JPH10281115A

JPH10281115A - 流体制御方法

Info

Publication number: JPH10281115A
Application number: JP9089085A
Authority: JP
Inventors: Toshio Otaguro; 俊夫大田黒; Akiyoshi Iida; 明由飯田; Masatoshi Watanabe; 昌俊渡辺; Shigehisa Funabashi; 茂久船橋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-04-08
Filing date: 1997-04-08
Publication date: 1998-10-20

Abstract

(57)【要約】【課題】流れの中に置かれた物体に働く流体抵抗の低
減，変動流体力の低減を図り、流体に係る機機，装置の
省エネルギーと、変動流体力の低減による安定で安全な
運転を実現する。【解決手段】本発明の流体制御手段は、物体１０２周り
の流れの状態を観測する流体計測手段１０８と、これら
変動の信号を処理して必要な制御信号を演算する制御量
演算手段１０９と、物体表面もしくは近傍に設けた流体
励起手段１１２とからなり、個々の物体周りの流れが持
つ不安定性に関する知識データベース１１０を持ち、知
識データベースを利用して流体計測手段１０８からの信
号を処理，演算して流体励起手段１１２に与える。これ
によって、物体近傍の流れの乱流遷移や剥離を効果的に
予測，抑制する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は物体周りの流れの制
御方法に係り、特に航空機の翼，船舶の船体，高速鉄道
車両や自動車の車体，流体機械の動翼，静翼やベルマウ
ス，ケーシング，配管系の内部流路などにおける乱流遷
移や流れの剥離の制御に係る。

【０００２】

【従来の技術】航空機，船舶，高速鉄道車両，自動車，
流体機械，配管系の内部流路などにおいて、流体がもた
らす抵抗により多大のエネルギーが散逸されて熱として
失われている。特に、流れのレイノルズ数が大きく物体
表面の境界層が乱流に遷移している状態では、流体の摩
擦抵抗は無視できないエネルギーの損失を与えている。
境界層の遷移を遅らせ、流れをできるだけ長い距離層流
に保つことができれば、摩擦抵抗を大幅に減らすことが
可能となる。これは直ちにこれら機機，装置の省エネル
ギーに大きく寄与することができる。

【０００３】また、流れが物体表面から剥離すると、流
れには速度，圧力の強い変動が発生し、物体には剥離に
伴う強い非定常な力が働く。このような強い非定常力
は、上記機機，装置の安定な運転に悪影響を及ぼし、場
合によっては安全性に対しても重大な影響を与える。従
って、流れの剥離を防止することは、上記機機，装置の
安定で安全な運転に寄与することができる。

【０００４】従来このような目的のためには、物体の形
状を工夫して流れの圧力勾配を乱流遷移や剥離が起きに
くい所定の範囲に入るように設計するという方法が大部
分であり、例外的に物体表面に乱流境界層を制御するリ
ブレットのような微細構造を設ける、という受動的な制
御方法がほとんどであった。

【０００５】しかし、最近では能動的な制御方法も試み
られており、主に航空機の翼面境界層の制御で研究が行
われてきた。例えば、特開平4−103494 号公報に記載の
方法は、飛行体の翼表面上に複数個の平板状スピーカを
設け、飛行体の移動速度に応じて当該翼上面に発生する
乱流に向けて音波を放射することにより、乱流を効果的
に抑制して流れをスムーズにしている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前記リブレットのよう
な受動的な制御方法はその有効性に限度がある。例え
ば、国立計量研究所の中尾晨一の論文「リブレット技術
−その実用化に向けて−」（表面操作を用いた境界層制
御研究会講演集，１９９３）によれば、リブレットの抵
抗低減効果は最大でも８％程度であり、しかも使用され
るレイノルズ数の領域によってはほとんど低減効果が得
られないことが示されており、リブレットによる制御方
法は常に有効であるとは言えない。一般に、リブレット
に限らず受動的な制御方法は上記機機，装置の運転範囲
のうち特定の条件を満たす狭い領域でのみ有効であり、
また、有効である場合にも、その効果の大きさには自ず
と限界がある。

