KR101589596B1 - 소용돌이 발생 장치 및 소용돌이 발생 방법 - Google Patents

Abstract

실시형태의 소용돌이 발생 장치는, 유체의 흐름에 접하는 부재로서, 이 흐름에 평행인 단면의 둘레 상에, 이 유체가 유입되는 정체점과, 제 1, 제 2 박리 유역을 각각 수반하는 제 1, 제 2 박리점을 갖는 부재와, 상기 제 1 박리점의 상류에 요란을 인가하여, 상기 흐름의 경계층을 부분적으로 부착시키는 요란 인가부와, 상기 요란 인가부에 의한 요란의 인가를 시간적으로 제어하여, 상기 제 1 박리점의 위치를 변화시켜, 상기 정체점에서부터 상기 제 1 박리점까지의 부착 거리를 전환하고, 상기 경계층을 요동시키는 것에 의해, 상기 박리 영역 내에, 상기 부재의 날개 폭 방향으로 축을 갖는 동적 실속 소용돌이를 발생시키는 제어부를 구비한다.

Description

소용돌이 발생 장치 및 소용돌이 발생 방법{VORTEX GENERATING APPARATUS AND VORTEX GENERATING METHOD}

본 명세서에 기술된 실시예들은 일반적으로 소용돌이 발생 장치 및 소용돌이 발생 방법에 관한 것이다.

본 출원은 2013년 2월 1일에 제출된 일본 특허출원번호 제2013-018970호에 기초하여 이에 대한 우선권의 이익을 주장하며, 이것의 전체 내용은 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.

유체 역학에 있어서, 동적 실속(動的失速) 소용돌이(DSV(Dynamic stall vortex))가 알려져 있다. 동적 실속 소용돌이는 예를 들면, 유체의 흐름에 대한 날개의 받음각을, 정적 실속각을 사이에 두고 진동시켰을 때에 발생한다. 이 경우, 받음각이 정적 실속각을 넘어서도 양력은 감소하지 않고(실속하지 않고) 증대해 간다. 이때, 동적 실속 소용돌이가 발생하여, 이 소용돌이의 부압에 의해 큰 양력이 발생하고 있는 것으로 생각할 수 있다.

그러나, 날개의 받음각을, 정적 실속각을 넘어서 어느 정도 이상으로 크게 하면, 양력이 최대에 도달한 후, 급격히 저하하여 완전 실속에 빠진다. 이때, 동적 실속 소용돌이는 발생하지 않으며, 따라서, 동적 실속 소용돌이에 의한 부압도 존재하지 않는 상태가 된다.

이와 같이 동적 실속 소용돌이는 큰 양력을 발생시키는 한편, 양력 불안정의 원인도 된다. 이 때문에, 항공기(고정익기, 회전익기 등), 풍차 등, 날개에의 양력을 이용하는 기술분야에 있어서는, 동적 실속이 발생하지 않도록(환언하면, 동적 실속 소용돌이가 발생하지 않도록), 날개의 받음각이 실속각보다 충분히 작아지도록 설계하는 것이 일반적이다(미국 특허공보 제6267331호 참조).

그러나, 동적 실속 소용돌이의 발생을 제어할 수 있으면, 동적 실속 소용돌이의 특징(높은 비정상 부압력 등)을 이용하여, 다양한 처리(예를 들면, 물체에의 힘의 인가, 기체의 혼합 촉진)를 행하는 것이 가능해진다.

본 발명은, 받음각을 동적으로 변화시키지 않고 소용돌이의 발생이 가능한, 소용돌이 발생 장치 및 소용돌이 발생 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

실시형태의 소용돌이 발생 장치는, 유체의 흐름에 접하는 부재로서, 이 흐름에 평행인 단면(斷面)의 둘레 상에, 이 유체가 유입되는 정체점과, 제 1, 제 2 박리 유역(流域)을 각각 수반하는 제 1, 제 2 박리점을 갖는 부재와, 상기 제 1 박리점의 상류에 요란(擾亂)을 인가하여, 상기 흐름의 경계층을 부분적으로 부착시키는 요란 인가부와, 상기 요란 인가부에 의한 요란의 인가를 시간적으로 제어하여, 상기 제 1 박리점의 위치를 변화시켜, 상기 정체점에서부터 상기 제 1 박리점까지의 부착 거리를 전환하고, 상기 경계층을 요동시키는 것에 의해, 상기 박리 영역 내에, 상기 부재의 날개 폭 방향으로 축을 갖는 동적 실속 소용돌이를 발생시키는 제어부를, 구비한다.

