JPH06200909A - 壁有界流体流動領域における乱流制御方法及びその装置 - Google Patents
壁有界流体流動領域における乱流制御方法及びその装置Info
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- JPH06200909A JPH06200909A JP4310639A JP31063992A JPH06200909A JP H06200909 A JPH06200909 A JP H06200909A JP 4310639 A JP4310639 A JP 4310639A JP 31063992 A JP31063992 A JP 31063992A JP H06200909 A JPH06200909 A JP H06200909A
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
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- B64C21/10—Influencing air flow over aircraft surfaces by affecting boundary layer flow using other surface properties, e.g. roughness
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 乱流の流動率を増加させ、抵抗力を減少させ
ること。 【構成】 乱流壁域を有する壁有界流体流動領域１０に
おける乱流であり、流れ１３の方向に延在する対の渦系
１４，１６及び、対の渦系と干渉する伝搬構造により特
徴づけられる。この乱流は、乱流内への導入により、ま
た、所定の傾斜角度で流れの方向に向かう伝搬構造の特
徴を変える攪乱によりコントロールされる。攪乱が伝搬
構造の振幅を増す場合は、乱流の混合もしくは乱流の熱
伝導が増加し、攪乱が伝搬構造の振幅を減らす場合は、
乱流抵抗力が減少する。
ること。 【構成】 乱流壁域を有する壁有界流体流動領域１０に
おける乱流であり、流れ１３の方向に延在する対の渦系
１４，１６及び、対の渦系と干渉する伝搬構造により特
徴づけられる。この乱流は、乱流内への導入により、ま
た、所定の傾斜角度で流れの方向に向かう伝搬構造の特
徴を変える攪乱によりコントロールされる。攪乱が伝搬
構造の振幅を増す場合は、乱流の混合もしくは乱流の熱
伝導が増加し、攪乱が伝搬構造の振幅を減らす場合は、
乱流抵抗力が減少する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、壁有界流体流動領域に
おける乱流制御方法及びその装置に関する。
おける乱流制御方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】関連発行物として以下のものがある。
【０００３】（１）「乱流水路流動における平面上波動
及び構造（Plane waves and Structures in Turbulent
Channel Flow）」 L. Sirovich、K. S. Ball及び L. R.
Keefer 著、１９９０年１２月発行 Phys. Fluids A2(1
2)内、２２１７−２２２６ページ。
及び構造（Plane waves and Structures in Turbulent
Channel Flow）」 L. Sirovich、K. S. Ball及び L. R.
Keefer 著、１９９０年１２月発行 Phys. Fluids A2(1
2)内、２２１７−２２２６ページ。
【０００４】（２）「壁有界乱流流動における伝搬構造
（Propagating Structures in Wall-Bounded Turblent
Flow）」 L. Sirovich、K. S. Ball及び R. A. Handler
著、１９９０年発行 Theoret. Comput. Fluid Dynamics
内、２：３０７−３１７。
（Propagating Structures in Wall-Bounded Turblent
Flow）」 L. Sirovich、K. S. Ball及び R. A. Handler
著、１９９０年発行 Theoret. Comput. Fluid Dynamics
内、２：３０７−３１７。
【０００５】従来の流体機構の見解では、乱流は、全て
の自由な励振を伴う無秩序な状態として認識されてい
る。このような認識は、大気における天候の変化や管内
の水の流動などの大きな規模な直接的観測から、コーヒ
ーの中でクリームを掻き回すことやペイントの合成とい
った世俗的経験により確証されるものである。
の自由な励振を伴う無秩序な状態として認識されてい
る。このような認識は、大気における天候の変化や管内
の水の流動などの大きな規模な直接的観測から、コーヒ
ーの中でクリームを掻き回すことやペイントの合成とい
った世俗的経験により確証されるものである。
【０００６】乱流は、害にも益にもなり得る。車や飛行
機に、望まれない抵抗力を作り出したりする一方、エン
ジン内で空気と、流体を混合したり、もしくは、急速に
室内に熱を分配する効果をもたらす。乱流は、人間の経
験上に、莫大な影響を及ぼしてきたが、無秩序な状態と
しての認識が近年まで科学的分析を妨げていた。壁有界
乱流の数的調査及び近年の実験を促すスーパーコンピュ
ーターの出現によって、乱流の認識において、目覚まし
い変化が生じた。乱流が無秩序な状態であると考えられ
ていたものが、現在は、表面上は無秩序状態であるその
中心部の動きに一貫性があるものと考えられている。
機に、望まれない抵抗力を作り出したりする一方、エン
ジン内で空気と、流体を混合したり、もしくは、急速に
室内に熱を分配する効果をもたらす。乱流は、人間の経
験上に、莫大な影響を及ぼしてきたが、無秩序な状態と
しての認識が近年まで科学的分析を妨げていた。壁有界
乱流の数的調査及び近年の実験を促すスーパーコンピュ
ーターの出現によって、乱流の認識において、目覚まし
い変化が生じた。乱流が無秩序な状態であると考えられ
ていたものが、現在は、表面上は無秩序状態であるその
中心部の動きに一貫性があるものと考えられている。
