KR101022742B1 - 와륜 발생기 - Google Patents

Abstract

유체 흐름에 종속된 몸체(12)와 결합되게 형성된 와륜 발생기(11)가 개시된다. 이 와륜 발생기(11)는 그로부터 몸체를 지나 유체 흐름을 운동하게 하면서 와륜의 형태로 유체 흐름을 발생하도록 구성된다.

와륜 발생기, 와륜(vortex ring), 황금 분할, 유체, 소용돌이, 활성 표면

Description

와륜 발생기{Vortex ring generator}

본 발명은 유체역학 분야에 관한 것으로, 특히 몸체에 대한 유체 흐름에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 본 발명은 유체에 대한 몸체의 상대적인 운동중에 동체(胴體)나 몸체로의 항력(抗力)을 감소시키고자 하는 것이다.

본 발명은 예컨대, 탄환, 미사일, 어뢰, 잠수함, 항공기를 포함하며(단, 이들에만 한정되는 것은 아니다), 본 명세서에서는 임의로 이동하는 몸체 혹은 동체의 이용을 참조하여 설명하고 있다. 그러나 본 발명은 움직이는 동체에 한정되는 것은 아니며, 수로, 항공로, 또는 다른 유체 흐름 분야에서의 건조물, 다리의 파일, 고정 장애물 등의 고정된 몸체의 항력을 감소시키기 위해서 사용될 수 있다. 이와 같은 용도는 본 발명에 구체적으로 설명되어 있지는 않지만, 본 발명의 범위내에 있는 것이다.

최적의 효율에서, 동체를 유선형으로 하는 것에 대한 가장 큰 장애는, 표면 마찰이다. 이는 보통의 여러 형태를 가지며 일반적으로는 경계층의 항력, 표면 마찰, 점성, 표면 장력, 공동화 및 교란(turbulence)중의 하나 혹은 이들을 결합시킨 것이다.

종래 기술에서는 상기 항력을 감소시키고, 또한 이동하는 몸체 또는 동체의 표면을, 가능한 돌기(protuberances)를 없게 하고, 가능한 매끄러워지도록 개량하여, 몸체 또는 동체의 에너지 효율을 최대한으로 이용하도록 노력하거나 혹은 별도로 매끄러운 표면을 거칠게 하거나 상어나 돌고래 혹은 골프공의 표면처럼 파형 표면을, 몸체 또는 동체에 형성하려고 시도하였다.

이러한 목적은 흐르는 유체로부터의 항력 영향을 최소화하기 위함이다.

항력을 없애기 위한 또 다른 시도로서는, 소형 와류 발생기를, 날개 및 동체의 다른 부분에 장착하는 것도 있었다.

또 다른 시도로서는 유체중에 동체가 진행하는 방향으로 전방으로 연장하는 스파이크 형태의 돌출부를 형성하였다.

이러한 시도의 목적은, 동체 또는 몸체위에, 전반에 걸쳐 층류(層流)를 유지하고, 또한 가능한 분리 혹은 교란을 억제하는 것이었다. 선택적으로, 잔물결 형상 혹은 거친 표면이나 와류 발생기를 사용하여 경계층을 없애도록 하기 위하여, 동체 표면에 근접하여 무수한 소용돌이(eddies)를 발생하는 것이였다.

근본적으로, 이러한 모든 시도들은 최소의 마찰을 발생하면서 몸체를 지나 유체가 흐르는 것을 보조하도록 설계된다.

본 발명의 목적은 몸체에 대해 상대적으로 운동하는 유체의 드래그를 감소시키는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 몸체로 하여금 와륜(vortex ring)의 특수한 효율성을 이용하도록 하는 것이다.

이를 위해, 몸체, 예컨대 어뢰 또는 로켓은, 그 몸체의 돌출부, 및/또는 몸체의 둘레에 본 발명에 따른 와륜 발생기(vortex ring generator)를 부착한 것이다.

