JP5590442B2 - Frictional resistance reduction device - Google Patents

Frictional resistance reduction device Download PDF

Info

Publication number
JP5590442B2
JP5590442B2 JP2010053834A JP2010053834A JP5590442B2 JP 5590442 B2 JP5590442 B2 JP 5590442B2 JP 2010053834 A JP2010053834 A JP 2010053834A JP 2010053834 A JP2010053834 A JP 2010053834A JP 5590442 B2 JP5590442 B2 JP 5590442B2
Authority
JP
Grant status
Grant
Patent type
Prior art keywords
outer wall
fluid
moving
body
moving body
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2010053834A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2011185409A (en )
Inventor
薫 岩本
Original Assignee
国立大学法人東京農工大学
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Grant date

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T70/00Maritime or waterways transport
    • Y02T70/10Measures concerning design or construction of watercraft hulls
    • Y02T70/12Improving hydrodynamics of hull
    • Y02T70/121Reducing surface friction

Description

本発明は、摩擦抵抗低減装置に関し、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、摩擦抵抗低減装置に関する。 The present invention relates to a frictional resistance reduction device, yo Ri in particular, aircraft, high speed trains, and mounted on the surface of the high-speed moving bodies such as a ship, a fluid air or water or the like into contact with the surface of the fast-moving objects to reduce the frictional resistance, significantly reduce the energy consumption of such fuels required for propulsion, about the drag reduction equipment.

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。 As is well known, the aircraft, high-speed train Shinkansen, etc. The vessels also fast transportation equipment maglev or the like to be realized in the future, in order to transport the transportation object such as passenger and cargo high speed and in large quantities, the fuel Ya the greater the power consumption. 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。 For business entities to operate these high-speed transportation equipment, to reduce the energy consumption, such as electricity and fuel, not only to improve the profit margin of the company bodies, our country of the burden to import a large part of the energy from foreign countries to alleviate are also a very important in order to reduce the environmental impact.
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。 Attempts to reduce the energy consumption of the high-speed transportation equipment is studied in every angle, technology has evolved. 特に、近年では流体力学に基づく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ための研究が盛んである。 In particular, it has been actively studied for reducing the frictional resistance of the fluid such as air or water contacting the body of the high speed transport equipment based on fluid dynamics in recent years.

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。 Conventionally, as an attempt to reduce the frictional resistance of the high speed transport equipment, such as that the body streamlined, other reduction methods classical fluid friction, providing a streaky irregularities along the flow of fluid to the body surface and the like the method based on hydrodynamic have been proposed. 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。 However, these methods are known to have limited improvement both.

また、非特許文献1には壁面近傍の壁垂直速度を打ち消す吹出・吸込を用いた制御により、壁面摩擦抵抗係数を最大で43%低減する効果を得る技術内容が開示されている。 Further, Non-Patent Document 1 by control using the blowing and suction to cancel a wall vertical velocity of the near-wall, technical contents to obtain the effect of reducing by 43% the wall friction resistance coefficient at the maximum is disclosed. しかし、流体を吹出及び吸込する機器の設置コストや重量が無視できない。 However, installation costs and weight of the equipment that blowing and suction of fluid can not be ignored.
非特許文献2には、壁面に流体の流れ方向に逆らう進行波を発生させ、最大24%の動力削減率(削減された動力エネルギーを削減前の動力エネルギーで割った値)を達成する技術内容が開示されている。 Non-Patent Document 2, to generate a traveling wave against the flow direction of the fluid to the wall, to achieve up to 24% of the power reduction rate (reduction is divided by the power energy before reducing power energy) technical content There has been disclosed.
非特許文献3には、壁面に定在波を発生させ、最大13%(発明者の数値シミュレーション結果による)の摩擦抵抗低減率を達成する技術内容が開示されている(動力削減率はさらに小さい)。 Non-Patent Document 3, the wall surface to generate a standing wave, up to 13% (the inventor of the numerical simulation according to the results) Friction technical content to achieve a drag reduction rate is disclosed (power reduction rate is smaller ).
これら従来技術は、いずれも動力削減率が小さい。 These prior art are all small power reduction rate.

本発明は係る課題を解決し、従来の機体表面に簡単な装置を追加するだけで流体摩擦抵抗を大きく低減でき、大幅なエネルギー効率の改善が期待できる、新規な摩擦抵抗低減装置を提供することを目的とする。 The present invention solves the problem of, simply adding a simple device to conventional fuselage surface can greatly reduce the fluid friction resistance can be expected improvement of significant energy efficiency, to provide a novel drag reduction equipment and an object thereof.

