KR100858526B1 - 표면홈 구조 - Google Patents

Abstract

몸체가 위치되거나 접하는 매질에 대하여 항력을 감소시키기 위한 표면구조에 관한 것이다. 상기 표면구조는 복수개의 공동(1, 20, 40, 60)을 포함한다. 상기 공동이 형성된 상기 표면은 폐쇄된다. 상기 공동은 그에 인접한 교란에지(5, 25, 44, 66)을 구비하되, 상기 교란에지부는 공동의 상류에 위치되어, 상기 표면에 가장 인접한 흐름매질이 교란에지를 통과하는 난류로 설정된다. 상기 공동은 표면으로부터 적어도 약 2 mm의 최대 깊이를 갖는다.

표면구조, 매질, 항력, 표면, 공동, 교란에지, 난류

Description

표면홈 구조{Recesses on a surface}

본 발명은 수반되는 특허청구범위 제1항의 전제부에 따라, 몸체(body)가 위치되거나 접하는 매질(medium)에 대하여 항력(drag)을 감소시키기 위한 몸체의 표면구조에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 배(ship) 등에 대한 물 및/또는 공기의 항력을 감소시키기 위한 표면구조에 관한 것이다. 그러나, 본 발명은 예를 들면 통풍장치, 탄화수소(hydrocarbons) 운반기와 같은 액체 운반기, 수력발전장치 또는 파력발전소(wave power satation)의 수직낙하홈통(downpipe) 내에서 가스 및/또는 액체를 운반하는 파이프 내측에 적용될 수 있다.

동물계에서 흐름저항을 감소시키기 위한 표면구조를 갖는 많은 동물들은 잘 알려져 있다. 새들은 거칠거칠한 면을 갖는 깃털을 가지며, 물고기, 상어 및 가오리(ray)들은 비늘을 갖고 있다. 일반적으로 이들 표면구조는 몸체의 표면을 따라 공기 또는 물의 층류를 분쇄하여 작은 영역의 난류(turbulence)를 생성하도록 한 것임을 알 수 있다. 몸체에 대한 매질의 흐름속도가 표면 가까이에서 거의 영(zero)과 동일하기 때문에, 상기 층류는 높은 흐름저항으로 작용한다. 그러므로, 표면 가까이에서 매질의 얇은층류흐름이 형성되고, 몸체상에 드레그(drag)를 작용시킨다. 거칠거칠한 면은 이러한 층류를 분쇄하고, 작은 난류흐름을 생성한다. 그 러므로, 흐름저항은 대체로 감소된다.

이러한 효과를 이용한 많은 표면구조는 공지되어 있다.

미국특허 제3,184,185호는 비행기 날개의 상면에서의 표면구조를 제안하고 있다. 상기 표면에는 홀이 천공되어 있다. 상기 홀의 천공 부분에는 혀(tongue) 모양으로 표면에 대하여 소정각도로 돌출된다. 이들 홀의 형상으로 인하여, 공기는 날개의 내측으로부터 이들 홀을 통해 흡인될 수 있다. 이러한 공기흐름은 양력(lift)을 부가하는 상방향 힘을 생성한다.

미국특허 제3,451,645호는 전술한 미국특허와 유사한 장치를 제안하고 있다. 여기에서, 굴곡된 얇은판들(curved lamellas)이 날개의 상면에 배열된다. 상기 각 얇은판들 사이에는 슬롯이 형성된다. 공기는 날개의 내측으로부터 상기 슬롯을 통해 굴곡된 얇은판을 따라 흘러 나온다.

미국특허 제4,753,401호는 몸체의 표면에 설치된 구성요소를 제안하고 있다. 각 구성요소는 사이에 얇은 홈(5)을 갖는 리브(4)들이 상부에 배치된 개구부(8)를 갖는다. 여러 구성요소들이 차례로 위치되어, 상기 개구부 및 리브들은 일직선으로 배치된다. 모든 구성요소 사이에는 상기 개구부(8)에 의하여 형성된 통로(6A)를 가로지르는 통로(6B)와 연통하는 슬릿(slit)(9)이 형성된다. 저압 유체흐름이 흐를 경우, 유체는 통로(6A)(6B)로부터 흡인될 수 있다. 고압 유체흐름이 흐를 경우, 유체는 통로(6A)(6B)로 흘러 들어간다. 그 결과, 이는 흐름저항을 감소시킨다.

미국특허 제5,386,955호는 대략 삼각형 리브로 형성된 돌출부를 갖는 표면구조를 제안하고 있다. 일부는 상대적으로 큰 리브로 형성되고, 이들 큰 리브 사이에 는 다수의 작은 리브들이 형성된다. 이 실시예에서는 흐름방향으로 단면적이 증가하는 삼각형 리브를 포함한다.