【０００７】例えば、飛行機の羽上の空気流もしくは導
管内の流体流の場合において、流れる乱流の壁もしくは
境界の綿密な調査によって、外方端及び下層上部ではな
く、壁に隣接した位置で、逆回転渦の形態が、一貫した
構造を有することが証明された。しばし、流れと呼ばれ
るそれらの渦には、それらの動的動きの中で、かなりの
蛇行及び変化が見られた。ここで、流体活動の第１移動
主部内に、壁近辺よりゆっくり移動する流体の突然のバ
ーストを起こさせる突然の歪み及びねじれが、非常に重
要である。このバーストは、壁上の正味の抵抗力を引き
起こさせる。壁上の抵抗力の８０％の原因となるそれら
のバーストは、単にその時間の約２０％を引き起こす
と、見積もられている。更に、そのような流動変化の調
査により、渦の歪みが、全ての壁有界乱流の典型である
一時的変化を通じて、普遍的に一貫した変化を受けるこ
とが証明された。
管内の流体流の場合において、流れる乱流の壁もしくは
境界の綿密な調査によって、外方端及び下層上部ではな
く、壁に隣接した位置で、逆回転渦の形態が、一貫した
構造を有することが証明された。しばし、流れと呼ばれ
るそれらの渦には、それらの動的動きの中で、かなりの
蛇行及び変化が見られた。ここで、流体活動の第１移動
主部内に、壁近辺よりゆっくり移動する流体の突然のバ
ーストを起こさせる突然の歪み及びねじれが、非常に重
要である。このバーストは、壁上の正味の抵抗力を引き
起こさせる。壁上の抵抗力の８０％の原因となるそれら
のバーストは、単にその時間の約２０％を引き起こす
と、見積もられている。更に、そのような流動変化の調
査により、渦の歪みが、全ての壁有界乱流の典型である
一時的変化を通じて、普遍的に一貫した変化を受けるこ
とが証明された。
【０００８】流れの幅について詳述すると、流れとは、
壁に隣接した流れの第２層の上部の局部状態を現すもの
であり、壁の性質でなければ、壁から有効に離れた流動
領域でもないことを理解することが第一に必要である。
局部状態は、壁、ｓ、流体の稠密、ｒ、及び流体の粘着
性に基づく、平均摩擦圧により、十分に特定される。こ
れらの量は、局部寸法もしくは常に壁単位として表さ
れ、ｍ／（ｓｒ）1/2 長さ寸法１＊を定義する。主要な
渦の直径は、約１００壁単位、もしくは一対ごとに２０
０ １＊である。
壁に隣接した流れの第２層の上部の局部状態を現すもの
であり、壁の性質でなければ、壁から有効に離れた流動
領域でもないことを理解することが第一に必要である。
局部状態は、壁、ｓ、流体の稠密、ｒ、及び流体の粘着
性に基づく、平均摩擦圧により、十分に特定される。こ
れらの量は、局部寸法もしくは常に壁単位として表さ
れ、ｍ／（ｓｒ）1/2 長さ寸法１＊を定義する。主要な
渦の直径は、約１００壁単位、もしくは一対ごとに２０
０ １＊である。
【０００９】「ドミナント」という言葉は、渦直径に係
わり、（うねり速度の）乱流エネルギーの最大量が、こ
の寸法の活動モードに存在するという意味である。加え
て、寸法の範囲と乱流エネルギーの有効量を有する同じ
渦型のその他のモードがある。要約すると、壁上の抵抗
力に対する主要誘因は、それらの渦型モードの秩序の崩
壊の為、歪みを生じ、最終的には、ゆっくりとした流体
移動をそれよりも急速な流体移動内に混合させる比較的
激しいバーストを引き起こす。
わり、（うねり速度の）乱流エネルギーの最大量が、こ
の寸法の活動モードに存在するという意味である。加え
て、寸法の範囲と乱流エネルギーの有効量を有する同じ
渦型のその他のモードがある。要約すると、壁上の抵抗
力に対する主要誘因は、それらの渦型モードの秩序の崩
壊の為、歪みを生じ、最終的には、ゆっくりとした流体
移動をそれよりも急速な流体移動内に混合させる比較的
激しいバーストを引き起こす。
【００１０】壁有界乱流内の変化の様子は、伝搬構造
が、乱流壁領域に存在するという発見で更に明らかにさ
れた。前述の関連発行物（１）では、伝搬構造は、一定
したグループ速度において伝搬する一貫したパターンで
あることを示している。前述の関連発行物（２）では、
伝搬構造の存在が更に確認されている。２０年前に書か
れた書類を明示した文献調査は、乱流内のそのような伝
搬モードによって供給された存在及び機能をほのめかし
はしたが、直接的示唆はしなかった。
が、乱流壁領域に存在するという発見で更に明らかにさ
れた。前述の関連発行物（１）では、伝搬構造は、一定
したグループ速度において伝搬する一貫したパターンで
あることを示している。前述の関連発行物（２）では、
伝搬構造の存在が更に確認されている。２０年前に書か
れた書類を明示した文献調査は、乱流内のそのような伝
搬モードによって供給された存在及び機能をほのめかし
はしたが、直接的示唆はしなかった。
【００１１】前述の発行物内で論じられているように、
抵抗力を作り出す原因を生じさせるバーストの誘因とし
ての伝搬モードは、乱流壁有界流動内に見られる。伝搬
モードは、比較的小さなそれ自身のエネルギーを運ぶ
が、バーストは、伝搬モードが存在する時を除いては、
発生しない。加えて、バーストの実験に基づき又数的に
測定した場合の過程は、伝搬モードのそれと比較され
る。最も活動的な、従って、最も重要な伝搬モードは、
流れ方向から約６５゜の角度で伝わり、５０−８０゜の
範囲にあるそれらは、伝搬モードのドミナントエネルギ
ーを有する。
抵抗力を作り出す原因を生じさせるバーストの誘因とし
ての伝搬モードは、乱流壁有界流動内に見られる。伝搬
モードは、比較的小さなそれ自身のエネルギーを運ぶ
が、バーストは、伝搬モードが存在する時を除いては、
発生しない。加えて、バーストの実験に基づき又数的に
測定した場合の過程は、伝搬モードのそれと比較され
る。最も活動的な、従って、最も重要な伝搬モードは、
流れ方向から約６５゜の角度で伝わり、５０−８０゜の
範囲にあるそれらは、伝搬モードのドミナントエネルギ
ーを有する。
【００１２】誘因モードの波長も又、重要な要因であ
る。渦の寸法に対応する波長を伴う波は、バーストの際
有効な役割を果たす。
る。渦の寸法に対応する波長を伴う波は、バーストの際
有効な役割を果たす。
【００１３】最も有効な誘因モードは、エネルギーを有
する渦モードの波長に比例する水平な広がりを有する。
これは、渦モードの追放を促進させる共振機構の存在を