이 목적은, 몸체의 돌출부에 몸체를 지나 흐르는 유체를 운반하는 와륜을 형성함과 동시에 돌출부의 바로 앞 부분에 저압 영역을 발생시키는 것이다. 이 저압 영역이 사실 와륜의 중심이다.

발생된 와륜은, 그 와륜을 구성하고 있는 유체에 대해 이동하며, 또한 그 와륜은, 단면에서는 미끄러지기 보다는 바퀴처럼 회전(roll)한다.

저명한 수력학자인 레이놀드는 와륜과 관련하여, "자연은 미끄러지기 보다 회전(roll)하기를 좋아한다"라고 언급하였다.

와륜의 효율에 크게 기여하는 것이 이러한 특징이다.

종래 사용되는 와륜 발생기는, 항공기의 날개의 선단 가장자리에 배치된 바와 같은 직선 재료 또는 곡선재료의 작은 태브(tab)로 이루어져 있다. 이들의 와륜 발생기는 날개 표면을 가로질러 흐르는 소용돌이의 난류장(turbulence field)을 발생 시킨다.

본 발명은, 몸체를 둘러싸는 와륜을 발생시켜서, 몸체를 지나 흐르는 유체가, 그 발생된 와륜 내에서 그와 같은 기능을 하도록 설계되어 있다. 바람직하게는 이러한 발생기는 황금 분할(Golden Section) 즉 파이 기하형상(Phi geometry)에 따라 설계된다. 파이 기하형상은 자연에서 저항, 마찰 또는 항력이 가장적은 통로를 나타내는 것으로 알려져 있으며, 파이 기하형상은 또한 자연에서 발생하는 소용돌이 형상이다.

따라서, 본 발명은, 몸체상에서 유체흐름을 받는 몸체에 결합되도록 한 와륜발생기에서, 와륜 형태의 유체 흐름을 발생시키고, 그 유체 흐름을 와륜 발생기로부터 몸체 위에 이동시키도록 한 것이다.

본 발명의 양호한 실시예에 따르면, 와륜 발생기는 황금 분할 즉, 파이 기하형상에 따라 설계되었다.

본 발명의 또 다른 양호한 실시예에 따르면 와륜 발생기는 그 작용이 구심력에 의한 것이다.

본 발명의 다른 실시에 의하면, 본 발명은, 몸체를 지나 흐르는 유체에 영향을 미치도록 몸체에 결합된 요소를 구비한 와륜 발생기에 관한 것인 데, 이 요소는 적어도 하나의 황금 분할의 대수 곡선에 일치하는 구조를 가지고 유체 흐름에 영향을 미치도록 형성된 작용면(active surface)을 구비한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 와륜 발생기는, 몸체와 결합되고, 작용면을 가지는 하나 이상의 날개로 이루어지며, 또한 이 날개들의 진로는, 몸체의 주위로 몸체를 따라 나선상으로 진행하고 있다.

양호한 실시예에 따르면 와륜 발생기는 몸체로부터 전방으로 연장한다.

양호한 실시예에 따르면 날개들은 달팽이관 형상이다.

본 발명의 양호한 특징에 따르면 날개들의 활성 표면은 황금 분할에 부합하도록 설계된다.

본 발명의 양호한 실시예에 따르면 날개들의 통로는 황금 분할에 부합하도록 설계된다.

본 발명의 양호한 실시예에 따르면, 와륜 발생기는 몸체에 형성된 하나 이상의 홈들을 구비하며, 날개들의 통로는 몸체를 따라 그 둘레로 선회한다.

본 발명의 양호한 실시예에 따르면, 홈들의 통로가 황금 분할에 부합하도록 설계된다.

양호한 실시예에 따르면 몸체에 의해 와륜이 발생되며, 와륜 발생기는 유체를 통과하여 운동하도록 구성된다.

양호한 실시예에 따르면, 와륜은 몸체에 결합된 와륜 발생기를 통과하여 운동하는 유체에 의해 발생된다.

양ㅎ한 실시예에 따르면, 와륜 발생기는 몸체에 대해 고정된다.

양호한 실시예에 따르면, 와륜 발생기는 몸체에 대해 이동가능하도록 형성된다.