미국특허 제5,476,056호는 선체(ship's hull)의 다양한 표면구조를 제안하고 있다. 일부 실시예에서는 파형돌기(undulating projection)를 제안하고 있다. 다른 실시예에서는 불규칙한 돌기를 제안하고 있다. 공기는 공기층을 형성하도록 표면으로 유입된다.

이러한 공지의 표면구조는 흐름저항을 감소시키는 소정 효과를 갖지만, 이들 표면구조는 많은 문제점을 갖고 있다. 미국특허 제3,184,185호 및 제3,451,645호에따른 장치는 공기가 흐르는 표면 내측의 공동(cavity)에 의하여 좌우된다. 미국특허 제5,386,955호는 일부 실시예에서 공기흐름방향으로 가로질러 배치되고, 다른 실시예에서 공기흐름방향을 따라 배치되며, 약 70㎛의 높이를 갖는 매우 작은 대략 삼각형의 리브 구조를 제안하고 있다. 비록 일부 난류는 이들 리브에서 생성되더라도, 이들 난류는 리브 크기로 인하여 제한된 효과를 갖게 된다. 이들 리브들은 약 마하(Mach) 0.5의 매우 높은 속도에서만 적절하다. 배 및 쾌속보트와 같은 낮은 속도에서 이들 리브는 거의 효과를 갖지 못한다. 또한, 이들 리브들은 선체에 도포되는 오염방지페인트(antifouling)에 의하여 전체적으로 피복되고, 그러므로 닐 효과(effect to nil)는 감소한다.

미국특허 제5,476,056호는 선체 면으로의 공기 유입를 제안하고 있다. 이는 고가의 펌핑장치의 설치를 필요로 하고, 이를 작동시키기 위한 에너지를 필요로 한다.

미국특허 제4,753,401호는 전술한 디자인 중 최적의 디자인이지만, 이상적인 것에 불과하고, 제조상 매우 복잡한 문제점이 있다.

또한, 영국특허 제2,068,502호에는 터빈 블레이드에 대한 표면구조를 제안하고 있다. 이는 두부(hair part) 또는 상승부(raised part)의 형상에 관한 것이다. 상기 상승부는 표면에 위치되는 반 원추형상이다.

또한, 독일특허 제3,534,268호에는 표면으로부터 돌출된 얇은 블레이드 형상 또는 흐름방향으로 증가하는 높이를 갖는 테이퍼진 삼각형 형상의 표면구조를 공지하고 있다.

상승부 형상을 갖는 표면구조는 무엇보다도 외부영향에 의하여 쉽게 손상되는 문제점이 있다. 또한, 완전한 형상의 공동만큼 양호한 효과를 가질 수 없음을 알 수 있다.

본 발명은 상기한 문제점들을 극복하고, 효율성, 경제성, 제작성 및 유지성에 대한 모든 효과를 최적화 하는데 그 목적이 있다. 또한, 배, 쾌속보트, 수력발전용 파이프 뿐만 아니라 적절한 속도에서의 탑승용 비행기와 같이 저속이고 알맞은 속도에서 이용하기에 적합한 표면구조를 제공하는데 그 목적이 있다. 이는 청구항 제1항의 특징부에서 주어진 본 발명에 따른 특징에 의하여 달성된다.

바람직한 실시예들은 종속항들로부터 달성된다.

본 발명은 첨부된 도면들로부터 보다 상세히 설명된다.

도1은 본 발명에 따른 표면구조의 사시도.

도2는 도1의 표면구조의 종단면도.

도3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 표면구조의 사시도.

도4는 본 발명의 제3실시예에 따른 표면구조의 사시도.

도5는 도4의 표면구조의 종단면도.

도6은 다른 표면구조의 사시도.

도1 및 도2는 각각 표면구조의 사시도 및 흐름방향에 따른 단면도이다. 상기 표면구조(1)는 배의 선체면으로 이루어질 수 있는 표면(3)에 형성된 공동이다. 각 표면구조(1)는 표면(3)의 평면에 위치한 하류에지(4)로부터 표면(3) 아래로 소정거리를 갖고 위치한 상류교란에지(5)까지 표면(3)으로부터 하방향으로 소정각도로 연장하는 경사진 바닥면(2)를 갖는다. 상기 거리는 적어도 1 mm이되, 5 - 15 mm가 바람직하며, 표면구조(1)를 지나는 흐름속도에 따라 25 mm정도로 설정될 수 수 있다. 상기 바닥면(2)의 길이는 15 - 60 mm 또는 그 이상이 바람직하나, 표면구조(1)를 지나는 흐름속도에 따라 이 범위 외로 설정될 수 있다.