【０００７】また、上記特開平4−103494 号公報に記載
の方法は、音波で翼面境界層を加振するという方法をと
っているが、音波の持つエネルギーは流れが持っている
エネルギーに比べると数桁のオーダーで小さい。流れが
外部からの刺激を受け入れて速度や圧力の変動を成長さ
せることを「受容性」と呼び、これは流れが本来持って
いる力学的不安定性に基づくことがわかっているが、た
とえ境界層の受容性をうまく利用して音波のエネルギー
を増幅して速度変動を誘起できたにせよ、他に騒音源が
多くある状況で、音波の照射によって翼面境界層の剥離
や乱流遷移を制御することは容易ではない。

【０００８】遷移や剥離を制御しようとすると、音波以
外の方法を用いる場合でも、境界層に対して何らかの刺
激を与え、その挙動を変化させる必要性があるが、その
場合には、流れをどのように制御したいのか、そのため
にはどのような刺激を与えるべきか、を事前に十分に検
討しておく必要がある。そのためには、まず個々の機械
の特定の部位の流れそれぞれに対して、その流れが本来
どのような不安定性を持っているのかを事前の知識デー
タベースとして保持しておく必要がある。これによっ
て、刺激を与えた場合に、どのような流れの変化が起き
るのかが予測できる。これによって、乱流遷移を起こし
やすい部位に対して、遷移の前兆とは逆向きの変動を起
こすことによって遷移を遅らせたり、剥離を起こしかけ
た場合に剥離とは逆の向きの変動を引き起こして剥離を
防止することができる。

【０００９】また、効果的に刺激を与えるためには、様
々な刺激の与え型に対してその流れの不安定性がそれぞ
れどのように応答するのかという、前記「受容性」に関
する事前の知識データベースも保持しておく必要があ
る。例えば、壁面を流れを垂直方向に振動させるのがよ
いのか、それとも壁面から流れを吹き出すのがよいの
か、さらに、どのような周波数の変動をどのような振幅
で与えるのがよいのか、励起デバイスが複数の場合には
それらをどのような位相関係で動作させればよいのか、
流れの受容性に応じて最適なものを選択できるような事
前の知識が必要となる。

【００１０】しかしながら、従来の技術において、この
ような知識データベースを備えた流体制御方法は知られ
ていない。

【００１１】本発明は、流体の遷移や剥離を制御して、
流体抵抗と変動流体力の低減を図り、流体に係る機機，
装置の省エネルギーと、変動流体力の低減による安定で
安全な運転を実現することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の流体制御方法は、物体周りの流れの状態
を観測する流体計測手段と、これら変動の信号を処理し
て必要な制御信号を演算する制御量演算手段と、物体表
面もしくは近傍に設けた流体励起手段とを持ち、さらに
前記制御量演算手段において、個々の物体周りの流れが
持つ不安定性に関する知識データベースを持ち、またそ
の不安定性が前記流体励起手段に対して持っている受容
性に関する知識データベースを持ち、これら知識データ
ベースを利用して流体計測手段からの信号を処理，演算
して流体励起手段に与え、流れを常に最適に制御するこ
とを特徴とする。

【００１３】また前記流体計測手段において、物体表面
の圧力変動、または物体周りの流れの速度変動を計測す
ることが好ましい。

【００１４】また前記流体励起手段において、物体表面
に設けた複数の微細な孔またはスリットからの流体の吹
き出しと吸い込み、または物体表面または表面近傍に設
けられたデバイスを微小振動させること、または物体近
傍から物体表面に向けて流体を噴出することが好まし
い。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を、図面を
用いて説明する。