양호한 실시예에 따르면, 와륜은 와륜 발생기의 운동에 의해 발생된다.

양호한 실시예에 따르면, 와륜이 발생된 후에 와륜 발생기의 강력한 회전에 의해 와륜의 추진이 발생된다.

본 발명은 여러 실시예들에 대한 이하의 설명에 의해 더욱 명확하게 이해될 것이다.

첨부도면과 관련하여 본 발명에 대한 설명이 이루어지는 데, 여기에서,

도 1은 황금 분할(Golden Section)의 형태를 설명하기 위한 도면,

도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 와륜 발생기의 측면도,

도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 와륜 발생기의 선단부를 도시한 도면,

도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 와륜 발생기의 후단부를 도시한 도면,

도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따라 몸체에 장착된 와륜 발생기의 측면도,

도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따라 몸체에 장착된 와륜 발생기의 측면도,

도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따라 몸체에 장착된 와륜 발생기의 선단부를 도시한 도면,

도 8은 본 발명의 제 3 실시예에 따라 몸체에 장착된 와륜 발생기의 측면도,

도 9는 본 발명의 제 3 실시예에 따라 몸체에 장착된 와륜 발생기의 선단부를 도시한 도면,

도 10은 본 발명의 제 1 실시예 및 제 3 실시예에 따른 와륜 발생기가 장착된 몸체 둘레에서의 와륜의 흐름을 보이기 위한 다이아그램도,

도 11은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 와륜 발생기가 장착된 몸체 둘레에서의 와륜의 흐름을 보이기 위한 다이아그램도,

도 12는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 와륜 발생기에 의해 그 둘레에 발생된 와륜을 보이기 위한 다이아그램도이다.

본 발명에 따른 각각의 실시예들은 몸체에 대해 운동하는 유체속에서 와륜을 발생하도록 구성되고 몸체와 결합된 와륜 발생기를 구비한다. 각각의 실시예에서 와륜 발생기는 유체의 흐름이 몸체를 지나 흐르는 와륜을 발생하도록 형성된 작용면을 가지는 유체 통로를 구비한다.

상기 설명한 바와 같이, 자연의 자연력의 영향하에서 운동하는 모든 유체는 나선이나 소용돌이로 운동하는 경향이 있다. 이러한 나선이나 소용돌이는 황금 비 또는 피보나치 수열로 알려진 수열(progression)에 따른다.

본 발명에서 설명된 각각의 실시예들의 작용면들의 대다수의 비율의 표면들은 일반적으로 대부분의 경우 황금 분할 혹은 황금 비율에 따라 설계되며, 따라서 작용면들이 나선 구조이고 적어도 대부분의 경우 황금 분할 혹은 황금비율의 특성에 따르게 하는 것이, 각각의 실시예들의 특징이다. 이와 같은 황금 분할의 특성이 도 1에 도시되어 있다. 도1은 황금 분할이나 황금비율에 따른 나선 곡선의 전개(展開)를 도시하고 있다. 이 나선의 전개시 등각(equiangular) 반경(예컨대, E, F, G, H, I 및 J)에서 측정된 곡선 반경의 성장 오더(order of growth)는 일정하다. 이는 a:b= b:a+b의 공식에 따라서 각 시퀀스 간의 각각의 반경을 삼각형으로 표현한 것으로 도시되어 있다. 이 공식은 대략 1:0.618의 비에 일치하고, 또 이 곡선 전체에 걸쳐서 끝과 시작이 일관하고 있다.

이 실시예들의 특징은 X와 Y축이 황금 분할의 기하형상에 부합할 뿐만 아니라 Z축인 깊이도 황금분할의 기하형상에 따르게, 즉 상기 날개가 3차원적으로 황금 분할에 따르도록 되었다.

