JPS6341296A - 流体力学的壁面 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する分野〕 本発明は流体力学的壁面上を流れる境界層乱流の変更に
関する。

〔従来の技術ならびにその問題点〕

小さな形の壁面形が乱流境界層に対して及ぼす効果につ
いて近年数多くの研究がなされている。

小さな長手方向リブの列が壁面の乱流境界層領域にわた
り該壁面上を流れる流体の流れ方向に延びるいわゆるリ
ブレント壁面を設けることについて従来から特別の注意
が払われてきており、実験結果はほぼ７％に及ぶ正味も
しくは壁面抗力の減少が達成できることを示している。

「■溝と横断曲率リブレットの抗力特性」と題する論文
（１９７９年１１月７−８日、テキサス州ダラスの粘性
抗力低下に関するシンポジウムにおけるＭ、、Ｔ、ウオ
ルシュの提出論文）において矩形フィンを使用すること
によって乱流破裂速度（すなわち、壁に近接した境界層
乱流内に特徴的に形成される低速の長手方向渦もしくは
「ストリーク」の破裂速度）を小さくすることによって
３〜４％の抗力の低下が得Ｑれるとしたりニー、クライ
ン、ジョンノンによる初期の研究（１９６６年）が言及
された。ウオルシュの論又は一連の代替的なリブ外形の
研究について報告したものであって、彼はＶ溝のリブレ
ットヲ使用することによって最高７チの抗力の低下を得
ることができ、このことは実験者が今日まで得ることの
できたスキン層摩擦抗力の低下のうちでほぼ最高のもの
を示すものであると述べている。

抗力の低下はＲ，Ｅ、ファルコ（ネバダ州、レノ、１９
８３年１月１０−１３日、ＡＩＡＡ−８３−０３７７゜
ＡＩＡＡ第２１回宇宙科学会議）の如き一連の出典にに
より示唆されてきた如く、ストリークのスパン方向の無
作為運動を制限するりブレットの能力と関連している。

ジョナハンとスミス（コｏ　ラ）”州。

プールグー、１９８５年３月１２−１４日、ＡＩＡＡ−
８５−０５４７、ＡＩＡＡ−せん断流制御会議）はウオ
ルシュが仮の最適の結果を得ることに成功したＶ溝すプ
レットよりも小さな高さの円筒形リグレットは壁面上部
の限られた領域内に低速のストリーク部位を定着（もし
くは）つくりだす効果を有するということを示したが、
彼らの実験もまた３〜８％の抗力の増加を示した。

ごく最近、Ｓ　−ｐ　、ウィルキンソンはジョナハンと
スミスにならって方形リプレットを用いたリブレットを
使用して低速ストリークを定着もしくはつくりだした後
にストリーク定着媒体どうしの間にＶ溝すズレットを使
用して破裂を制御しようと試みたが、それによって正味
の抗力低下が達成されたかどうかは未だ報告されていな
い。

以上の、ならびにその他の以前の研究から報告された結
果は全てリプレットの効果はやや限られたものであるこ
とを示しており、そのため代案が求められている。

かかる壁面上のりブレットが奏功するメカニズムはまだ
十分理解されていない。もし従来より示唆されているよ
うに、それらが層流条件に近い乱流境界層をもたらすと
すれば、それと等制約な乱流と層流の領域において層流
を有するスキン層摩擦抗力は乱流を有するそれよりほぼ
８０％小さいという点を念頭におくならばそれらの効率
は低い。

重要なのは異なる研究者たちがリブの長さに応じてスキ
ン層摩擦の正味減少度が変化することについて対立する
データを公表したという事実である。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明によればその上部の乱流境界層を変化させるため
にそれに対して流体の流れの方向に延びる一連の長い突
起を備えた流体力学的壁面が設けられ、該突起は流体の
流れ方向に壁面に沿う距離と共に累進的に大きくなる高
さ馨有している。