【００１６】図１は本発明の流体制御方法の全体を示す
模式図である。主流１０１の中に物体１０２が置かれて
いる。物体表面には流体計測手段１０８の一部をなし流
れの物理量を計測するセンサ１０３，同じくセンサ１０
４が設けられている。また流体励起手段１１２の一部を
なし流れに変動を与えるデバイス１０５も物体表面に設
けられている。センサには様々な種類が考えられるが、
例えば物体表面の圧力変動、または物体周りの流れの速
度変動を計測するものが効果的であると考えられる。も
ちろん、センサの種類はこの２種類に限るものではな
く、それ以外の種々の物理量のセンサでもかまわない
し、その設置位置も物体表面の様々な位置に置くことが
考えられるし、あるいは物体外に置いたセンサによって
物体周りの流れの状態を計測するものでもかまわない。

【００１７】流れは物体表面の近傍では、境界層と呼ば
れる速度の遅い薄い層をなして流れる性質がある。流れ
の速度の増加などによってレイノルズ数がある限界を超
えると、境界層は層流から乱流へと遷移する。乱流に遷
移した境界層は物体のごく近傍で強い速度の剪断を生
じ、物体に働く摩擦抵抗は急増する。また物体の形状や
物体が流れとなす角度によっては、境界層は物体表面に
付着していることができずに、物体から剥離してしま
う。このときには、剥離渦１０７と呼ばれる大規模な渦
を伴い、物体表面の流れには強い圧力や速度の変動を生
じ、物体には強い変動流体力が働く。このように、境界
層の遷移や剥離は物体に働く抵抗の増加や変動流体力の
増加をもたらす。

【００１８】流体計測手段１０８によって計測された流
れの諸量は、制御量演算手段１０９に入力され、そこで
流れ場の状態の診断が行われる。このとき、流体不安定
性に関する知識データベース１１０の持つ情報を利用し
て流れの不安定性を予測することができる。そして、乱
流への遷移や流れの剥離の前兆があると判断された場合
には、それを打ち消す向きの変動を発生させるために、
流体不安定性に関する知識データベース１１０から取り
うる不安定性のうち最も効果的なものを抽出し、次に流
体の受容性に関する知識データベース１１１から、利用
できる励起手段のうち最も効果的なものを選び出す。そ
して、流体励起手段１１２の一部をなし物体表面もしく
は近傍に設けられ流れに変動を与えるデバイス１０５を
駆動し、流れに遷移や剥離を打ち消す向きの変動１０６
を人工的に導入する。

【００１９】この結果、流れが変化するが、その挙動は
再び流体計測手段１０８によって計測され、同様に制御
量が演算され、再び流れに変動が与えられる。このよう
にフィードバックループを短時間のうちに繰り返すこと
により、流れの遷移や剥離を抑制することができる。こ
のようにして本発明は物体に働く抵抗や変動流体力を効
果的に減少させ、省エネルギーや安定で安全な運転を可
能とする。

【００２０】図２(ａ)，(ｂ)，(ｃ)は本発明の流体制御
方法の中の流体励起手段の第１の実施の例を示したもの
である。物体表面部材２０１に多数の小さな流体通路２
０２を並べて設け、その背後の物体内部には空洞２０３
を設ける。流体通路２０２の平面形状は、例えば小さな
略円形状の孔２０４でもよいし、また例えば微細なスリ
ット２０５でもかまわない。空洞２０３は空気駆動源２
０８へ接続されており、空気駆動源を外部の圧力に対し
て動的に正圧または負圧にすることにより、空気駆動源
によって駆動される吹き出しまたは吸い込みの流れ２０
６が生じ、物体表面では流体通路２０２からの吹き出し
または吸い込みの流れ２０７が生じる。これによって物
体表面の境界層には壁面と垂直方向の速度変動が励起さ
れ、遷移や剥離を効果的に打ち消す向きの変動が成長
し、遷移や剥離は抑制される。