본 발명에 따르면, 받음각을 동적으로 변화시키지 않고 소용돌이를 발생시킬 수 있다.

도 1은 받음각(θ)과 양력 계수(K)의 관계를 나타내는 그래프.
도 2a는 날개(W)와 경계층(L)의 관계의 일예를 나타내는 모식도.
도 2b는 날개(W)와 경계층(L)의 관계의 일예를 나타내는 모식도.
도 2c는 날개(W)와 경계층(L)의 관계의 일예를 나타내는 모식도.
도 3은 제 1 실시형태에 따른 소용돌이 발생 장치(10)를 나타내는 모식도.
도 4a는 요란 인가부(12)의 내부 구성의 일예를 나타내는 모식도.
도 4b는 요란 인가부(12)의 내부 구성의 일예를 나타내는 모식도.
도 4c는 요란 인가부(12)의 내부 구성의 일예를 나타내는 모식도.
도 5는 요란 인가부(12)의 구동 파형(V)의 일예를 나타내는 그래프.
도 6a는 제 2 실시형태에 따른 소용돌이 발생 장치(10a)를 나타내는 모식도.
도 6b는 제 2 실시형태에 따른 소용돌이 발생 장치(10a)를 나타내는 모식도.
도 7a는 제 2 실시형태의 변형예에 따른 소용돌이 발생 장치(10b)를 나타내는 모식도.
도 7b는 제 2 실시형태의 변형예에 따른 소용돌이 발생 장치(10b)를 나타내는 모식도.
도 8은 요란 인가부(12a, 12b)의 구동 파형(Va, Vb)의 일예를 나타내는 그래프.
도 9는 제 3 실시형태에 따른 소용돌이 발생 장치(10c)를 나타내는 모식도.
도 10은 제 3 실시형태의 변형예에 따른 소용돌이 발생 장치(10d)를 나타내는 모식도.
도 11은 제 4 실시형태에 따른 소용돌이 발생 장치(10e)를 나타내는 모식도.
도 12a는 변형예 1에 따른 소용돌이 발생 장치(10f)를 나타내는 모식도.
도 12b는 변형예 2에 따른 소용돌이 발생 장치(10g)를 나타내는 모식도.
도 12c는 변형예 3에 따른 소용돌이 발생 장치(10h)를 나타내는 모식도.
도 13a는 날개 부재(11)에서의 소용돌이 발생 실험 결과를 나타내는 도면.
도 13b는 날개 부재(11)에서의 소용돌이 발생 실험 결과를 나타내는 도면.
도 13c는 날개 부재(11)에서의 소용돌이 발생 실험 결과를 나타내는 도면.
도 13d는 날개 부재(11)에서의 소용돌이 발생 실험 결과를 나타내는 도면.
도 13e는 날개 부재(11)에서의 소용돌이 발생 실험 결과를 나타내는 도면.
도 13f는 날개 부재(11)에서의 소용돌이 발생 실험 결과를 나타내는 도면.

이하, 도면을 참조하여 실시형태를 상세히 설명한다.

(동적 실속 시의 소용돌이)

우선, 동적 실속 시에 발생하는 소용돌이(동적 실속 소용돌이(DSV(Dynamic stall vortex)))에 대하여 설명한다. 후술하는 본 실시형태에서는 동적 실속 소용돌이(DSV)에 대응하는 소용돌이(VR)의 생성이 가능해진다.

도 1은 날개(W)의 받음각(θ)(익현선(翼弦線)과 균일 흐름을 이루는 각)과 양력 계수(K)의 관계를 나타내는 그래프이다. 그래프(G1, G2)는 각각, 정적인 날개(W)(받음각(θ)이 일정 또는 비교적 저속으로 변화하는 경우), 동적인 날개(W)(받음각(θ)이 비교적 고속으로 변화하는 경우)에 대응한다.