突起は大きな高さを与える定めて突起の横断面のアスは
クト比が大きくなった実質的に連続的なスパン方向列を
形成することが望ましい。また、鋭い尖頭形をした突起
を形成することが望ましい。

本発明は突起もしくはリブレットが視界層内の乱流運動
が壁面の全部分、殊に溝内へ深く浸入しその結果乱流運
動を壁から変位し去ることを抑止する動き乞行うという
着想にもとづいている７本発明は流れパタン馨破壊せず
に突起の高さを大きくすることによってそれらの効果を
拡大しようとするものである。二次的な利益が生ずるの
はっくジだされた流れの変化が肩効壁位置がリブレット
の最初の高さの相当部分につくりだされるという事実に
よって自ら制限されたものになｐがちであるからである
。リプレット高さの増加はそれ故、そうでないばあいに
はこの現象から生ずるであろうそれらの性能の低下に抗
することができるっ移行領域と乱流境界層の初期の部分
において重要な流れ方向全盛の長さくすなわち流れの方
向への壁面に沿った距離）によって壁のせん断応力が若
干程度累進的に減少するためにもう一つの利点を得るこ
とができる。突起の高さの増加はこの効果に抗するため
に拡大することができる結果、高さは有効車位置の変化
が一定高さの突起に対してつくりだした性能の低下を補
償する以上に大きくなる。

高さは連続的に大きくなることが望ましく、そのばあい
には突起は「ランプレット」の如く見える。恐らく効率
的ではないがより簡単な構成は各帯域の突起が均一な高
さを肩するように累進的に高くなった突起から成る継起
的な帯域を設けることであろう。帯域は共に組立てられ
流れに対して累進的に大きくなる高さの一連の突起を提
示することになる。突起はま念それらの長さに沿う所定
の大きさ乞もって大きくなるピッチとすることもできる
。

本発明の望ましい形としては突起がその高さに応じて変
化する角度で傾斜した側面を有し、該側面がそれぞれ該
領域上下の隣接領域よりも小さな勾配をした中間領域を
有し関連突起上に凹形の尖頭の下部？：影形成たものを
あげることができる。

最良の効果？あげるため凹形側部をした尖頭への移行部
は突起により確立された壁の有効高さもしくはそれに近
く位置決めすべきである。移行部下部の領域はそれらの
板底範囲の突起間に一連の急峻な側部を有するＶ溝を形
成するようにほぼ平面形をしていることが望ましい。こ
れらは既に述べたように乱流運動で壁面から変位し去る
作用７行う。

有効壁面上に変位された長手方向渦流はその後この領域
内へ突出した凹形尖頭により制御され、該尖頭はその異
なった外形によって渦流に対して強力に作用することが
できる。

凹形外形への移行部はほぼ鋭いエツジ状とすることがで
勇るが丸みをつけたもしくは面取りした移行部７有する
こともできる。凹形面は比較的鋭いエツジの先端まで連
続的に湾曲することが望ましいが、真直ぐで（もしくは
）湾曲した断面群からそれらを構成することも可能であ
り、便宜上先端自体は平坦形もしくは丸みをもたせるこ
とができる。

〔実施例〕

以下、本発明を図面に即して説明する。まづ第１図につ
いて述べると、壁面は壁面上？流れ方向に走行する連続
的な一連のりブレットで、移行領域で開始されもしくは
少々くとも乱流境界層領域の開始点から壁の乱流境界層
領域全体に走行するものを備えている。リプレットが流
体の流れと正確に整合することは重要なことではなく、
１０〜１５０に至る距離は許される。もしその前縁部で
切立った前面と会合する流れに関係する抗力増分を回避
するために壁面内にフェアリングされるばあいには性能
が改善される。本例のばあい、リブレットは一定のベー
ス幅をＭするが、その高さはその長さに沿って連続的に
大きくなりそれらにますます鋭角となる三角形の外形を
与えるようになっているユそれらは第２図に示すような
丸い谷を有する税い尖端（頂点’４２０％より大きくな
い角度を成すことが望ましい）の如き他の外形を有する
ことができる７更に、第１図はその上流端の高こと等し
いベースｒ＝ｙ！するりブレットを示したものであるが
ベース幅を各リブレットの上流端の高さの約２＠に大き
くすることが望ましいかもしれないっすなわちこれは第
２図に示したカスプ形の外形に関することである。