【００２１】図３（ａ)，(ｂ）は本発明の流体制御方法
の中の流体励起手段の第２の実施の例を示したものであ
る。物体表面部材３０１の一部を切り欠き、そこに片持
ちの振動板３０２を表面部材との段差がないように設け
る。振動板は導線３０３によって駆動装置に電気的に接
続される。振動板３０２は表面と垂直の方向に振動し、
物体表面境界層に壁面とは垂直の方向の速度変動が励起
され、遷移や剥離を効果的に打ち消す向きの変動が成長
し、遷移や剥離は抑制される。振動板の支持，駆動には
別の方法も考えられる。例えば、物体表面部材３０１に
孔をあけ、孔の周囲には表面との段差３０４を設け、そ
の段差に振動板３０５の周囲を隙間なく固定し、表面部
材との段差がないように支持する。それを振動板駆動装
置３０６で物体表面と垂直の方向に振動させる。これに
よって物体表面の境界層には壁面と垂直方向の速度変動
が励起され、遷移や剥離を効果的に打ち消す向きの変動
が成長し、遷移や剥離は抑制される。

【００２２】図４は本発明の流体制御方法の中の流体励
起手段の第３の実施の例を示したものである。この例で
は、物体１０２の遷移や剥離の恐れがある境界層に向か
って、物体の近傍ではあるが外部からノズル４０１を用
いて噴流４０２を動的に噴出させる。この噴流は境界層
に外部からの運動量を与えて境界層の厚さを薄くし、遷
移や剥離を効果的に抑制することができる。

【００２３】

【発明の効果】本発明によれば、物体表面の境界層の乱
流遷移や剥離を効果的に抑制することができるので、流
体抵抗の低減，変動流体力の低減を図ることができ、流
体に係る機機，装置の省エネルギーと、変動流体力の低
減による安定で安全な運転を実現するができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施する流体制御方法の全体の模式
図。

【図２】本発明を実施する流体制御方法の中の流体励起
手段の第１の実施の形態を表す図。

【図３】本発明を実施する流体制御方法の中の流体励起
手段の第２の実施の形態を表す図。

【図４】本発明を実施する流体制御方法の中の流体励起
手段の第３の実施の形態を表す図。

【符号の説明】

１０１…主流、１０２…物体、１０３，１０４…流体物
理量計測センサ、105…流体励起デバイス、１０６…導
入される流れの変動、１０７…剥離渦、１０８…流体計
測手段、１０９…制御量演算手段、１１０…流体不安定
性知識データベース、１１１…流体受容性知識データベ
ース、１１２…流体励起手段、２０１…物体表面部材、
２０２…流体通路、２０３…空洞、２０４…孔、２０５
…スリット、２０６…空気駆動源が駆動する流れ、２０
７…流体通路を通過する吹き出し，吸い込み流れ、２０
８…空気駆動源、３０１…物体表面部材、３０２…片持
ち振動板、３０３…導線、３０４…物体表面段差、３０
５…周囲支持された振動板、３０６…振動板駆動装置、
４０１…ノズル、４０２…噴流。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者船橋茂久茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】物体周りの流れの状態を観測する流体計測
手段と、これら変動の信号を処理して必要な制御信号を
演算する制御量演算手段と、物体表面もしくは近傍に設
けた流体励起手段とからなり、前記制御量演算手段にお
いて、個々の物体周りの流れが持つ不安定性に関する知
識データベースを持ち、またその不安定性が前記流体励
起手段に対して持っている受容性に関する知識データベ
ースを持ち、これら知識データベースを利用して流体計
測手段からの信号を処理，演算して流体励起手段に与
え、流れを常に最適に制御することを特徴とする流体制
御方法。
【請求項２】前記流体計測手段において、物体表面の圧
力変動、または物体周りの流れの速度変動を計測するこ
とを特徴とする請求項１に記載の流体制御方法。
【請求項３】前記流体励起手段において、物体表面に設
けた複数の孔またはスリットからの流体の吹き出しと吸
い込み、または物体表面または表面近傍に設けられたデ
バイスを微小振動させること、または物体近傍から物体
表面に向けて流体を噴出することを特徴とする請求項１
に記載の流体制御方法。