上記課題を解決するために、本発明の摩擦抵抗低減装置は、移動体を覆う移動体外壁と、移動体外壁の、移動体の進行方向前方に設けられ、移動体外壁に移動体の進行方向に沿う進行波を発生させるための振動体と、 この振動体に 、移動体外壁に接触する流体の動粘度と、移動体の巡航速度と、移動体の進行方向の長さに基づく周波数の交流電圧を供給する交流電源とを具備し、この交流電源の周波数fを、前記移動体の進行方向の長さLから壁面摩擦応力τ を得て、前記動粘度ν、前記巡航速度U lam から、下記の式で求めることを特徴としている。 In order to solve the above problem, the frictional resistance reduction device of the present invention, a moving outer wall covering the moving body, the moving body outer wall disposed ahead in the traveling direction of the moving body, the traveling direction of the moving body in the moving outer wall a vibrating body for generating a traveling wave along, this vibrator, the kinematic viscosity of the fluid in contact with the moving body outer wall, and a cruising speed of the moving object, alternating current with a frequency based on the length in the traveling direction of the moving body comprising the AC power source for supplying a voltage, the frequency f of the AC power supply, the traveling direction of the moving body from the length L to obtain a wall friction stress tau w, the kinematic viscosity [nu, from the cruising speed U lam It is characterized by obtaining the following formula.

移動体の機体表面に、流体の流れ方向に沿う進行波を発生させる。 To the body surface of the moving body to generate a traveling wave along the flow direction of the fluid. 進行波の波長は、流体の動粘度と、移動体の速度と、流体の移動方向における移動体の長さに依存する。 Wavelength of the traveling wave, and the dynamic viscosity of the fluid, the velocity of the moving body, depends on the length of the moving body in the moving direction of the fluid. 移動体の機体表面に適切に発生した進行波は、流体と機体表面との間に発生する乱流に規則的な振動を与えることで、層流化が起き、流体摩擦が低減される。 Traveling wave properly generated in body surface of the moving object, to provide a regular vibration to turbulence generated between the fluid and the body surface, laminarization occurs and fluid friction is reduced.

本発明により、従来の機体表面に簡単な装置を追加するだけで流体摩擦抵抗を大きく低減でき、大幅なエネルギー効率の改善が期待できる、新規な摩擦抵抗低減装置を提供できる。 The present invention, only by adding a simple device to conventional fuselage surface can greatly reduce the fluid friction resistance, the significant improvement in energy efficiency can be expected, can provide a novel frictional resistance reduction equipment.

本発明の実施形態である移動体外壁を概略的に説明する斜視図と横断面図である。 Mobile outer wall which is an embodiment of the present invention is a cross-sectional view and a perspective view illustrating schematically. 進行波を形成する理論モデルと、現実的な移動体外壁における進行波形成の仕組みを説明する概略図である。 A theoretical model to form a traveling wave is a schematic diagram for explaining the mechanism of the traveling wave formation in realistic mobile outer wall. 本実施形態の移動体外壁を実装する航空機の、移動体外壁を裏側から見た図である。 Aircraft implementing the mobile outer wall of the present embodiment, is a view of the mobile outer wall from the rear side. 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。 It is an external view of an aircraft that implements the mobile outer wall of the present embodiment. 本実施形態の移動体外壁を実装する船舶の外観図及び一部拡大図である。 It is an external view and a partially enlarged view of a vessel that implements the mobile outer wall of the present embodiment. DNSの結果を示すグラフである。 Is a graph showing the results of DNS. 進行波発生装置のブロック図である。 It is a block diagram of a traveling-wave generating device.

[摩擦抵抗低減装置の原理と適用例] Principle and application of the frictional resistance reduction device]
図1(a)及び(b)は、本発明の実施形態である、摩擦抵抗低減装置ともいえる移動体外壁を概略的に説明する斜視図と横断面図である。 Figure 1 (a) and (b) are carried out in the form, cross-sectional view and a perspective view illustrating a mobile outer wall which can be called the frictional resistance reduction device schematically according to the invention.
図1(a)は、移動体外壁の斜視図である。 Figure 1 (a) is a perspective view of a mobile external wall.
移動体外壁101はフレーム103aとフレーム103bによって支持されている。 Mobile outer wall 101 is supported by the frame 103a and the frame 103b. 流体は移動体外壁101の表面を矢印A106方向に流れる。 Fluid flows through the surface of the moving body outer wall 101 in the arrow A106 direction. 移動体外壁101の、流体に接触しない裏側には、振動体102がフレーム103aに近接して貼り付けられている。 Mobile outer wall 101, on the back side not in contact with the fluid, the vibrating body 102 is attached in close proximity to the frame 103a.
振動体102は、図示しない交流電源から送電される交流電圧を受けて、交流電源の周波数で振動する。 Vibrator 102 receives an AC voltage power from the AC power source (not shown) to vibrate at the frequency of the AC power source. 振動体102は所定の特性が得られればよいが、後述する理由により、現在一般的に入手可能な素子としては圧電型が最も好ましいと思われる。 Vibrator 102 is only to be obtained predetermined characteristics, for the reasons described below, the piezoelectric type seems most preferable is now a commonly available elements.