強力に示す。関連する目的によっては、主要誘因モード
は、時として長い波長モードとして示される。有効な長
い波長モードは存在しないが、多くの短い波長モードが
存在する。
する渦モードの波長に比例する水平な広がりを有する。
これは、渦モードの追放を促進させる共振機構の存在を
強力に示す。関連する目的によっては、主要誘因モード
は、時として長い波長モードとして示される。有効な長
い波長モードは存在しないが、多くの短い波長モードが
存在する。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の課題
は、誘因モードの変更を通して変更及び制御乱流に用い
られる方法とその装置を提供するものである。
は、誘因モードの変更を通して変更及び制御乱流に用い
られる方法とその装置を提供するものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明は、乱流壁領域を
有する壁有界流体流動領域における乱流を制御するもの
である。乱流壁領域は、乱流壁領域に導入されることに
より、流れの方向に延在する対の渦又は条跡の系により
特徴づけられ、また、伝搬構造に強く関連し、かつ、対
の渦の系と干渉して伝搬構造を変更する攪拌領域により
特徴づけられる。この攪拌領域は、対の渦の系と干渉す
るこれら伝搬構造に変化を与えて、一端で乱流の混合を
増加し、他端で乱流抵抗力を減少させる。
有する壁有界流体流動領域における乱流を制御するもの
である。乱流壁領域は、乱流壁領域に導入されることに
より、流れの方向に延在する対の渦又は条跡の系により
特徴づけられ、また、伝搬構造に強く関連し、かつ、対
の渦の系と干渉して伝搬構造を変更する攪拌領域により
特徴づけられる。この攪拌領域は、対の渦の系と干渉す
るこれら伝搬構造に変化を与えて、一端で乱流の混合を
増加し、他端で乱流抵抗力を減少させる。
【００１６】好ましくは、この攪拌領域は、共鳴波長に
より変調されることである。この共鳴波長は、１００−
３００ １＊の範囲にある。ここで、１＊は壁単位の寸
法である。
より変調されることである。この共鳴波長は、１００−
３００ １＊の範囲にある。ここで、１＊は壁単位の寸
法である。
【００１７】さらに、好ましくは、攪拌の振幅は、１０
−２０ １＊の範囲にあることである。
−２０ １＊の範囲にあることである。
【００１８】ここで、本発明は、誘因モードの変更によ
り乱流を改良し、制御することに焦点を合わせたもので
ある。コンピューター誘導の連続過程において、固定さ
れた壁で水路を下方に流動させた乱流が考えられた。誘
導行程間に、選択的に選択された誘因モードにねじれが
生じた。波動面のランダム化は、ねじれ手段として選択
された。事実上、これは、長い波動を抑圧する。波動面
ランダム化の方法については、特に特定するものではな
い。又、その他のねじれ方法も同様に作動する。長い波
長伝搬モードのみの波動面のランダム化により、流動率
が、３０％以上増加したことが判明した。この効果を伴
って、４０％以上の抵抗力減少が生じることが示されて
いる。長い波長モード以外のモードのランダム化は、ほ
とんど又は全く効果がない。その一方、長い波長伝搬モ
ードの振幅の増加は、実質的に乱流の混合を増す。これ
は、波長と渦モードとの干渉相互作用が、バースト機構
の基本であることの強力な具体例である。
り乱流を改良し、制御することに焦点を合わせたもので
ある。コンピューター誘導の連続過程において、固定さ
れた壁で水路を下方に流動させた乱流が考えられた。誘
導行程間に、選択的に選択された誘因モードにねじれが
生じた。波動面のランダム化は、ねじれ手段として選択
された。事実上、これは、長い波動を抑圧する。波動面
ランダム化の方法については、特に特定するものではな
い。又、その他のねじれ方法も同様に作動する。長い波
長伝搬モードのみの波動面のランダム化により、流動率
が、３０％以上増加したことが判明した。この効果を伴
って、４０％以上の抵抗力減少が生じることが示されて
いる。長い波長モード以外のモードのランダム化は、ほ
とんど又は全く効果がない。その一方、長い波長伝搬モ
ードの振幅の増加は、実質的に乱流の混合を増す。これ
は、波長と渦モードとの干渉相互作用が、バースト機構
の基本であることの強力な具体例である。
【００１９】
【実施例】次に、本発明による実施例を図面を参照して
説明する。
説明する。
【００２０】図１に示す通り、符号１０は壁有界流体流
動領域を示したものであり、壁有界流体流動領域は、流
体１３を制限する壁１２を含み、流体１３は、逆回転渦
１４、１６の形態を形成する局部構造を有している。そ
れらの渦もしくは流れ（時折そう呼ばれる）の軸は、図
１を示す紙面に向かう流動流体の方向に位置し、図２に
おいて矢印１７により示される。それらの渦の特性の詳
細は、２２２３ページの図１０の参照（１）に含まれて
いる。簡単には、それらの逆回転渦は、流体の力の関数
である直径及びそれらの直径よりも大きい長さ（１００
０ １＊を越える）を有する。上述のように、有力な渦
の直径は、１対ごとに約１００ １＊もしくは２００
１＊である。
動領域を示したものであり、壁有界流体流動領域は、流
体１３を制限する壁１２を含み、流体１３は、逆回転渦
１４、１６の形態を形成する局部構造を有している。そ
れらの渦もしくは流れ（時折そう呼ばれる）の軸は、図
１を示す紙面に向かう流動流体の方向に位置し、図２に
おいて矢印１７により示される。それらの渦の特性の詳
細は、２２２３ページの図１０の参照（１）に含まれて
いる。簡単には、それらの逆回転渦は、流体の力の関数
である直径及びそれらの直径よりも大きい長さ（１００
０ １＊を越える）を有する。上述のように、有力な渦
の直径は、１対ごとに約１００ １＊もしくは２００
１＊である。
【００２１】十分に発展した乱流において、隣接の壁域
を通過して下流に移動するそれらの局部渦構造は、分裂
され、ねじられ、最終的にはバーストする。伝搬モード
の干渉性構造間の干渉を、渦の干渉性構造で流動内に供
給することが、渦のバースト及び主流内に急速流体移動
とともに境界近くのゆっくりした流体移動及びその逆の
一致した混合を生じさせることになる。
を通過して下流に移動するそれらの局部渦構造は、分裂