상기 실시예들의 목적은, 와륜에서 발견된 소용돌이 선들을 2개로 만드는 것이다. 이를 위해, 작용면은 등각의 황금 분할의 나선에서 임의의 방향으로 대수적으로 팽창하거나 또는 수축한다. 이러한 작용면중 일 표면에서 임의의 2 점들이 선택되면, 이들의 점은 대략 1:0.618이라고 하는 상대적인 비율을 갖게 된다. 이들의 작용면은 임의의 회전길이 또는 회전수로도 되고, 이들의 작용면은 소용돌이의 내부층류 소용돌이 라인에 일치하도록 설계된다.

도 2 내지 도 5에 도시된 제 1 실시예에서 와륜 발생기(11)는 몸체(12)의 코부분에 위치된 한 세트의 날개들을 구비한다. 본 명세서에서 코(nose) 부분이라는 용어는 유체의 상대적인 흐름이 몸체에 접근하는 방향에 대면하도록 형성된 몸체 부분을 나타내도록 사용된다.

와륜 발생기(11)는 와륜을 발생하도록 몸체에 대한 유체 흐름에 영향을 미침으로써 와륜을 발생하도록 하고 있다. 와륜 발생기(11)를 구성하는 날개들은, 몸체의 돌출부(13)로부터 전방으로 연장되어 있으며, 와권(달팽이관)형상을 이루고 있다. 이들의 날개들에는 각각 내부반동(反動)면(14)이 설치되어 있다. 내부반동면(14)은 오목한 구조이며, 또한 요면(凹面)성의 3차원 만곡부를 이루고 있으며, 이에 의하여 각각의 방향에 있어서의 만곡부가, 황금분할에 일치하는 대수곡선에 기초하고 있으며, 그 결과 날개는 공동으로 와륜발생기(11)의 요면형(凹面形)의 내면을 형성한다.

더우기, 각각의 날개는, 이격된 반동면(15)을 갖고 있다. 이격 반동면(14)은, 내부 반동면(14)으로부터 멀리 떨어져 있으며, 또한 요면형의 3차원 만곡부도 이루고 있으며, 이에 의하여 각각의 차원에 있어서의 만곡부가 황금분할에 대한 대수곡선에 일치하고, 또한 이에 의하여 각각의 차원에 있어서의 만곡부가, 각각의 차원에 있어서의 내부반동면(14)의 만곡부와 동일형상을 이루게 하고 있다. 그 결과 이격된 반동면(15)은 공동으로 날개들의 요면형의 표면을 형성한다.

제1 실시예의 형태를 수정 변경한 것으로, 와륜 발생기는, 상기 돌출부(13)에 고정되게 장착되지 않고, 몸체(12)의 축선(軸線)과 동축(同軸)으로 회전하도록 형성된다. 또한,와륜 발생기를 기계적으로 구동하여 회전시켜 몸체를 추진하고, 동시에 와륜을 발생시킨다.

도 6 및 도 7에 도시된 바와 같은 제 2 실시예에서는, 와륜 발생기는, 몸체(22)의 표면에 1조(組)의 하나 또는 그 이상의 홈(21)을 갖고 있으며, 이들의 홈(21)은 몸체(22)의 돌출부(23)로부터 혹은 돌출부(23)에 인접해서 시작하여 몸체(22)의 말단부(24)에 인접하거나 혹은 그 말단부(24)에서 종료한다. 몸체(22)에 따른 상기 홈(21)의 진로는 황금비율에 일치하도록 설계된 방식으로 몸체(22)의 둘레에 나선상으로 진행한다.

도 8 내지 도9에 도시된 제3 실시예에서는, 와륜 발생기는, 몸체의 표면으로부터 외측으로 연장하는 1조의 하나 또는 그 이상의 날개들(31)을 구비하고 있다. 이 날개들(31)은 몸체(32)의 돌출부(33)에 인접하거나 그 부분에서 시작하여 몸체의 말단부(34)에 인접하여 종료한다. 몸체를 따라 형성된 날개들의 진로는 황금비율에 일치하도록 설계된 방식으로 몸체 둘레에 나선상으로 진행한다.