図1(b)は、移動体外壁101を横から見た断面図である。 Figure 1 (b) is a cross-sectional view of the mobile outer wall 101 from the side.
移動体外壁101は、裏面にフレーム103aとフレーム103bで支持されている。 Mobile outer wall 101 is supported by the frame 103a and the frame 103b on the back. 振動体102は移動体外壁101の、フレーム103aから離れた位置に貼り付けられる。 Vibrator 102 is affixed to the moving body outer wall 101, away from the frame 103a position. 移動体外壁101の一端がフレーム103aに固着されているので、移動体外壁101はこのフレーム103の箇所を支点として、振動体102によって振動させられる。 Since one end of the moving body outer wall 101 is fixed to the frame 103a, the mobile outer wall 101 as a fulcrum a portion of the frame 103 is vibrated by the vibrating body 102. すると、移動体外壁101には点線L104に示すように進行波が発生し、進行波は矢印A105に示す方向に進む。 Then, the traveling wave as indicated by a dotted line L104 is generated in the mobile outer wall 101, a traveling wave proceeds in a direction indicated by an arrow A105. これに対し、図示しない流体は移動体外壁101の表面を矢印A106の方向に流れる。 In contrast, the fluid (not shown) flows through the surface of the moving body outer wall 101 in the direction of arrow A106.

進行波の波長は、流体の動粘度と、移動体の速度と、流体の移動方向における移動体の長さに依存する。 Wavelength of the traveling wave, and the dynamic viscosity of the fluid, the velocity of the moving body, depends on the length of the moving body in the moving direction of the fluid. 移動体の機体表面に適切に発生した進行波は、流体と機体表面との間に発生する乱流に規則的な振動を与えることで、層流化が起き、流体摩擦が低減される。 Traveling wave properly generated in body surface of the moving object, to provide a regular vibration to turbulence generated between the fluid and the body surface, laminarization occurs and fluid friction is reduced.

図2(a)及び(b)は、進行波を形成する理論モデルと、現実的な移動体外壁101における進行波形成の仕組みを説明する概略図である。 2 (a) and (b) is a theoretical model to form a traveling wave is a schematic diagram for explaining the mechanism of the traveling wave formation in realistic mobile outer wall 101.
一般的に、進行波を形成する理論モデルとしては、図2(a)に示す図が用いられる。 In general, as the theoretical model to form a traveling wave, the view shown in FIGS. 2 (a) is used. 振動板201の一端には進行波を発生するための振動手段202が設けられ、振動板201の他端には反射波を抑制するための負荷手段203が設けられる。 At one end of the vibrating plate 201 is provided vibrating means 202 for generating a traveling wave, the load means 203 for suppressing the reflected wave is provided at the other end of the diaphragm 201.
本発明は、移動体外壁101に流体の流れに沿う進行波を発生させることである。 The present invention is to generate a traveling wave along the flow of fluid to the mobile outer wall 101. 移動体外壁101は図2(a)のような理論モデルと同等ではない。 Mobile outer wall 101 is not equal to such theoretical models shown in FIG. 2 (a). 実際の移動体外壁101は、例えば航空機であればフレームにジュラルミン等の金属板が張り付けられている。 Actual moving outer wall 101 is a metal plate of duralumin or the like is affixed to the frame if for example an aircraft. このため、現実的には流体の進行方向から見て手前側に位置するフレームの近傍に振動手段である振動体102をフレームに沿って張り付ける。 Therefore, in practice pasted along the vibrating body 102 is vibrating means in the vicinity of the frame located on the front side as viewed from the traveling direction of the fluid to the frame. また、反射波は移動体外壁101自体の弾性抵抗によって進行波が自然減衰することを期待するか、或は図2(b)に示すように、流体の進行方向から見て向こう側に位置するフレーム103の近傍に、反射波を減衰させるためのゴム等の防振部材(以下「インシュレータ」)204を付着させる。 Further, the reflected wave or expect to traveling wave is naturally damped by the elastic resistance of the moving body outer wall 101 itself, or as shown in FIG. 2 (b), located on the far side when viewed from the direction of movement of the fluid in the vicinity of the frame 103, vibration-proof material such as rubber for attenuating the reflected wave (hereinafter "insulator") 204 is deposited a.
但し、フレームが流体の流れる方向にのみ移動体外壁101を固定する構成であるか、フレームの剛性が移動体外壁101上の進行波の通過を許容する等、反射波が生じ得ないのであれば、上述のようなインシュレータ204を設ける必要はない。 However, if the frame is configured to secure the movable body outer wall 101 only in the direction of flow of the fluid, etc. of the rigidity of the frame to permit passage of the traveling wave on the mobile outer wall 101, as long as the reflected wave can not occur , there is no need to provide the insulator 204 as described above.