에지(6)(7)는 하류에지(4)와 상류교란에지(5) 사이로 연장한다. 이들은 하류단부보다 상류단부에서 넓은 바닥저면(2)을 이루도록 하류에지(4)로부터 상류교란에지(5)로 수렴된다. 측벽(9)은 상기 에지(6)(7)와 표면(3) 사이에 각각 형성된다. 상기 교란에지(5) 및 에지(6)(7)는 모두 표면구조(1)를 지나는 매질흐름에 대한 교란에지로 작용한다.

상기 상류교란에지(5)로부터 표면 하방향으로 단부벽(8)이 연장한다. 상기 단부벽(8)은 표면구조(1)의 수평단면이 조각 파이(pie) 형상을 갖도록 굴곡된다. 그러나, 상기 단부벽(8)은 삼각대 형상(truncated triangle)을 갖는 표면구조를 갖도록 직선으로 이루어질 수 있다.

화살표(10)는 예를 들면 배의 표면에서 수면 아래에 위치될 수 있는 표면구조(1)를 흐르는 유체흐름의 방향을 가르킨다. 물은 상기 교란에지(5) 및 에지(6)(7)의 위를 흐른다. 여기에서, 층류는 분쇄되고, 표면(3)에 대한 물의 점성은 현저하게 감소된다.

도3은 도1의 표면구조(1)와 같은 동일 방식으로 형성된 표면구조(20)를 도시한 것이나, 여기에서 에지들은 수렴되는 대신에 확산된다. 그러므로 표면구조(20)는 하류에지(24)로부터 상류 에지(25)까지의 표면에서 소정각도로 연장하는 바닥면(22)을 포함한다. 에지(26)(27)는 하류에지(24)와 상류에지(25) 사이로 연장한다. 상가 에지들과 표면 사이에는 측벽(29)이 형성된다.

상기 에지들은 상류측으로부터 하류측으로 확산되어, 상기 바닥은 상류 단부보다 하류 단부에서 넓게 된다.

단부벽(28)은 상류에지(25)로부터 표면(3) 하방향으로 연장한다. 상기 단부벽(28)은 굴곡되어 표면구조(20)의 수평단면이 조각 파이(pie) 형상을 갖는다. 그러나, 상기 단부벽(28)은 삼각대 형상(truncated triangle)을 갖는 표면구조를 갖 도록 직선으로 이루어질 수 있다. 상기 표면구조(20)는 그 수직단면형상이 상기한 표면구조(1)와 동일한 형상을 갖는다.

도3에서, 화살표(30)는 표면구조(20)를 지나는 흐름방향을 가르킨다. 상기 표면구조(20)가 예를 들면 배의 선체에 배치될 경우, 층류 흐름은 교란에지로서 작용하는 상류에지(25)에서 분쇄되고, 표면구조(20)에 의하여 형성된 공동을 가로질러 부분적으로 들어가는 난류 소용돌이(31)를 생성하게 된다.

상기 공동의 최대 깊이는 적어도 1 mm이되, 5 - 15 mm로 하는 것이 바람직하며, 상기 표면구조(20)를 지나는 흐름속도에 따라 15 mm 이상으로 이루어질 수 있다. 상기 바닥면(20)의 길이는 15 - 60 mm 또는 그 이상이 바람직하며, 표면구조(20)를 지나는 흐름속도에 따라 이 범위 외로 설정될 수 있다.

도4 및 도5는 대략 물방울(guttiform) 형상 공동(41)으로 형성된 표면구조(40)를 도시한 것이다. 상기 물방울 형상 공동(41)의 가장 넓은 단부(42)는 대략 구 영역의 형상을 갖고 하류를 향하며, 가장 좁은 단부(43)는 상류를 향하는 정점단(pointed end)을 갖는 원뿔 영역의 형상을 갖는다. 이러한 에지는 표면(3)을 따라 흐르는 흐름의 교란가장지리로서 작용한다. 흐름매질이 화살표(50)방향으로 흐를 경우, 에지(44)에서 난류 소용돌이로 분쇄된다. 상기 공동(41)의 최대 깊이는 적어도 1 mm이되, 5 -15 mm가 바람직하며, 표면구조(40)를 지나는 흐름속도에 따라 25 mm 또는 그 이상으로 이루어질 수 있다. 상기 공동의 길이는 흐름방향으로 15 - 60 mm 범위로 설정되는 것이 바람직하다.

상기 표면의 공동은 하류 방향으로 테이퍼지게 하는 대신에, 도3의 실시예에 서 도시한 바와 같이 하류방향으로 넓게 될 수 있다.

도6은 또 다른 표면구조를 도시한 것이다. 이 구조는 대략 15노트(knot) 이하의 저속도에 가장 적합한 것이다. 상기 표면구조(60)는 스크린 형상 벽(screen shaped wall)(61)에 의하여 형성된다. 상기 벽(61)은 원추대(truncated cone)의 일부분이나 사선형 원통체의 원통벽의 일부분으로 이루어질 수 있다. 그러므로, 상기 벽(61)은 볼록형 상류 및 오목 공동(62) 하류가 존재하게 된다. 상단 에지(66) 및 양측 에지(67)(68)는 벽(61)을 따라 형성된다. 이들 에지는 흐름 매질에 대한 교란에지로서 작용한다.