상기 설명한 각각의 실시예들에서 몸체는 대수적인 등각의 파이(Phi) 나선에 따라 이상적으로 설계된다. 그 형상은 모든 소용돌이에 공통적인 파이 소용돌이 외형(Phi vortex geometry)에 최적으로 부합한다. 환언하면 몸체는 가시적인 소용돌이의 속이 빈 관에서 보이는 공간을 점유한다.

도 11 도시와 같이, 몸체(13)는 와류(16)의 중심 내에 수용된다. 몸체의 돌출부는 상기 제 1 내지 제 3 실시예에 따라 와륜의 외형(기하형상)에 정확히 일치한다. 몸체는 원추형상이어도 좋다. 이 경우 그 중공 중심(中空 中心)에 의하여 와륜으로 유입되는 유체가 중심을 지날 수 있게 한다.

도 10 및 도 11은 몸체를 따라 이동/회전하는 와륜 형상의 소용돌이의 발생을 보여준다.

운전할 때는, 유체와 몸체의 상대운동에서, 작용면(11, 21) 또는 작용면( 31)과 유체가 계합(係合)하여, 유체가 대수적인 소용돌이 형상으로 회전하기 시작한다. 유체가 이들의 작용면과 계합하면, 회전 운동에 의하여 와륜 발생기의 기부(基部)베이스(와륜 발생기와 몸체의 돌출부와의 사이의 경계면)에는, 저압 영역이 발생된다. 이에 의하여 몸체의 경계층 항력(drag)이 감소되고, 와륜 및/혹은 잠재적인 와류(포텐셜 와류)가 확립된다. 도 10에 도시된 바와 같이, 와륜은, 몸체(13) 의 벽면을 따라, 볼 베어링과 같이 경계층을 감싼다. 많은 용도에서, 와륜은 연속적인 흐름을 발생한다. 몸체 배후에 남겨진 후류(Wake)이, 와륜의 형상이다.

도 12는 와륜(16)을 발생하는 제1의 실시 형태의 와륜 발생기(11)를 도시한것이다. 이를 위해서 와륜 발생기(11)와 유체 사이에 상대운동이 존재해야 한다.

이러한 운동은 와륜 발생기(11)의 회전시키거나, 고정된 와륜 발생기를 지나는 유체를 이동시키거나 혹은 유체중에 몸체와 와륜 발생기를 추진시키면, 발생시킬수 있다.

본 발명의 범위가 상기 설명한 내용으로 제한되는 것은 필요하지 않음이 이해되어야 한다.

명세서를 일관해서 달리 설명한 바가 없다면, 포함한다(comprise)라는 표현은 설명한 구성요소나 구성요소의 그룹을 포함하는 것을 의미하며 다른 구성요소나 구성요소의 그룹을 배제하는 것을 의미하지는 않는다.

Claims (19)