図3は、本実施形態の移動体外壁101を実装する航空機の、移動体外壁101を裏側から見た図である。 Figure 3 is a diagram of an aircraft that implements the mobile outer wall 101 of the present embodiment, the mobile outer wall 101 as viewed from the back side.
図4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。 Figure 4 is an external view of an aircraft that implements the mobile outer wall 101 of the present embodiment.
航空機401に移動体外壁101を適用する場合、機体の剛性と軽量化を両立させるために、移動体外壁101の縦横にフレーム103が固定される構造を採用している。 When applying the moving body outer wall 101 to the aircraft 401, in order to achieve both the rigidity of the body and light weight, frame 103 employs a structure that is fixed to the vertical and horizontal moving body outer wall 101. したがって、移動体外壁101の、フレーム103で囲まれている区画の「列」毎に、図1及び図2(b)のように振動体102を張り付ける。 Accordingly, the mobile outer wall 101, for each "column" enclosed with that section of the frame 103, pasting vibrator 102 as shown in FIG. 1 and FIG. 2 (b). また、フレーム103が反射波を生じる場合は、反射波を防ぐためのインシュレータ204も必要になる。 Further, if the frame 103 results in a reflected wave, it is also necessary insulator 204 for preventing a reflected wave.
航空機401に本発明を適用する場合、図3に示す外壁構造を、両翼を含めた機体の外壁全体に設ける。 When the present invention is applied to an aircraft 401, an outer wall structure shown in FIG. 3, provided on the entire outer wall of the aircraft, including wings.
以上に述べた航空機401における移動体外壁101の構造は、そのまま新幹線等の高速列車にも適用される。 The structure of the vehicle outer wall 101 in an aircraft 401 as described above is directly applied to high-speed train Shinkansen like.

図5(a)及び(b)は、本実施形態の移動体外壁101を実装する船舶の外観図及び一部拡大図である。 Figure 5 (a) and (b) is an external view and a partially enlarged view of a vessel that implements the mobile outer wall 101 of the present embodiment.
船舶501に移動体外壁101を適用する場合、航空機401とは異なり船体502を構成する外壁が極めて堅牢であるため、船体502の先頭に振動体503aを設ければ、進行波が船体502の後方へ伝達する。 When applying the moving body outer wall 101 to the ship 501, since the outer wall constituting a different hull 502 is the aircraft 401 is very robust, by providing the vibrating member 503a to the top of the hull 502, traveling wave of the hull 502 rearward to be transmitted. しかし、進行波が船体502の途中で減衰する場合は、その減衰する箇所にインシュレータ504aで仕切って振動体503bを設ける必要が生じる。 However, if the traveling wave is attenuated in the middle of the hull 502, it is necessary to provide a vibrating body 503b is partitioned by the insulator 504a in place of the damping. この場合のインシュレータ504aは、インシュレータ504aの側の、流体(水)の進行方向に設けられる振動体503bが生じる、流体の進行方向と逆方向の進行波を防ぐ役割も果たす。 Insulator 504a in this case, the side of the insulator 504a, occurs vibrator 503b provided in the traveling direction of the fluid (water), also plays the role of preventing the traveling wave traveling direction opposite to the direction of the fluid.

但し、タンカー等の、船体502の内部が隔壁で仕切られている船舶501の場合は、隔壁がフレーム103と同様の作用を奏する可能性がある。 However, tanker, etc., in the case of the vessels 501 inside of the hull 502 are partitioned by the partition wall, the partition wall is likely to achieve the effect similar to that of the frame 103. その際は、前述の図3及び図4に示したように、航空機401と同様に隔壁毎に振動体102と、必要に応じてインシュレータを設ける必要が生じる。 In that case, as shown in FIGS. 3 and 4 described above, the vibrating body 102 for each partition wall in the same manner as the aircraft 401, it is necessary to provide an insulator as required.

航空機401や船舶501に本実施形態の移動体外壁101を適用する際の共通の事項として、振動体102が、移動体外壁101の、流体の進行方向に複数設けられる場合、複数の振動体102が生成する進行波同士の位相が合致していることが望ましい。 If a common matters in applying mobile outer wall 101 of the present embodiment to the aircraft 401 and ship 501, the vibrator 102, the mobile outer wall 101 are provided a plurality in the direction of movement of the fluid, the plurality of vibrators 102 There it is desirable that the phase of the traveling wave between the generator meets. 位相が合致していないと、流体の進行方向の前段に位置する振動体102が移動体外壁101に生成した進行波に基づく流体の影響を、後段の振動体102が打ち消してしまう虞があるからである。 If the phase does not match, the effect of the fluid based on the traveling wave vibrator 102 positioned in front of the direction of movement of the fluid is generated to the mobile outer wall 101, since there is a possibility that subsequent vibrator 102 negates it is. 位相を合致させるためには、電気的に位相を補正する他、振動体102のフレーム103からの距離を調整する方法もある。 In order to match the phase may be not correct electrical phase, there is a method of adjusting the distance from the frame 103 of the vibrating body 102.

以上、図1乃至図5で説明したように、本発明は移動体の外壁全体に、流体の進行方向に沿う進行波を発生させることである。 As described above in FIGS. 1 to 5, the present invention is the entire outer wall of the moving body is to generate a traveling wave along the direction of movement of the fluid. そしてそのために、移動体外壁の、移動体の先端或は前方部分から進行波を発生させるための振動体を設ける。 And therefore, the moving body outer wall, providing a vibration member for generating a traveling wave from the tip or forward portion of the moving body. 振動体が発する進行波がフレームや隔壁によって反射し、反射波が発生してしまう場合は、これを防ぐためのインシュレータを設ける。 Progressive wave vibrator emitted is reflected by the frame and the partition wall, when the reflection wave is generated is provided an insulator for preventing this. 振動体が発する進行波が移動体外壁の途中で減衰してしまう場合は、減衰した箇所から新たに振動体を設ける。 If the traveling wave vibrator emits attenuates in the middle of the moving body outer wall, it provided a new vibrator from attenuated places. その際、新たに設けた振動体が流体の進行方向と逆方向の進行波の発生を防ぐために、インシュレータを設ける必要が生じる。 At that time, in order to newly provided vibrator prevents generation of a traveling wave in the direction opposite to the traveling direction of the fluid, it is necessary to provide an insulator.