され、ねじられ、最終的にはバーストする。伝搬モード
の干渉性構造間の干渉を、渦の干渉性構造で流動内に供
給することが、渦のバースト及び主流内に急速流体移動
とともに境界近くのゆっくりした流体移動及びその逆の
一致した混合を生じさせることになる。
【００２２】本発明は、壁有界乱流内に渦モードのバー
ストを起こさせるウェイブ伝搬モードの誘因局面をコン
トロールする為の受動的及び能動的な機構を供給するも
のである。本発明による受動的機構は、ウェイブ伝搬モ
ードをコントロールする為に用いられるものであり、型
修正例えば乱流を含む壁上の溝、波状などが存在する。
例えば、型修正は、壁に実質的に溝をつけること、もし
くは、要求された型を含む粘着性の層を壁に当てること
により行われる。型修正が波状にされる場合、それらの
振幅は、ピーク乱流生成の位置を含む為に、幅１５−２
０のウォールユニット（ｗａｌｌ ｕｎｉｔ）内にある
こととする。典型的起伏の波長もしくはピッチは、乱流
制御の目的によるものである。起伏のオリエンテーショ
ン、すなわち、起伏のピークの間の谷方向は、流れ方向
から約１５−３０゜で傾く。すなわち、起伏の「伝搬」
方向は、流れ方向から約６０−７５゜である。
ストを起こさせるウェイブ伝搬モードの誘因局面をコン
トロールする為の受動的及び能動的な機構を供給するも
のである。本発明による受動的機構は、ウェイブ伝搬モ
ードをコントロールする為に用いられるものであり、型
修正例えば乱流を含む壁上の溝、波状などが存在する。
例えば、型修正は、壁に実質的に溝をつけること、もし
くは、要求された型を含む粘着性の層を壁に当てること
により行われる。型修正が波状にされる場合、それらの
振幅は、ピーク乱流生成の位置を含む為に、幅１５−２
０のウォールユニット（ｗａｌｌ ｕｎｉｔ）内にある
こととする。典型的起伏の波長もしくはピッチは、乱流
制御の目的によるものである。起伏のオリエンテーショ
ン、すなわち、起伏のピークの間の谷方向は、流れ方向
から約１５−３０゜で傾く。すなわち、起伏の「伝搬」
方向は、流れ方向から約６０−７５゜である。
【００２３】図２は、渦１４、１６の平面を示し、波は
それらの渦上に重ねられ、（伝搬モードに）流れ方向１
７と±θ角度をつくる矢印１８によって示された方向に
伝搬される。上記に示したように、θは、有力なエネル
ギー要素を有する波の５０−８０゜範囲にある。伝搬モ
ードの２重方角の説明としては、起伏は、好ましくは図
２に示されるヘリングボーンパターン２０、もしくはク
ロスハッチ又は「ザラザラな（knurled ）」パターンが
ある。
それらの渦上に重ねられ、（伝搬モードに）流れ方向１
７と±θ角度をつくる矢印１８によって示された方向に
伝搬される。上記に示したように、θは、有力なエネル
ギー要素を有する波の５０−８０゜範囲にある。伝搬モ
ードの２重方角の説明としては、起伏は、好ましくは図
２に示されるヘリングボーンパターン２０、もしくはク
ロスハッチ又は「ザラザラな（knurled ）」パターンが
ある。
【００２４】強力な混合及び例えば、熱伝導を増加させ
（すなわち、乱流を増加させ）、従ってバーストの発生
を促進させる為に、起伏は、図３に示されたように厳密
な正弦波パターンに規則をもたせなければならない。波
長ｐは、誘因モードと共振を成し遂げる為に、好ましい
範囲は１００−３００ウォールユニットである。また振
幅ａは好ましくは１５−２０ウォールユニットの範囲内
である。
（すなわち、乱流を増加させ）、従ってバーストの発生
を促進させる為に、起伏は、図３に示されたように厳密
な正弦波パターンに規則をもたせなければならない。波
長ｐは、誘因モードと共振を成し遂げる為に、好ましい
範囲は１００−３００ウォールユニットである。また振
幅ａは好ましくは１５−２０ウォールユニットの範囲内
である。
【００２５】抵抗力を減少させる為に、起伏は、上述の
局面ランダム化に類似した方法で、波に局面妨害を導入
させるパターンを供給すべきである。共振波長によって
「無秩序の」パターン調節を生じさせること、及び波長
内で変動する不釣合な正弦波の適した和を含むことによ
る１つの方法で成し遂げられる。図４に、模範的断面曲
線が、示されている。
局面ランダム化に類似した方法で、波に局面妨害を導入
させるパターンを供給すべきである。共振波長によって
「無秩序の」パターン調節を生じさせること、及び波長
内で変動する不釣合な正弦波の適した和を含むことによ
る１つの方法で成し遂げられる。図４に、模範的断面曲
線が、示されている。
【００２６】乱流を調整する波伝搬モードと干渉するの
に用いられる通過機構の使用に加えて、本発明は、この
目的の為に能動素子の使用をも意図する。図５に示され
た実施例３０は、能動素子の１例を示したものである。
図示されたように、加熱要素３１、３２などの形態にお
いて壁変換器を搭載された発熱（flush)は、ヒーターコ
ントロールの形態における変換コントロール３３によっ
てもたらされる。ヒーターコントロール３３の作動は、
時間的連続においてヒーターを律動的に送り、仕切られ
た流れの壁表面における起伏により発生するのと同様な
パターンで流体の局部的な加熱を与える。そのようにし
て、局部的加熱は、バーストを押さえるか強めるかのど
ちらかの変化をする密度の波パターンを生ずる。
に用いられる通過機構の使用に加えて、本発明は、この
目的の為に能動素子の使用をも意図する。図５に示され
た実施例３０は、能動素子の１例を示したものである。
図示されたように、加熱要素３１、３２などの形態にお
いて壁変換器を搭載された発熱（flush)は、ヒーターコ
ントロールの形態における変換コントロール３３によっ
てもたらされる。ヒーターコントロール３３の作動は、
時間的連続においてヒーターを律動的に送り、仕切られ
た流れの壁表面における起伏により発生するのと同様な
パターンで流体の局部的な加熱を与える。そのようにし
て、局部的加熱は、バーストを押さえるか強めるかのど
ちらかの変化をする密度の波パターンを生ずる。
【００２７】コントロールモード３３は、図７に示され
たように、攪拌の空間的分配を供給し、図６に示された
ように連続した状態のヒーターを励起する。波モード内
における局面干渉を取り入れる波モード又はパターン
は、上述の起伏形状と似た状態の熱パターンによって確
