上２．０ｍｍ以下である請求項１又は請求項２に記載された流体抵抗低減用チタンシート。
4. 前記凹凸溝の形成方向に沿った方向の表面平均粗さが１μｍ以下である請求項１に記載された流体抵抗低減用チタンシート。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載された流体抵抗低減用チタンシートを、流体中を相対的に移動する物体の表面に装着することによって流体抵抗を低減することを特徴とする流体抵抗低減方法。

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