振動体を設ける箇所は、振動体が発する振動が移動体の外壁全体を網羅するように設けられていることが望ましい。 Point providing the vibrating body, it is desirable that vibrations vibrator emits provided so as to cover the entire outer wall of the moving body. 但し、費用対効果等の兼ね合いで、外壁の一部にのみ振動体を設ける構成であってもよい。 However, in consideration of such cost-effective, may be configured to provide only vibrator in a portion of the outer wall. 特に、船舶の場合は、流体との摩擦抵抗が大きく発生する箇所が水との接触部分であることから、水と接触しない箇所に振動体を設ける必要はない。 Particularly, in the case of a ship, since locations frictional resistance between the fluid occurs largely is a contact portion between the water, it is not necessary to provide the vibrator at a location not in contact with water. また、積荷の積載状態によっては水と接触しない箇所が大きくなる場合が考えられるので、そのような場合には水と接触する箇所の振動体のみ駆動する構成であってもよい。 Further, since the load state of the load is conceivable if the portion not in contact with water increases, it may be configured in such a case to drive only vibrator locations in contact with water.

[進行波の演算] [Operation of the traveling-wave]
移動体外壁101に進行波が発生している状態(進行波状壁面)は、以下の式で定義できる。 State traveling wave moving body outer wall 101 has occurred (traveling-wave wall) can be defined by the following equation.

上記(1)式のパラメータのうち、動力を削減する進行波を形成する上で重要な要素である、最大振幅a[m]、波長λ[m]、位相速度c[m/s]の最適な値の範囲は、DNSより以下のように決定する。 (1) of the equation parameters, optimal is a key element in forming a traveling wave to reduce the power, maximum amplitude a [m], the wavelength lambda [m], the phase velocity c [m / s] range of a value is determined as follows from the DNS.

上記(2)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。 (2) of the equation parameters, kinematic viscosity ν and fluid density [rho, once the fluid mobile around the object, the fluid type and temperature, uniquely determined by the pressure and the like.
壁面摩擦応力τ は、例えば以下の式で決定される。 Wall friction stress tau w is determined, for example, by the following equation.

或は、より正確には、流れ方向の位置xに応じてτ 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。 Alternatively, more precisely, since the tau w in accordance with the position x of the flow direction changes, it may be determined in detail by the following equation.

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。 First, with the flow direction length L of the movable body, to determine the cruising speed U lam mobile calculates the density ρ of kinematic viscosity ν fluid of the fluid. 次に、壁面摩擦応力τ を、上記(3)式或は(4)式で算出する。 Next, the wall friction stress tau w, is calculated in the above (3) or (4). τ が得られれば、上記(2)式で最大振幅a[m]、波長λ[m]、位相速度c[m/s]を得ることができる。 as long obtained tau w, (2) the maximum amplitude a [m] in equation wavelength lambda [m], it is possible to obtain the phase velocity c [m / s]. Lは不変であるから、ν、ρ及びU lamを固定にすれば、進行波の波長及び振幅は固定的な値になるので、振動体102及びこれに与える交流電源の周波数及び電圧等は一意に決まる。 Since L is invariable, [nu, if the ρ and U lam the fixed, since the wavelength and amplitude of the traveling wave is a fixed value, the frequency and voltage, etc. of the AC power source for supplying the vibrating member 102 and to the unique determined.
波長λから周波数を算出するには、次の(5)式に示すように位相速度cを波長λで割って得る。 To calculate the frequency from a wavelength lambda is obtained by dividing the phase velocity c as shown in the following equation (5) at a wavelength lambda.

以上の式をまとめると、周波数fは、移動体の進行方向の長さLから上記(3)式或は(4)式で壁面摩擦応力τ を得た後、動粘度ν、巡航速度U lamに基づき、以下の式で得られる。 Summarizing the above equation, the frequency f is, after obtaining the wall friction stress tau w in equation (3) or (4) from the length L in the traveling direction of the moving body, the kinematic viscosity [nu, cruising speed U based on lam, obtained by the following equation.