立することができる。
たように、攪拌の空間的分配を供給し、図６に示された
ように連続した状態のヒーターを励起する。波モード内
における局面干渉を取り入れる波モード又はパターン
は、上述の起伏形状と似た状態の熱パターンによって確
立することができる。
【００２８】上述した両機構は、誘因機構を制御し、安
定した流動状態に適している。両例において、パターン
の位置は表面変更、又は、適切な加熱要素の配置と律動
のいずれかにより固定される。固定されたパターンは、
そのパラメーター（レイノルズ数）により明記されたよ
うに流動の状態により、規定される。
定した流動状態に適している。両例において、パターン
の位置は表面変更、又は、適切な加熱要素の配置と律動
のいずれかにより固定される。固定されたパターンは、
そのパラメーター（レイノルズ数）により明記されたよ
うに流動の状態により、規定される。
【００２９】その他の適用は、不安定な流動状況下で、
乱流を制御する。壁に搭載された加熱要素は、流れ方向
に対して垂直な環帯（band) に搭載される。それらの要
素は、いかなる角度の傾斜した波を発生させる為に、時
間的に続いて誘因される。適した誘因させること、もし
くは、加熱要素のグリッドを律動させることにより、能
動のいかなるパターンも、バースト現象を高める又は減
らすのどちらかを確立できる。これは、不安定な流動率
（すなわち不安定なレイノルズ数）が存在する場合にこ
れらの考慮が必要とされるであろう。
乱流を制御する。壁に搭載された加熱要素は、流れ方向
に対して垂直な環帯（band) に搭載される。それらの要
素は、いかなる角度の傾斜した波を発生させる為に、時
間的に続いて誘因される。適した誘因させること、もし
くは、加熱要素のグリッドを律動させることにより、能
動のいかなるパターンも、バースト現象を高める又は減
らすのどちらかを確立できる。これは、不安定な流動率
（すなわち不安定なレイノルズ数）が存在する場合にこ
れらの考慮が必要とされるであろう。
【００３０】流体流動内に導入された攪拌の局面ランダ
ム化、又その一方の局面強化は、壁に搭載された音響発
生器、もしくは、図５の変換器によって示されるように
配置された外部に搭載された音発生器を伴う音波発生の
手段によってもたらされる。誘因モードの局面強化は、
起立波パターンを通り確立されるであろう流体流動の混
合を増すよう導く。起伏表面に関して、上述したパター
ン内に発生する非同時的音発生は、音響発生器の適した
動力配列により生ぜられる。不安定な流動率は、音響動
力伝導部の適したプログラミングにより処理される。
ム化、又その一方の局面強化は、壁に搭載された音響発
生器、もしくは、図５の変換器によって示されるように
配置された外部に搭載された音発生器を伴う音波発生の
手段によってもたらされる。誘因モードの局面強化は、
起立波パターンを通り確立されるであろう流体流動の混
合を増すよう導く。起伏表面に関して、上述したパター
ン内に発生する非同時的音発生は、音響発生器の適した
動力配列により生ぜられる。不安定な流動率は、音響動
力伝導部の適したプログラミングにより処理される。
【００３１】局面ランダム化もしくは、誘因モードの強
化と同じ効果は、適切パターン内で壁のバイブレーショ
ンを生み出すバイブレーション変換器を搭載した壁によ
りもたらされ、流動内へバイブレーションの結果として
生じる変換を伴う。音もしくは音響発生器、又は、バイ
ブレーション変換器は、導管の側壁上もしくはパイプの
周辺上、もしくは、その他の壁有界流動の壁上に配列す
るよう搭載される。
化と同じ効果は、適切パターン内で壁のバイブレーショ
ンを生み出すバイブレーション変換器を搭載した壁によ
りもたらされ、流動内へバイブレーションの結果として
生じる変換を伴う。音もしくは音響発生器、又は、バイ
ブレーション変換器は、導管の側壁上もしくはパイプの
周辺上、もしくは、その他の壁有界流動の壁上に配列す
るよう搭載される。
【００３２】本発明は、また、壁有界流動流体システム
において実施可能なものであり、この流体は、電位的導
電性を有し、例えば、海水である。この場合、攪拌は、
既に述べた方法によって、伝搬構造又はモードにおい
て、所望の攪拌を導入し又は変化をもたらすために、壁
に関連し或いは隣接した磁界又は電磁界により導入され
る。
において実施可能なものであり、この流体は、電位的導
電性を有し、例えば、海水である。この場合、攪拌は、
既に述べた方法によって、伝搬構造又はモードにおい
て、所望の攪拌を導入し又は変化をもたらすために、壁
に関連し或いは隣接した磁界又は電磁界により導入され
る。
【００３３】本発明は、特に導管、曲がった導管、パイ
プ、曲がったパイプ、圧縮機、ポンプ及びタービンに適
用され、乱流を減らす。本発明は又、内燃機関内の燃焼
室及びそのようにチャンバー内の混合が燃焼を促進させ
るよう強めるものに適用される。
プ、曲がったパイプ、圧縮機、ポンプ及びタービンに適
用され、乱流を減らす。本発明は又、内燃機関内の燃焼
室及びそのようにチャンバー内の混合が燃焼を促進させ
るよう強めるものに適用される。
【００３４】乱流が、電気的に導かれている場合、もし
くは、例えば、海水のように弱く導かれている場合、電
気的手段は、これまでに述べた波パターンを確立する為
に有効である。図５の変換器によって示されたように配
置された壁に搭載された電極は、局部的加熱に用いられ
る流れ、もしくは、磁界へさらされる流れを引き起こす
のに用いられ、局部力を確立する。それらは、上述され
た適切な波パターンを制御するのに用いられる。最後
に、壁に搭載されたストレインゲージ、圧力ゲージ、熱
電対、もしくは、その他の精巧な寸法測定装置は、誘因
伝搬波の発生を検出するのに用いられる。これらの信号
は、熱の、音響の、もしくは電気の機構のどれかを伴っ
てフィードバックループに使用され、選択的に強化され
る、もしくは、発展する誘因伝搬モードを破壊する。
くは、例えば、海水のように弱く導かれている場合、電
気的手段は、これまでに述べた波パターンを確立する為
に有効である。図５の変換器によって示されたように配
置された壁に搭載された電極は、局部的加熱に用いられ
る流れ、もしくは、磁界へさらされる流れを引き起こす
のに用いられ、局部力を確立する。それらは、上述され
た適切な波パターンを制御するのに用いられる。最後