날개(W)가 정적인 경우(그래프(G1)) 정적 실속이 일어난다. 받음각(θ)이 실속각(αs)보다 작은 영역에서는, 양력 계수(K)(양력)는 받음각(θ)에 거의 비례하여 증가한다. 이때, 도 2a와 같이, 날개(W)의 배면(부압면(負壓面))을 따라 흐름의 경계층(L)이 배치된다. 받음각(θ)을 더 증가시켜 실속각(αs)이 되면 양력 계수(K)는 급격히 저하한다(실속). 이때, 도 2b와 같이, 날개(W)의 배면으로부터 경계층(L)이 박리되어(박리 전단층), 이것이 양력 계수(K) 저하의 원인이 된다. 즉, 흐름에 의한 부압이 날개에 인가되지 않는 상태가 된다.

한편, 날개(W)가 동적인 경우(그래프(G2)) 동적 실속이 일어난다. 여기에서는, 정적인 경우와 동일 형상의 날개(W)를 이용해서, 실속각(αs)을 중심으로 하여, 받음각(θ)을 ±α0의 범위에서 정현 진동시키고 있다.

받음각(θ=αs-α0)으로부터 출발하여, 받음각(θ)을 증가시키면, 양력 계수(K)는 증가한다. 받음각(θ)이 실속각(αs)에 도달해도 양력 계수(K)는 감소하지 않는다. 반대로, 정지장(靜止場)에서의 최대 양력 계수(Kmax)에 비해, 이때의 양력 계수(K)는 대폭적으로 증가하여 최대점에 도달한다(상태 S1).

그러나, 받음각(θ)을 더 증가시키면, 양력 계수(K)는 대폭적으로 저하하여, 완전 실속의 상태에 빠진다(상태 S2). 완전 실속에 도달한 후에는, 받음각(θ)을 감소시켜도 양력 계수(K)는 낮은 상태로 변해간다. 받음각(θ)을 충분히 저하시킴으로써, 양력 계수(K)는 정지장에서의 양력 계수(K)에 접근한다.

도 2c와 같이, 상태 S1에서는, 날개(W)의 앞쪽 가장자리 부근에서, 박리 전단층(경계층(L))의 소용돌이도(vorticity)와 같은 부호로, 큰 소용돌이도의 동적 실속 소용돌이(DSV)가 발생한다. 발생한 동적 실속 소용돌이(DSV)는 주류(主流) 방향으로 흐른다.

동적 실속 소용돌이(DSV)가 큰 부압을 갖기 때문에, 날개(W)의 배면이 위쪽으로 끌려올라가, 큰 양력이 발생할 것으로 생각할 수 있다. 그러나, 동적 실속 소용돌이(DSV)가 날개(W)의 배면 위를 지나쳐 뒤쪽으로 흘러가면, 흐름은 도 2b와 같은 상태가 된다. 이때, 도 1의 상태 S2에 나타내는 바와 같이, 양력은 급격히 저하한다.

이상과 같이, 동적 실속 소용돌이(DSV)는, 날개(W)의 받음각(θ)을 변화시켰을 때에 발생하여, 큰 양력을 초래함과 함께, 양력 불안정성의 원인도 된다. 이하의 실시형태에서는, 날개(W)의 받음각(θ)을 동적으로 변화시키지 않고, 동적 실속 소용돌이(DSV)에 대응하는 소용돌이(VR)를 발생시키는 것이 가능해진다.

(제 1 실시형태)

도 3에 나타내는 바와 같이, 제 1 실시형태에 따른 소용돌이 발생 장치(10)는, 유체(F)의 흐름 중에 배치했을 때에 소용돌이(VR)를 발생시키는 장치이며, 날개 부재(11), 요란 인가부(12), 유속 계측부(13), 제어부(14)를 갖는다.