図6(a)及び(b)は、DNSの結果を示すグラフである。 6 (a) and 6 (b) is a graph showing the results of DNS. 振幅a、波長λ、位相速度cの全ての要素を可変にしてグラフを得るのは困難であるので、予め壁面速度の振幅a'(=2πa・c/λ)について二つの値を決めておき、波長λと位相速度cを変化させた場合の、動力削減率を等値線でグラフにした。 Amplitude a, wavelength lambda, so to obtain a graph with all elements of the phase velocity c variable is difficult, advance decided two values ​​for pre-wall velocity amplitude a '(= 2πa · c / λ) , when changing the wavelength λ and the phase velocity c, and the graph of the power reduction rate isolines.
図6(a)は、a'/u τを「5」とした場合、図6(b)はa'/u τを「15」とした場合である。 6 (a) is 'when the / u tau "5", 6 (b) is a' a is the case of the "15" and / u tau. 何れのグラフも、楕円で示した領域で動力削減率が最大で80%の効果を得られることが判った。 Any graph also power reduction rate in a region indicated by ellipses could be obtained a 80% effect at maximum. この範囲では、壁面変位の振幅aは3〜10ν/u τとなる。 In this range, the amplitude a of the wall displacement becomes 3~10ν / u τ.
前述の式(2)は、図6(a)及び(b)より導き出された。 The aforementioned equation (2) is derived from FIG. 6 (a) and (b).

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。 As an example, it marks the calculation result in the case of applying the present invention to an actual moving body. 航空機として、ボーイング777−300の場合を記す。 As aircraft, it referred to the case of the Boeing 777-300.
進行波のパラメータは、波長λ:1.7mm,最大振幅a:28μm,周波数f:150kHzとなった。 Parameters of the traveling wave, wavelength lambda: 1.7 mm, the maximum amplitude a: 28 .mu.m, the frequency f: became 150 kHz. 人間には聞こえない周波数であり、既存の積層型圧電素子で出せる範囲である。 The man is a frequency inaudible range put out by the existing multi-layer piezoelectric element.
実現するための材料としては、厚さ14μmのジュラルミンや厚さ44μmのアルミニウムなどが好適であると算出できた。 As a material for realizing, aluminum duralumin and thickness 44μm thick 14μm was calculated to be suitable. 勿論、材料毎に最適な厚みは変わる。 Of course, it changes the optimum thickness for each material. なお、現在の航空機材料は普通のジュラルミンよりもう少し強度があるので厚さが減少すると思われる。 It should be noted that, since the current of aircraft material, it is a little more intensity than normal duralumin thickness are likely to decrease.

航空機であっても船舶であっても、振動体102は超音波領域で微小振動を行う。 Even ship even aircraft, vibrator 102 performs small vibrations in the ultrasonic range. したがって、このような駆動を実現する手段としては、電磁式のアクチュエータよりも、積層型圧電素子の方が好適であると思われる。 Therefore, as means for realizing such a driving, than electromagnetic actuator, towards the multilayer piezoelectric element is deemed to be suitable.

以上説明したように、移動体外壁101に振動体102を取り付け、振動体102を所定の周波数の交流電力で駆動させる。 As described above, the vibrator 102 attached to the moving body outer wall 101, to drive the vibrating member 102 by an AC power of a predetermined frequency. 交流電力の周波数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。 Frequency of the AC power based on the above arithmetic expression, the cruising speed of the moving object, and the dynamic viscosity of the fluid can be calculated based on the length of the moving body in the moving direction of the fluid. このようにして周波数を決定した交流電力で振動体102を駆動すると、移動体外壁101に摩擦抵抗低減効果が生じる。 Thus to drive the vibrating member 102 by the AC power to determine the frequency, the frictional resistance reduction effect occurs to the mobile outer wall 101.

本実施形態は、以下のような応用例が考えられる。 This embodiment is considered applications as follows.
(1)前述の通り、移動体外壁101に発生させる進行波の波長は、流体の動粘度と、移動体の速度と、流体の移動方向における移動体の長さに依存し、前述の式で算出できる。 (1) As described above, the wavelength of the traveling wave to be generated in the mobile outer wall 101 has a kinematic viscosity of the fluid, the speed of the moving object, depending on the length of the moving body in the moving direction of the fluid, in the aforementioned formula calculation can be. この三つのパラメータのうち、流体の動粘度と移動体の長さは一定である。 Of the three parameters, a constant length of the moving body and the kinematic viscosity of the fluid. つまり、移動体の速度に応じて最適な波長の進行波を移動体外壁101に発生させることで、巡航速度移動時のみならず、加速時或は減速時であっても適切な進行波を移動体外壁101に発生させ、エネルギー効率を更に高めることが期待できる。 In other words, by generating a traveling wave of optimum wavelength depending on the speed of the moving body in the moving body outer wall 101, not only the cruising speed movement, even during acceleration or deceleration appropriate traveling wave moving is generated in the Karadagaiheki 101, it can be expected to further enhance the energy efficiency.

図7は、進行波発生装置のブロック図である。 Figure 7 is a block diagram of a traveling-wave generating device.
進行波発生装置701は、周知のマイコンに周辺回路を追加して構成される。 Traveling-wave generating device 701 is configured by adding a peripheral circuit to a known microcomputer.
速度計702は、移動体の移動速度を電圧信号として出力する。 Speedometer 702 outputs the moving speed of the moving object as a voltage signal. 航空機であれば周知のピトー管センサである。 Is a well-known Pitot tube sensor if the aircraft. 速度計702は、進行波を算出するための要素である、移動体の速度情報を得るために設けられる。 Speedometer 702 is an element for calculating the traveling wave is provided in order to obtain the speed information of the movable body. 勿論、速度計702自体は輸送機であれば必ず装備されている。 Of course, the speed meter 702 itself are always equipped if the transport aircraft.