に、壁に搭載されたストレインゲージ、圧力ゲージ、熱
電対、もしくは、その他の精巧な寸法測定装置は、誘因
伝搬波の発生を検出するのに用いられる。これらの信号
は、熱の、音響の、もしくは電気の機構のどれかを伴っ
てフィードバックループに使用され、選択的に強化され
る、もしくは、発展する誘因伝搬モードを破壊する。
【００３５】一方、本発明は、壁有界流体流動領域にお
いて乱流に関して、開示する。上述した本発明の方法及
び装置は、流体内で移動する隣接した主要部のような乱
流境界流動に使用される。そのようにして、本発明は、
気体内で可動する本体（例えば自動車、飛行機）や水中
内で可動する本体（例えば船舶）に適用される。
いて乱流に関して、開示する。上述した本発明の方法及
び装置は、流体内で移動する隣接した主要部のような乱
流境界流動に使用される。そのようにして、本発明は、
気体内で可動する本体（例えば自動車、飛行機）や水中
内で可動する本体（例えば船舶）に適用される。
【００３６】さらに、前述した方法及びその装置である
本発明は、また、境界層流系において実施可能なもので
あり、この流体は、電位的導電性を有し、例えば、海水
である。この場合、攪拌は、既に述べた方法によって、
伝搬構造又はモードにおいて、所望の攪拌を導入し又は
変化をもたらすために、海水中で作動する船に関連し或
いは隣接した可変磁界又は電磁界により導入される。
本発明は、また、境界層流系において実施可能なもので
あり、この流体は、電位的導電性を有し、例えば、海水
である。この場合、攪拌は、既に述べた方法によって、
伝搬構造又はモードにおいて、所望の攪拌を導入し又は
変化をもたらすために、海水中で作動する船に関連し或
いは隣接した可変磁界又は電磁界により導入される。
【００３７】現行の物理上の実験において、比較的弱い
音発生器を、風洞の試験片に音響攪拌を導入するのに用
いる場合、乱流抵抗力内に実質的減少（９％）が見られ
た。図８は、実験に用いられた音響共鳴装置と試験片と
の間の関係を示している。示されたように風洞の試験片
は、約高さ５７ｃｍ×幅８１ｃｍであり、約３８０ｃｍ
の長さを有したものであった。音発生器は、約６５゜の
角度で試験片の側面に設けられていた。音発生器は、ス
ピーカーの反対側にある約８×２２ｃｍの拡声器が設け
られた端部に約２２ｃｍの長さを有し約６１×２２ｃｍ
の細くした片を有する共鳴ボックスの形態であった。細
片に、片側に約４２ｃｍの長さ及びその反対側に約７２
ｃｍの長さを有する線形片が設けられた。線形片の自由
な端部は、塞ぎを解除し、高さ１ｃｍ×長さ６１ｃｍの
切り口を生じる。切り口は、試験片の壁と一列上に配置
される。
音発生器を、風洞の試験片に音響攪拌を導入するのに用
いる場合、乱流抵抗力内に実質的減少（９％）が見られ
た。図８は、実験に用いられた音響共鳴装置と試験片と
の間の関係を示している。示されたように風洞の試験片
は、約高さ５７ｃｍ×幅８１ｃｍであり、約３８０ｃｍ
の長さを有したものであった。音発生器は、約６５゜の
角度で試験片の側面に設けられていた。音発生器は、ス
ピーカーの反対側にある約８×２２ｃｍの拡声器が設け
られた端部に約２２ｃｍの長さを有し約６１×２２ｃｍ
の細くした片を有する共鳴ボックスの形態であった。細
片に、片側に約４２ｃｍの長さ及びその反対側に約７２
ｃｍの長さを有する線形片が設けられた。線形片の自由
な端部は、塞ぎを解除し、高さ１ｃｍ×長さ６１ｃｍの
切り口を生じる。切り口は、試験片の壁と一列上に配置
される。
【００３８】測定は、試験片の壁近辺より３０ｃｍ離れ
た２点において、直線の熱線を使用して行われた。点の
１つは、共鳴装置の軸と一致し、試験片内に約１９０ｃ
ｍ配置された。
た２点において、直線の熱線を使用して行われた。点の
１つは、共鳴装置の軸と一致し、試験片内に約１９０ｃ
ｍ配置された。
【００３９】軸点において、乱流境界層の厚みは、自由
な流れの速さを基本とした７．７×１０5 のレイノルズ
数を伴う流動の為、４８ｍｍであった。約９％の抵抗減
少は、音声信号を作り出す増幅器によって駆動された拡
声器で得た。音声信号は、A.R. Handler, E. Levich 及
び L.Sirovich 流体、物理学者達によって書かれた「局
面ランダム化による流体通路における抵抗減少（Drag r
eduction in turbulent Channel Flow by Phase Random
ization)」内に述べられた分析に従い、４２６Ｈｚで、
０−３６０゜の範囲にランダム化された位相をともなっ
て動力周波が約１７０Ｈｚで可動する。試験片内に導入
された音響攪拌内に使用された周波もしくは波長は、本
発明に詳述されたように、すなわち１００−３００ １
＊（１＊は１ウォールユニット）範囲内であった。
な流れの速さを基本とした７．７×１０5 のレイノルズ
数を伴う流動の為、４８ｍｍであった。約９％の抵抗減
少は、音声信号を作り出す増幅器によって駆動された拡
声器で得た。音声信号は、A.R. Handler, E. Levich 及
び L.Sirovich 流体、物理学者達によって書かれた「局
面ランダム化による流体通路における抵抗減少（Drag r
eduction in turbulent Channel Flow by Phase Random
ization)」内に述べられた分析に従い、４２６Ｈｚで、
０−３６０゜の範囲にランダム化された位相をともなっ
て動力周波が約１７０Ｈｚで可動する。試験片内に導入
された音響攪拌内に使用された周波もしくは波長は、本
発明に詳述されたように、すなわち１００−３００ １
＊（１＊は１ウォールユニット）範囲内であった。
【００４０】本発明の方法及び装置によって供給された
有利性及び改良された結果は、本発明の好ましい実施例
の前記記述より明らかとなる。添付の請求の範囲に記述
された本発明の趣旨を逸脱しない限り様々に変更及び修
正することができる。
有利性及び改良された結果は、本発明の好ましい実施例
の前記記述より明らかとなる。添付の請求の範囲に記述
された本発明の趣旨を逸脱しない限り様々に変更及び修
正することができる。
【００４１】
【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、誘因モー