第３図は本発明のりブレットに使用できるもう一つの外
形を示したものである。リグレットははぼ−ｈの有効壁
面を確立するものと想定される。

その水準以下ではＶ溝形が存在するがその水準ではそこ
からリグレットが鋭い尖頭の凹形の外形と共に延びる勾
配の変化が存在する。異なった外形乞した領域は異なる
働きをするためである。有効壁面下部の領域は乱渦流運
動の浸透Ｚよりよく抑止することのできる比較的深いｖ
ｓ’ｖ形成するが、一方、有効壁面上の凹面は境界層乱
流内の大きなスト’）−りからエネルギーを取去る非常
に小規模の長手方向渦流欠より効果的に促進することが
できる。その働きを効果的に行うために凹面は比較的鋭
いエツジの尖頭を形成すべきである。ｈ自体は流体の流
れ方向に沿う距離と共に大きくなるから、外形の移行点
もまたリブレットの長さに沿って上昇する。

上述の効果は図ｑ傾斜側面の変形のばあいに少なくとも
実質上達成することがわかるはづである。

殊に、実際的な理由からリブ面の変曲点もしくは尖頭を
鈍くすることが望ましいが、これらの面は上述の動きに
対して必要とされる外形の一般的性格を不当に変更せず
に有効壁面上下の両方に真直ぐで（もしくは）湾曲した
部分？備えることができる。

製作するばあいには、切削もしくは押出しによって比較
的容易に均一な高さのりブレットχつくることができ、
第４図にリブレットｒにつづくリズレッＦｒｘ　　によ
り示されている如く、リブレットの高さを一連の段階に
よって大きくすることが望ましく、必要とあらば各段階
でリズレ７）の前縁をフェアリングすることができる。

リブレットのピッチは同様にして上記の如く各段階で大
きくすることができ必ずしも高さの増加と同時にそうす
るには及ばない。

全ての場合において、湿った領域を減らすためにリブレ
ットによって得られる利益を犠牲にすることなく各リブ
レットの領域（それら自材、流れ方向の長さが２より長
い）間において、流れ方向に沿ってスパン方向に伸びる
短かいギャップ（境界層の厚さよりも短かい）を形成す
ることも可能である。

均一な一連のりプレットの寸法と寸法関係は実際の距離
値が以下の如く定義される「壁単位」スカラー量によシ
乗ぜられるいわゆる「壁の法則」変数の無次元形で表現
することができる。

υ 但し、τは壁のせん断応力 ρは流体密度、 υは流体の動粘度 例えば、リブレッ）ｒはその前端部において２（ｈ　（
２０、殊に５〜１５の壁単位間にある無次元高さｈ“乞
有する。隣接する頂点間のそのスパン方向ピッチもしく
は距離ｅ　は６（ｓ（４０、殊に１０〜２０の壁単位間
にあることが望ましいつ上記範囲内の変化は各ノξラメ
ータにつき独立に行うことができる。

れた実験結果から得られたものであゐ。しかしながら、
寸法、殊にリブレットの高さの変更が高速と高いマノノ
・数については望ましいということが判った。突起の流
れ方向長さは約０．４Ｍ以上の領域で特に最適寸法に対
して重要な影響７及ぼすように思われるであろう。約１
ｍの流れ方向長さを有する単−高さの■溝すプレットの
均一な列による風胴テストは高速で最適な結果を与える
ために必要とされる壁単位での寸法の変更を例証するも
のでちる、リプレットの前、橡のりプレット寸法を与え
る次の表は以前のマノノ・０．１程度の低速の結果（１
）、（２）と関連させてマノノ・０．４から０．９の範
囲のマツハ数で行なったこれらのテスト（３）、（４）
、（５）から得られたデータを示したものである。