温度計703は周知のサーミスタ等の素子であり、温度を電圧信号として出力する。 Thermometer 703 is a device such as a known thermistor, it outputs the temperature as a voltage signal. 高度計704は航空機の場合にのみ用いられる。 Altimeter 704 is used only in the case of an aircraft. 温度計703と高度計704は、進行波を算出するための要素である、流体の動粘度情報を算出するために用いられる。 Altimeter 704 and thermometer 703 is an element for calculating the traveling wave is used to calculate the kinematic viscosity information of the fluid.
A/D変換器705は、速度計702、温度計703及び高度計704の電圧をデジタルデータに変換する。 A / D converter 705 converts speedometer 702, the voltage of the thermometer 703 and altimeter 704 into digital data.

なお、船舶の場合はGPSを用いて速度を算出していることが多く、また航空機もピトー管センサから得られる速度情報の誤差をGPSで補正することも行われていることから、速度計702及びA/D変換器705は移動体に元々設置されている速度計測手段からデータを得ることが望ましい。 Incidentally, since the case of vessels have been made that it is often also to correct an error of the velocity information aircraft is also obtained from the pitot tube sensor GPS that calculates the speed by using the GPS, speedometer 702 and a / D converter 705 it is desirable to obtain data from the speed measuring means is originally installed in the mobile.

A/D変換器705が出力するデータはマイコンよりなる演算部706に入力される。 Data A / D converter 705 is output is input to the arithmetic unit 706 consisting of a microcomputer. 演算部706には図示しないROMに格納された流体特性データ707及び移動体長データ708も入力される。 Fluid property data 707 and the mobile body length data 708 in the arithmetic unit 706 is stored in a ROM (not shown) is also input. 演算部706は、温度計703と、航空機の場合は高度計704のデータと流体特性データ707のデータに基づいて動粘度を算出した後、速度計702のデータと移動体長データ708を用いて進行波の周波数を算出する。 Calculation unit 706, a thermometer 703, after calculating the kinematic viscosity based on the data of the data and fluid properties data 707 altimeter 704 For aircraft, traveling wave using data with a mobile body length data 708 of speedometer 702 to calculate the frequency of.

演算部706が算出した周波数データはD/A変換器709でアナログ電圧に変換され、VCO710に入力される。 Frequency data calculation unit 706 has calculated is converted into an analog voltage by the D / A converter 709 is input to VCO710. VCO710は入力電圧に従う周波数の信号を発生する。 VCO710 generates a signal of a frequency according to the input voltage. この信号はドライバ711で電力増幅され、振動体102を駆動する。 This signal is power-amplified by the driver 711 to drive the vibrator 102.
進行波発生装置701は、流体粘性データ及び移動体長データ708を変更すれば、移動体の種類を超えて適用できる。 Traveling-wave generating device 701, by changing the fluid viscosity data and the moving body length data 708, can be applied beyond the type of moving body. つまり、進行波発生装置701はROM内の流体特性データ707及び移動体長データ708を書き換えるだけで、船舶にも航空機にも列車にも応用できる。 That is, the traveling wave generating device 701 only rewriting the fluid characteristic data 707 and the mobile body length data 708 in ROM, it can be applied to trains the aircraft to the ship.

本実施形態では、移動体外壁101を開示した。 In the present embodiment, the disclosed mobile outer wall 101.
移動体外壁101の先端部分に、進行波を発生させるための振動体を付着させた。 The tip portion of the moving body outer wall 101, was deposited vibrator for generating a traveling wave. 振動体は、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波数で振動する。 Vibrator, and the dynamic viscosity of the fluid, and a cruising speed of the moving object, oscillates at a frequency that is calculated based on the length of the moving body in the moving direction of the fluid. このように移動体外壁101全体が振動することで、移動体外壁101を覆う流体は乱流から層流に変化し、流体摩擦が最大で約80%軽減できる。 By this the entire mobile outer wall 101 is vibrated, the fluid covering the mobile outer wall 101 is changed to a laminar flow from a turbulent flow, fluid friction can be reduced about 80% at maximum.

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。 Having described exemplary embodiments of the present invention, the present invention is not limited to the above embodiment, without departing from the gist of the present invention described in the claims, other variations, including an application example.

101…移動体外壁、102…振動体、103…フレーム、103a…フレーム、103b…フレーム、201…振動板、202…振動手段、203…負荷手段、204…インシュレータ、401…航空機、501…船舶、502…船体、503a…振動体、503b…振動体、504a…インシュレータ、701…進行波発生装置、702…速度計、703…温度計、704…高度計、705…A/D変換器、706…演算部、707…流体特性データ、708…移動体長データ、709…D/A変換器、710…VCO、711…ドライバ 101 ... moving outer wall, 102 ... vibrator, 103 ... frame, 103a ... frame, 103b ... frame, 201 ... diaphragm, 202 ... vibration means, 203 ... load means, 204 ... insulator, 401 ... aircraft, 501 ... ship, 502 ... hull, 503a ... vibrator, 503b ... vibrator, 504a ... insulator, 701 ... traveling-wave generating device, 702 ... speedometer, 703 ... thermometer, 704 ... altimeter, 705 ... A / D converter, 706 ... operation Department, 707 ... fluid property data, 708 ... mobile body length data, 709 ... D / A converter, 710 ... VCO, 711 ... driver