ドの変更により乱流を改良したから、長い波長伝搬モー
ドのみの波動面のランダム化により、流動率を増加さ
せ、抵抗力を減少させることができる。
ドの変更により乱流を改良したから、長い波長伝搬モー
ドのみの波動面のランダム化により、流動率を増加さ
せ、抵抗力を減少させることができる。
【図１】壁有界流体流動を示す断面図であり、流動方向
に対して垂直に切断した状態の断面図である。
に対して垂直に切断した状態の断面図である。
【図２】図１に示された流体流動領域の概略図であり、
ヘリングボーン起伏を有する壁有界に隣接した流れ及び
渦を示している。
ヘリングボーン起伏を有する壁有界に隣接した流れ及び
渦を示している。
【図３】起伏を示した壁で切断した状態の断面図であ
る。
る。
【図４】起伏の変更バージョンを示している。
【図５】壁有界流体流動を示す断面図であり、壁表面に
はめ込こまれたヒーターや超音波発生器などの複数の変
換要素を示す流体流動の方向に対して垂直に切断した状
態の断面図である。
はめ込こまれたヒーターや超音波発生器などの複数の変
換要素を示す流体流動の方向に対して垂直に切断した状
態の断面図である。
【図６】種々の変換器が時間的に活性化されたところの
方法を示した呼び時図表である。
方法を示した呼び時図表である。
【図７】図５に示された流体流動領域の図表であり、図
６に示された図表に従って変換器の時間的活性の理由に
より流体流動に導入された攪拌の呼び分配を示してい
る。
６に示された図表に従って変換器の時間的活性の理由に
より流体流動に導入された攪拌の呼び分配を示してい
る。
【図８】封洞の測定部の平面図であり、測定部の１側面
に付けられた音響発生器を示している。
に付けられた音響発生器を示している。
【図９】音響妨害が測定部に乱流に導入されたところに
より切り込みを示した測定部の側面図である。
より切り込みを示した測定部の側面図である。
１０ 壁有界流体流動領域 １２ 壁 １３ 流体 １４，１６ 逆回転渦 ２０ ヘリングボーンパターン ３１，３２ 加熱要素 ３３ 乱流コントロール
フロントページの続き (72)発明者 ユージーン レヴィチ イスラエル国 テルアヴィヴ ラヴ アシ ストリート 15
Claims (33)
- 【請求項１】 流体の抗力に摩擦的に関連する直径を有
し、かつ、前記流体の方向に延在する対の渦または条跡
の系により特徴づけられ、かつ、実質的に一定のグルー
プ速度で、前記流体の方向に伝搬する干渉パターンの伝
搬構造により特徴づけられる乱流壁領域を有する壁有界
流体流動領域における乱流を制御する方法において、 攪拌領域を、前記乱流壁領域に局部的に導入するもので
あって、 前記攪拌領域の振幅，波長，及び伝搬方向は、その攪拌
に関係し、かつ、所定の方法により、前記伝搬構造を変
形するものであり、 前記所定の方法は、前記対の渦系を伴う前記伝搬構造の
前記干渉を増加減少するものであり、 これにより、前記流体流動領域における前記乱流を局部
的に増加減少することを特徴とする壁有界流体流動領域
における乱流制御方法。 - 【請求項２】 請求項１記載の壁有界流体流動領域にお
ける乱流制御方法において、前記攪拌領域の前記波長
は、前記渦の寸法に対応するものであることを特徴とす
る壁有界流体流動領域における乱流制御方法。 - 【請求項３】 請求項２記載の壁有界流体流動領域にお
ける乱流制御方法において、前記攪拌の水平な広がり
は、前記渦の寸法に対応するものであることを特徴とす
る壁有界流体流動領域における乱流制御方法。 - 【請求項４】 請求項２記載の壁有界流体流動領域にお
ける乱流制御方法において、前記攪拌領域は、１００−
３００ １＊の範囲内における共鳴波長の変調を含み、
かつ、減少する波長の不均一な正弦波構造の和を含むこ
とを特徴とする壁有界流体流動領域における乱流制御方
法。 - 【請求項５】 請求項４記載の壁有界流体流動領域にお
ける乱流制御方法において、前記攪拌領域の振幅は、１
５−２０ １＊の範囲であることを特徴とする壁有界流
体流動領域における乱流制御方法。 - 【請求項６】 請求項２記載の壁有界流体流動領域にお
ける乱流制御方法において、前記攪拌領域の振幅は、時
間または空間に置いて変形するものであることを特徴と
する壁有界流体流動領域における乱流制御方法。 - 【請求項７】 請求項２記載の壁有界流体流動領域にお
ける乱流制御方法において、前記攪拌領域は、前記流体
を仕切る前記壁の表面の起伏により影響されることを特
徴とする壁有界流体流動領域における乱流制御方法。 - 【請求項８】 請求項７記載の壁有界流体流動領域にお
ける乱流制御方法において、前記表面の起伏の波長は、
前記対の渦の寸法に対応するものであることを特徴とす
る壁有界流体流動領域における乱流制御方法。 - 【請求項９】 請求項８記載の壁有界流体流動領域にお
ける乱流制御方法において、前記変調する波長は、１０
０−３００ １＊の範囲内であり、ここで、１＊は壁単
位であり、減少する波長の不均一な正弦波を構造される
ことを特徴とする壁有界流体流動領域における乱流制御
方法。 - 【請求項１０】 請求項９記載の壁有界流体流動領域に
おける乱流制御方法において、前記表面の起伏の振幅
は、このこのパターンに応じて変化するものであること
壁有界流体流動領域における乱流制御方法。 - 【請求項１１】 流動流体における乱流を制御する装置
であって、 （ａ） 前記流動流体を仕切る壁部であり、該壁部は、
流動流体の方向に延在する対の渦と、該対の渦に干渉す
る伝搬構造とにより特徴づけられる乱流壁領域を有し、 （ｂ） 前記壁部と関連して、攪拌を前記壁領域に導入
する手段であり、前記攪拌の振幅，波長，及び伝搬の方
向は、前記攪拌が所定の程度で前記伝搬構造に関連する
ようなものであり、前記所定の程度は、前記伝搬構造を
変更して、前記対の渦と前記伝搬構造との干渉を変化さ
せるものであり、 これにより、混合する乱流を増加し、または、乱流抵抗
力を減少させることを特徴とする乱流制御装置。 - 【請求項１２】 請求項１１記載の乱流制御装置におい
て、前記壁部に関連する手段は、ピークと谷とを有する
周期的な起伏を含むことを特徴とする乱流制御装置。 - 【請求項１３】 請求項１２記載の乱流制御装置におい
て、前記起伏は、前記壁部に杉あや模様を形成するもの