リプレット列さ／スパン ｈ、”　　　　　　　ＲｅＬ 壁単位 （１１１３０，８Ｘ１０６ （２＋　　１５　　　　３Ｘ１０６ （３１１７５ｘｌＯ６ （４）　　２０　　　１０ＸＩＯ６ （５）　　２５　　　１５Ｘ１０６ Ｌ ＲｅＬは長さレイノルズ数譚−で、Ｌはリプレットの長
さである。

これらの結果は最適の効果を得るには低い速度のりプレ
ットの前縁部でほぼ５０％の壁単位で高さが増加した場
合、ＲｅＬ−ＩＸＩＯである低速のりプレットの高さに
対してＲｅＬが１０倍に増加しなければならないことを
示している。

突起のおのづから限定的な効果を緩和するための突起の
高さの増加は長さレイノズル数効果を補償するように増
幅しなければならないことは明らかである。しかしなが
ら、両効果の合成された計数値は通常は適当ではないで
あろう。なぜなら長さレイノルズ数効果の速度に関連し
た性質はもう一つの変数を伴うからである。

最適度？決定する要素は多く複合的である。流れ方向と
（もしくは）スパン方向曲率もしくは断絶７有する伏在
する機体の形と、リプレット列の範囲に及ぶ不均一なＵ
値の可能性は−そうの影響を導入し、最適のりプレット
寸法の経験的評価が必要となるかもしれないっしかしな
がら、もし、リプレットの前縁部での高さ、及び可能な
らばその間隔を増加させることによってＲｅＬの値を補
償することができるならば、一般的な目的のためには上
記例乞論する中で示された低速値に関してＲｅＬ　（ｈ
　；　ＲｅＬ）に関する壁単位でのリプレットの前縁寸
法の適当な計数逓減率は１：２０〜１：６の範囲になけ
ればならないこと乞示唆したい。

〔効果〕

長さレイノルズ数効果を除いたりプレット高さの最適増
加率は自己制限的な効果のばあいには１メートルにつき
少なくとも５チ、スキン層摩擦の効果のばあいには１メ
ートルにつき１５チ、１メータにつき２０％の合成割合
を与える。リプレットの高さをそれらの長さ方向に沿っ
て前方に増加させることにより長さレイノルズ数効果を
補償した場合、またスキン層摩擦が速度の関数であるこ
とを考慮に入れると、連続的な速度の増加としての全体
の最適率は実際には１メートルにつき５０チもしくはそ
れ以上的１００％にまで及ぶかもしれない。これら後者
の特徴は、乱流境界層を基本壁面からさらに遠ざける念
めリプレットの高さ乞前方に増加させることができるの
で注目に値する。

有益な効果が得られる範囲は実際上はりプレットが装着
される壁面と、これらの表面上で流れの分離が生ずる限
界とに依存することになろう。特殊なばあい、リプレッ
トの高さの増加を５倍もしくはそれ以上まで継続するこ
とができるかもじれないが、より不利な条件においてさ
え少なくとも２倍の増加は可能でなければならない。本
発明は一般的にいってスキン摩擦の減少が求められてい
る機体の壁面に対して適用されるものである。そのため
、それは航空機、陸上車両、水上飛行機を含む車両の外
側表面にかかる抗力？小さくするための手段を提供する
。同様にしてそれはターボ機の回転式、固定羽根の如き
機械やパイプや導管の内側表面に使用することができる
。本発明は関連機体と一体に表面突起？形成すると共に
、その上部に必要とされる表面形を与えるために機体に
装着される突起乞有するシートやテープの如き表面部材
を提供する可能性ン含むものである点理解されたい。本
文中に開示されたりプレットの高さ？累進的に増加する
手段乞第５図に示し、出願人の共同出願（事例１．Ｉｔ
−ｒ流体力学的壁面」）により詳しく説明された異なっ
た高さのりプレットのスパン方向反復パターンから成る
列に使用する々らは壁面上を流れる境界層流？更に改善
することができる。かかる手続はこれらの異なる形状の
利益を与えることができるだけでなく、大きくな車長に
対するそれらの有効性を拡大することシζよってこれら
リプレットパターンの効率を大きくすることができる。