1. 삭제
2. 삭제
3. 유체 흐름(流體流)을 받는 몸체에 결합 되도록 한 와륜(渦輪)발생기로서, 상기 와륜발생기는 상기 몸체에 정지된 상태로 고정되고, 상기 몸체 위로 유체흐름을 유도되게 하고 사용시 상기 몸체의 전방 부근에 위치하도록 하는 나선형 작용면(active surfaces)을 포함하고, 상기 나선형 작용면은 황금분할 또는 파이 기하형상으로 구성되어 상기 몸체 위로 흐르는 유체에 작용함으로서 상기 몸체의 둘레를 감싸면서 상기 몸체와 유체의 상대 운동으로 상기 와륜발생기로부터 상기 몸체 위를 지나 후방으로 이동하게 하는 와륜 형태의 유체 흐름을 유도하게 구성되며, 상기 와륜 발생기는 상기 몸체로부터 전방을 향해 연장되게 구성한 와륜 발생기.
4. 제 3항에 있어서, 상기 작용면은 상기 몸체의 일단에 설치된 날개에 의해 형성되고, 상기 날개는 상기 몸체의 전방 끝에서 후방 끝을 향하여 상기 몸체를 따라 연장되어 몸체를 감싸는 나선형으로 구성됨을 특징으로 하는 와륜 발생기.
5. 제 4항에 있어서, 상기 몸체에 설치된 상기 날개의 진로(Path)는 황금분할 또는 파이 기하형상에 따르게 구성함을 특징으로 하는 와륜 발생기.
6. 제 5항에 있어서, 상기 날개는 상기 몸체의 일부분으로 구성됨을 특징으로하는 와륜 발생기.
7. 제 5항에 있어서, 상기 날개는 분할 체로 구성하여 상기 몸체에 고정됨을 특징으로 하는 와륜 발생기.
8. 제3항에 있어서, 상기 작용면은 상기 몸체에 형성된 적어도 하나의 홈(Groove)에 의해 형성되고, 상기 홈은 상기 몸체의 전방 끝에서 후방 끝을 향하여 상기 몸체를 따라 연장되면서 그 몸체의 둘레를 감싸는 나선형으로 구성됨을 특징으로 하는 와륜 발생기.
9. 제8항에 있어서, 상기 몸체에 설치된 상기 적어도 하나의 홈의 진로는 황금 비율 혹은 파이 기하형상을 따르게 구성됨을 특징으로 하는 와륜 발생기.
10. 삭제
11. 전후방단부와 날개를 갖는 형체를 이루며, 날개는 상기 전방단부로부터 후방단부를 향하여 소정 형체를 따라 연장되어 외방으로 돌출되게 형성되며, 또한 나선형 외관을 이루어 황금분할에 일치하는 만곡부(灣曲部)를 갖는 작용면을 형성하고, 몸체의 전방에 고정 설치되어 상기 전방단부로부터 후방단부를 향하여 유체 흐름을 흐르게 하도록 구성되며, 상기 몸체는 전방부를 구비하고, 그 전방부에 와륜 발생기를 장착한 와륜 발생기.
12. 삭제
13. 유체흐름 방향과 일치하는 축선을 갖는 몸체를 구비하고, 상기 몸체에 고정설치되어 동심축(同心軸)으로 된 나선형 외관의 작용면을 형성하여 상기 몸체 위로 유체 흐름이 흐르게 하고, 상기 나선형 외관의 작용면은 황금분할 또는 파이 기하형상과 일치하는 만곡부를 이루게 하여 유체 흐름이 상기 몸체를 와륜형태로 감싸면서 상기 작용면 위를 흐르게 하여, 상기 몸체와 유체의 상대운동으로 상기 몸체의 후방을 향하여 이동하게 한 와륜 발생기이며, 상기 와륜발생기는 상기 몸체로부터 전방을 향하여 연장되게 구성한 와륜 발생기.
14. 제 13항에 있어서, 상기 작용면은 상기 몸체의 일단에 설치된 날개에 의해 형성되고, 상기 날개는 상기 몸체의 전방 끝에서 후방 끝을 향하여 상기 몸체를 따라 연장되어 몸체를 감싸는 나선형을 이루게 한 것을 특징으로 하는 와륜 발생기.
15. 제 14항에 있어서, 상기 몸체에 설치된 상기 날개의 진로는 황금 비율 혹은 파이 기하형상을 따르게 구성한 것을 특징으로 하는 와륜 발생기.
16. 제 14항에 있어서, 상기 날개는 상기 몸체의 일부분으로 형성되게 구성한 것을 특징으로하는 와륜 발생기.
17. 제 14항에 있어서, 상기 날개는 분할 체로 형성하여 상기 몸체에 고정되게 구성됨을 특징으로 하는 와륜 발생기.
18. 제13항에 있어서, 상기 작용면은 상기 몸체에 형성된 적어도 하나의 홈(Groove)에 의해 형성되고, 상기 홈은 상기 몸체의 전방 끝에서 후방 끝을 향하여 상기 몸체를 따라 연장되면서 상기 몸체를 감싸는 나선형으로 구성됨을 특징으로 하는 와륜 발생기.
19. 제 18항에 있어서, 상기 몸체에 설치된 상기 날개의 진로는 황금 비율 혹은 파이 기하형상을 따르게 구성한 것을 특징으로 하는 와륜 발생기.

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