であることを特徴とする乱流制御装置。 - 【請求項１４】 請求項１２記載の乱流制御装置におい
て、前記ピークの振幅は、前記起伏の延在する断面方向
に垂直に変化することを特徴とする乱流制御装置。 - 【請求項１５】 請求項１２記載の乱流制御装置におい
て、前記ピークの振幅は、前記起伏の延在する断面方向
に垂直に変化することを特徴とする乱流制御装置。 - 【請求項１６】 請求項１２記載の乱流制御装置におい
て、前記ピークの振幅は、周期的に変化することを特徴
とする乱流制御装置。 - 【請求項１７】 請求項１２記載の乱流制御装置におい
て、前記壁部に関連する前記手段は、流体の方向に垂直
な方向に調整された変換器の配列を有することを特徴と
する乱流制御装置。 - 【請求項１８】 請求項１７記載の乱流制御装置におい
て、前記変換器は、前記流体を励起して加熱するヒータ
ーであることを特徴とする乱流制御装置。 - 【請求項１９】 請求項１７記載の乱流制御装置におい
て、前記変換器は、超音波変換器であり、該超音波変換
器は、励起することにより、音響バーストを前記流体に
導入することを特徴とする乱流制御装置。 - 【請求項２０】 請求項１１記載の乱流制御装置におい
て、前記壁部に関連する前記手段は、ピークと谷とを有
する非周期的な起伏を有することを特徴とする乱流制御
装置。 - 【請求項２１】 請求項１２記載の乱流制御装置におい
て、前記起伏は、前記壁部にキザギザ模様を形成してな
ることを特徴とする乱流制御装置。 - 【請求項２２】 請求項１２記載の乱流制御装置におい
て、前記ピークは、非周期的に変化することを特徴とす
る乱流制御装置。 - 【請求項２３】 請求項７記載の壁有界流体流動領域に
おける乱流制御方法において、前記起伏の方向は、流れ
の方向に関して５０−８０°の範囲内にあることを特徴
とする壁有界流体流動領域における乱流制御方法。 - 【請求項２４】 請求項１記載の壁有界流体流動領域に
おける乱流制御方法において、前記攪拌の振幅は、前記
渦の寸法よりも小さいことを特徴とする壁有界流体流動
領域における乱流制御方法。 - 【請求項２５】 請求項２４記載の壁有界流体流動領域
における乱流制御方法において、前記壁単位はｍ／（ｓ
ｒ）0.5 であり、ｍは前記流体の粘性度であり、ｓは前
記壁部における前記流体の平均摩擦応力であり、ｒは前
記流体の密度であることを特徴とする壁有界流体流動領
域における乱流制御方法。 - 【請求項２６】 請求項２４記載の壁有界流体流動領域
における乱流制御方法において、前記攪拌の波長は、前
記渦の寸法に対応することを特徴とする壁有界流体流動
領域における乱流制御方法。 - 【請求項２７】 請求項２６記載の壁有界流体流動領域
における乱流制御方法において、前記波長は、１００−
３００壁単位の範囲内であり、前記壁単位はｍ／（ｓ
ｒ）0.5 であり、ｍは前記流体の粘性度であり、ｓは前
記壁部における前記流体の平均摩擦応力であり、ｒは前
記流体の密度であることを特徴とする壁有界流体流動領
域における乱流制御方法。 - 【請求項２８】 請求項２５記載の壁有界流体流動領域
における乱流制御方法において、前記攪拌の波長は、前
記渦の寸法に対応することを特徴とする壁有界流体流動
領域における乱流制御方法。 - 【請求項２９】 請求項２８記載の壁有界流体流動領域
における乱流制御方法において、前記波長は、１００−
３００壁単位の範囲内であり、前記壁単位はｍ／（ｓ
ｒ）0.5 であり、ｍは前記流体の粘性度であり、ｓは前
記壁部における前記流体の平均摩擦応力であり、ｒは前
記流体の密度であることを特徴とする壁有界流体流動領
域における乱流制御方法。 - 【請求項３０】 請求項２９記載の壁有界流体流動領域
における乱流制御方法において、前記攪拌の伝搬方向
は、流れの方向の約５０−８０°の範囲内であることを
特徴とする壁有界流体流動領域における乱流制御方法。 - 【請求項３１】 請求項２７記載の壁有界流体流動領域
における乱流制御方法において、前記攪拌の伝搬方向
は、流れの方向の約５０−８０°の範囲内であることを
特徴とする壁有界流体流動領域における乱流制御方法。 - 【請求項３２】 請求項１７記載の乱流制御装置におい
て、前記変換器は、音響発生器であり、該音響発生器
は、励起して、前記攪拌を前記流体に導くことを特徴と
する乱流制御装置。 - 【請求項３３】 請求項１７記載の乱流制御装置におい
て、前記変換器は、振動発生器であり、該振動発生器
は、励起して、前記攪拌を前記流体に導くことを特徴と
する乱流制御装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US07/794,875 US5263793A (en) | 1991-11-19 | 1991-11-19 | Method of and apparatus for controlling turbulence in a wall-bounded fluid flow field |
| US794875 | 1991-11-19 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06200909A true JPH06200909A (ja) | 1994-07-19 |
Family
ID=25163953
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4310639A Pending JPH06200909A (ja) | 1991-11-19 | 1992-11-19 | 壁有界流体流動領域における乱流制御方法及びその装置 |
Country Status (11)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5263793A (ja) |
| EP (1) | EP0543647B1 (ja) |
| JP (1) | JPH06200909A (ja) |
| KR (1) | KR930010393A (ja) |
| CN (1) | CN1044736C (ja) |
| AU (1) | AU658692B2 (ja) |
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