高さが大きくなるリグレットの更に有利な用途はＬＥＢ
Ｕ・θの抗力減少効果が経験される流れの有効長さを長
くすることが可能な大きな渦流破砕装置（ＬＥＢＵ’ｓ
）である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明により形成した壁面上の一対の三角形断
面突起もしくはリブレットもしくはかかるリグレットの
配列の概略断面図、 第２図ないし第５図は第１図の形状に対して独立もしく
は組合せて適用し之一連の変形図。 ｒ・・・リブレット ２面の浄書（内容に変更なＩｊ Ｆ２Ｏ，２ Ｆｔｃ、　３ Ｆｔｃ、４ 手続補正書□ 昭和６２年　８月ｌ￥日 特許庁長官　　　小　川　邦　夫　　殿２、発明の名称 流体力学的壁面 ３、補正をする者 事件との関係゛　　出　願　人 住所 名　称　　ロールスφロイスΦピーエルシー４、代理人 住　所　　東京都千代田区大手町二丁目２番１号新大手
町ビル　２０６号室

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、その上部の乱流境界層を変形するためにそれに対し
   て流体の流れる方向に延びる一連の長い突起を備えた流
   体力学的壁面において、該突起が流体の流れる方向に壁
   面に沿う距離と共に累進的に大きくなる高さを有するこ
   とを特徴とする前記壁面。 ２、突起が流体の流れる方向に壁面に沿う距離と共に累
   進的に大きくなるピッチを有することを特徴とする特許
   請求の範囲第１項に記載の壁面。 ３、寸法の増加が突起の長さの少なくとも一部にわたっ
   て連続的であることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   もしくは第２項に記載の壁面。 ４、突起が少なくとも一つの段階状の寸法増加を有する
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項もしくは第２項
   に記載の壁面。 ５、突起の高さが１メータの長さにつき２０〜１００％
   の割合で大きくなることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項ないし第４項の何れか一に記載の壁面。 ６、突起の高さが１メータ長につき５０％より少なくな
   い割合で大きくなることを特徴とする特許請求の範囲第
   ５項に記載の壁面。 ７、突起がほぼ連続的なスパン方向列を形成することを
   特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第６項の何れか
   一に記載の壁面。 ８、突起が少なくとも乱流境界層領域の長にわたって流
   れ方向に延びることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   ないし第７項の何れか一に記載の壁面。 ９、突起が鋭い尖頭形であることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項ないし第８項の何れか一に記載の壁面。 １０、鋭い尖頭形の突起がＶ形を有することを特徴とす
   る特許請求の範囲第９項に記載の壁面。 １１、鋭い尖頭形の突起が尖頭間に凹形に湾曲もしくは
   平坦底となった谷を備えた外形を有することを特徴とす
   る特許請求の範囲第９項に記載の壁面。 １２、突起がその高さに応じて変化する角度で傾斜した
   側面を有し、該側面がそれぞれその上下の隣接領域より
   も小さな勾配の中間領域を有し関連突起の凹形尖頭の下
   部を形成することを特徴とする特許請求の範囲第１項な
   いし第１１項の何れか一に記載の壁面。 １３、流れ方向の相当部位に少なくとも２つの異なる高
   さを有するスパン方向の反復する突起パターンが存在す
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第１２
   項の何れか一に記載の壁面。 １４、突起が少なくとも一つの大きな渦流破砕装置の下
   流に延びることを特徴とする特許請求の範囲第１項ない
   し第１３項の何れか一に記載の壁画。