유체(F)는 예를 들면, 대기, 불활성 가스(희(稀)가스(예를 들면, 아르곤 가스), 질소 가스), 반응성 가스(가연성 가스(예를 들면, 연료 가스), 산화성 가스(예를 들면, 산소 가스)), 이산화탄소 가스 등의 기체 및 이들 기체의 혼합물이다.

소용돌이(VR)는 유체(F)가 회전하여 발생하는 나선 형상의 패턴이며 동적 실속 소용돌이(DSV)에 대응한다. 후술과 같이, 날개 부재(11)를 유체(F)의 흐름 중에 배치하여 정적 실속의 상태로 해두고, 요란 인가부(12)에 의해 유체(F)의 흐름을 요란시킴으로써 소용돌이(VR)가 발생한다.

날개 부재(11)는 앞쪽 가장자리(111), 뒤쪽 가장자리(112), 돌기(113)를 갖는다. 여기에서는, 날개 부재(11)의 하부를 생략하고 있다. 즉, 여기에서는, 날개 부재(11)의 하부의 형상을 불문하는 것으로 한다. 또한, 날개 부재(11)는 지면(紙面)에 수직인 방향의 날개 폭을 갖는다.

앞쪽 가장자리(111), 뒤쪽 가장자리(112)는 각각, 날개 부재(11)의 최상류, 최하류에 배치되는 부위이다. 즉, 유체(F)는 날개 부재(11) 위의 앞쪽 가장자리(111)로부터 유입되어 뒤쪽 가장자리(112)로부터 유출된다.

돌기(113)는 앞쪽 가장자리(111), 뒤쪽 가장자리(112) 사이에 배치되며 돌출하는 부위이다. 이 실시예에서는, 돌기(113)가 예각의 모서리부를 가지며, 받음각을 변경해도 후술하는 박리점(P)이 돌기(113)의 모서리부에 고정되어 있다. 여기에서는, 박리점(P)으로부터 흐름의 하류를 따라 돌기(113) 위에 조면(粗面)(Sr)이 형성되어 있다. 즉, 돌기(113)의 표면이 조면화되어 있다. 이것은, 후술하는 요란 인가부(12)에 의한 요란의 효과를 높여, 경계층(L)(박리 전단층)의 난류화(亂流化)를 촉진한다. 그 결과, 요란 인가부(12)의 동작 중에서의 경계층(L)의 부착 거리(D)의 확대가 용이해진다. 또한, 도 3에 나타내는 바와 같이, 유체(F)가 유입되는 정체점(O)에서부터 박리점(P)까지의 표면을 따른 거리를 부착 거리(D)로 정의한다.

흐름이 조면(Sr)의 영향을 받아 요란 인가부(12)로부터 인가되는 요란의 효과가 확대됨으로써, 요란 인가의 유무에 따른 부착 거리(D)의 차이가 커진다. 이 결과, 보다 강한 소용돌이(VR)를 방출시킬 수 있다. 단, 조면(Sr)은 박리점(P)으로부터 어느 정도의 거리(X)를 두는 것이 바람직하다. 가령, 거리(X)=0으로 하면, 요란 인가부(12)가 OFF 상태일 때에도 조면(Sr)이 흐름에 영향을 끼쳐, 부착 거리(D)를 작은 상태로 유지하는 것이 곤란해질 우려가 있다. 즉, 요란 인가의 유무에 따른 부착 거리(D)의 차이가 작아져 강한 소용돌이(VR)를 방출하는 것이 곤란해진다.

돌기(113)로부터 뒤쪽 가장자리(112)에 걸쳐서 날개 부재(11)의 받음각(θ)은 실속각(α)보다 큰 것으로 한다. 즉, 날개 부재(11)는 정적인 실속 상태에 있다.

이때, 날개 부재(11)의 근방에는 고속역(A1), 저속역(A2)을 구분하는 경계층(L(L1))이 존재한다. 고속역(A1)은 비교적 고속인 유체(F)의 주류가 흐르는 영역이다. 저속역(A2)은 유체(F)의 주류가 흐르지 않는 박리 영역이며, 주류에 비하여 저속역(A2)에서의 유체(F)의 유속이 낮다.