Claims (2)

  1. 移動体を覆う移動体外壁と、 A moving outer wall covering the moving body,
    前記移動体外壁の、前記移動体の進行方向前方に設けられ、前記移動体外壁に前記移動体の進行方向に沿う進行波を発生させるための振動体と、 A vibrating body for causing the mobile outer wall, provided ahead in the traveling direction of the moving body, generating a traveling wave along the moving direction of the moving body in the moving body outer wall,
    前記振動体に、前記移動体外壁に接触する流体の動粘度νと、前記移動体の巡航速度U lamと、前記移動体の進行方向の長さLに基づく周波数の交流電圧を供給する交流電源とを具備し、 Said vibrating body, wherein the kinematic viscosity of the fluid ν in contact with the moving body outer wall, said a cruising speed U lam mobile AC power source for supplying an AC voltage of a frequency based on the length L in the traveling direction of the moving body provided with a door,
    前記交流電源の周波数fを、前記移動体の進行方向の長さLから壁面摩擦応力τ を得て、前記動粘度ν、前記巡航速度U lam から、 The frequency f of the alternating current power supply, the traveling direction of the moving body from the length L to obtain a wall friction stress tau w, the kinematic viscosity [nu, from the cruising speed U lam,
    で得る、摩擦抵抗低減装置。 Obtained, the frictional resistance reduction device.
  2. 更に、 In addition,
    前記移動体外壁に発生させる前記進行波の最大振幅a The maximum amplitude a of the traveling wave to be generated in the movable body outer wall
    で得る、請求項1に記載の摩擦抵抗低減装置。 Obtained, the frictional resistance reducing device according to claim 1.
JP2010053834A 2010-03-10 2010-03-10 Frictional resistance reduction device Active JP5590442B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010053834A JP5590442B2 (en) 2010-03-10 2010-03-10 Frictional resistance reduction device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010053834A JP5590442B2 (en) 2010-03-10 2010-03-10 Frictional resistance reduction device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2011185409A true JP2011185409A (en) 2011-09-22
JP5590442B2 true JP5590442B2 (en) 2014-09-17

Family

ID=44791932

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2010053834A Active JP5590442B2 (en) 2010-03-10 2010-03-10 Frictional resistance reduction device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5590442B2 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6413959B2 (en) 2015-07-08 2018-10-31 トヨタ自動車株式会社 Fluid transportation device

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2829575B2 (en) * 1995-09-12 1998-11-25 勝次 沖野 Boundary layer separation preventing device of the mobile
JPH10281115A (en) * 1997-04-08 1998-10-20 Hitachi Ltd Fluid control method
JP2862855B1 (en) * 1998-01-05 1999-03-03 神鋼電機株式会社 Boundary layer control actuator
US6516652B1 (en) * 1999-06-08 2003-02-11 Cortana Corporation Design of viscoelastic coatings to reduce turbulent friction drag

Also Published As

Publication number Publication date Type
JP2011185409A (en) 2011-09-22 application

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kistler Fluctuating wall pressure under a separated supersonic flow
He et al. Plasma flaps and slats: an application of weakly ionized plasma actuators
Jones Wing theory
Smith et al. Vectoring and small-scale motions effected in free shear flows using synthetic jet actuators
Thomas et al. Plasma actuators for cylinder flow control and noise reduction
Nelson et al. Fluid dynamics of a flow excited resonance, part I: experiment
Gordnier High fidelity computational simulation of a membrane wing airfoil
Little et al. High-lift airfoil trailing edge separation control using a single dielectric barrier discharge plasma actuator
Pham et al. Investigation of unsteady sheet cavitation and cloud cavitation mechanisms
US5551369A (en) Dualcavitating hydrofoil structures
Modi Moving surface boundary-layer control: A review
US4893496A (en) Torsional wave fluid sensor and system
Lee et al. Investigation of flow over an oscillating airfoil
Zaman et al. Control of laminar separation over airfoils by acoustic excitation
Wygnanski et al. Boundary layer and flow control by periodic addition of momentum
Gilarranz et al. A new class of synthetic jet actuators—part II: application to flow separation control
Huang et al. Unsteady plasma actuators for separation control of low-pressure turbine blades
Beck Time-domain computations for floating bodies
Tam The acoustic modes of a two-dimensional rectangular cavity
Jacquin et al. Experimental study of shock oscillation over a transonic supercritical profile
Kapsenberg Slamming of ships: where are we now?
Jenkins et al. Measurements of unsteady wake interference between tandem cylinders
Cheng et al. Perturbed interaction between vortex shedding and induced vibration
Simonsen et al. EFD and CFD for KCS heaving and pitching in regular head waves
Downie et al. Effect of vortex shedding on the coupled roll response of bodies in waves

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20130118

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20131121

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20131210

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20140206

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20140708

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20140717

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5590442

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250