바람직하게, 상기 벽(61)은 플레이트(64)를 펀칭함으로써 제공되어, 이에 따라 홀(65)를 형성한다. 상기 플레이트(64)는 표면(3)에 고정될 수 있어, 상기 표면(3)은 홀(65)을 폐쇄한다. 상기 플레이트(64)를 표면(3)에 고정시키는 고정재는 플레이트(64)와 표면(3)의 재료를 감안하여 접착제, 리벳, 스크류, 용접 등으로 이루어질 수 있다. 상기 흐름 매질은 화살표(70)방향으로 흐른다. 상기 흐름 매질 예를 들면 물이 벽(61)에 부딪힐 경우, 상기 스크린 형상 벽(61)의 측부 또는 그를 따라 상측으로 빗나가게 된다. 상기 물의 흐름이 교란에지로서 작용하는 에지(67)(68) 및 상단 에지(66)를 지나갈 경우, 난류 소용돌이(71)(72)(73)가 생성된다. 이러한 방식으로, 표면(3)을 따라 흐르는 층류는 분쇄된다.

상기 표면구조(60)의 높이는 적어도 1 mm이되, 5 - 15mm가 바람직하며, 표면구조를 지나는 흐름속도에 따라 25 mm정도로 이루어질 수 있다. 상기 표면구조의 흐름방향으로의 길이는 15 - 60 mm 범위에서 설정되는 것이 바람직하다.

도1, 3, 4 및 6으로부터 알 수 있듯이, 표면구조는 바람직하게 횡방향으로 비스듬하게, 즉 행방향으로 스태거링(staggering)되는 방식으로 배열되어, 상기 한 행에서의 표면구조는 인접한 다른 행에서의 표면 구조 사이에 위치된다.

전술한 바에서 언급한 바와 같이, 본 발명은 파이프 트렌치(pipe trench) 또는 이와 유사한 것을 구비하는 모든 파이프들의 내측에 적용될 수 있다. 예를 들면, 통풍 침니(ventilating chimney)에 있어서, 전술한 표면구조를 갖는 스트립(strip)이 적절한 위치에 배치될 수 있다. 여기에서, 상기 스트립은 예를 들면 플라스틱으로 이루어질 수 있다. 액체를 운반하는 새로운 파이프들에서, 각 파이프 접합부에서 난류 링을 제공하기 위하여 유사한 표면구조가 흐름 단부에서 링의 형태로 설치될 수 있다. 이러한 링들에 가까워질수록, 흐름속도는 보다 높아지게 된다. 상기 재료, 예를 들면 플라스틱은 층류층을 분쇄하도록 충분히 견고해야만 한다. 이들 난류 링들의 재료가 너무 연성일 경우, 상기 효과는 얻을 수 없다.

또한, 상기 표면구조는 비행기 날개 또는 헬리콥터 블레이드의 전체 에지부에 이용될 수 있다.

Claims (7)

1. 내부에 위치되거나 외부로 노출되는 표면(3)의 매질에 대하여 항력을 감소시키고, 복수의 공동을 구비하는 다수의 표면구조(20)를 포함하는 표면(3)에 있어서,

   상기 표면(3)은 폐쇄되고, 상기 공동은 상기 매질의 흐름 방향(30)에 대해 교축으로 연장하는 교란에지를 구비하고,

   상기 표면(3)에 가장 가까운 흐름 매질이 상기 교란에지를 통과함에 따라 난류를 일으키도록 하는 방식으로, 상기 교란에지는 상기 공동의 상류에 위치되고, 상기 공동은 표면(2)으로부터 적어도 2 mm의 최대 깊이를 가지며,

   상기 공동의 바닥면(22)은 상기 매질의 흐름 방향(30)으로 연속하게 증가하는 폭을 구비하는

   표면.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 바닥면(22)은 상기 표면(2)의 평면에 위치되는 에지(24)로부터 상기 표면(3)의 아래에 위치되는 에지(25)까지의 상기 표면(2)에서 각도를 갖고 연장하는

   표면.
4. 제1항에 있어서,

   상기 공동은 상기 표면(3)의 평면에서 상류교란에지(25)를 구비하고, 상기 흐름 방향(30)으로 감소하는 깊이를 갖는 바닥면(22)을 구비하는

   표면.
5. 삭제
6. 제4항에 있어서,

   상기 공동은 상기 흐름 방향(30)으로 상기 표면(3) 측으로 연장하여 그 표면(3)과 일치하는 편평한 바닥면(22)을 갖는

   표면.
7. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 공동의 깊이는 5 - 15mm로 되는

   표면.

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