실속 상태일 때, 유체(F)의 경계층(L1)은 돌기(113)에 배치되는 박리점(P)에서 날개 부재(11)의 표면으로부터 박리된다. 이 경계층(L)의 박리에 의하여, 유체(F)에 의한 날개 부재(11)의 상면에의 부압이 저감되어 양력 계수(K)가 저하한다.

박리된 경계층(L1)은 박리 전단층으로 되어 고속역(A1)에서부터 저속역(A2)에 걸친 속도 분포를 갖는다. 이 속도 분포의 결과, 박리 전단층(경계층(L))에 전단력이 발생한다. 이 전단력의 결과, 경계층(L1)의 유체(F)의 흐름은 소용돌이도(회전 성분)를 갖게 된다.

요란 인가부(12)는 날개 부재(11) 위의 박리점(P)의 상류에 배치되며, 경계층(L1)(박리 전단층)에 요란을 인가한다. 이 요란의 인가에 의해, 박리점(P)에서 박리된 경계층(L)의 부분적인 부착이 가능해진다. 부분적인 부착이란, 박리점에서부터 뒤쪽 가장자리(112)까지에 걸친 부착이 아닌, 박리점에서부터 일정한 거리 사이의 부착으로 충분하다는 것을 의미한다. 요란 인가 효과에 의해 부분적으로 부착된 후, 다시 박리되어도 된다. 이와 같은 경우에도 요란 인가의 유무에 따라, 부착 거리(D)의 대소를 변화시킴으로써 소용돌이(VR)를 방출 가능해진다.

요란 인가부(12)가 OFF 상태일 때의 경계층(L1)은, 박리점(P)에서 날개 부재(11)로부터 박리되어, 뒤쪽 가장자리(112)까지의 사이에서 날개 부재(11)에 부착되어 있지 않다. 한편, 요란 인가부(12)가 ON 상태일 때의 경계층(L2)은, 박리점(P)으로부터 거리(ΔD)만큼 떨어진 개소(박리점(P'))에서 날개 부재(11)로부터 박리되어 있다. 이와 같이, 요란 인가부(12)의 OFF, ON를 전환함으로써 경계층(L1, L2)이 전환되어 소용돌이(VR)가 발생한다. 또한, 이 상세는 후술한다.

요란 인가부(12)는 방전, 진동, 음파 등, 다양한 수법에 의해 요란을 인가할 수 있다.

(1) 방전에 의한 요란의 인가

도 4a는 방전을 이용한 요란 인가부(12a)의 일예를 나타낸다.

요란 인가부(12a)는 전극(21, 22), 방전용 전원(23)을 갖는다. 전극(21, 22)은 날개 부재(11) 위 또는 그 내부에 배치된다.

여기에서는, 전극(21)의 표면(상면)이 날개 부재(11)의 표면과 동일면으로 되어 있다. 즉, 전극(21)의 표면이 유체(F)와 접촉하고 있다. 단, 전극(21)은 그 표면을 노출시키지 않도록, 날개 부재(11) 내에 매설되어도 된다.

전극(22)은, 전극(21)으로부터 유체(F)의 흐름 방향으로 비켜나게 배치되며, 날개 부재(11) 내에 매설된다. 전극(22)은, 전극(21)보다도 날개 부재(11)의 표면으로부터 깊숙이 매설되어 있다.

방전용 전원(23)은 전극(21, 22) 사이에 전압(예를 들면, 교류 전압(일예로서, 정현파 전압))을 인가한다. 전극(21, 22) 사이에 전압이 인가됨으로써, 전극(21, 22) 사이에 방전(여기에서는, 유전체 배리어 방전)이 발생한다. 이 방전에 의해 박리 전단층(경계층(L))에 요란이 인가된다.

여기에서는, 전극(21, 22)이 날개 부재(11) 위에 구비되어 있다. 그 때문에, 날개 부재(11)는 유전 재료로 구성된다. 유전 재료는 특별히 한정되는 것이 아니며, 공지인 고체의 유전 재료로 구성된다. 이 유전 재료는 예를 들면, 알루미나나 유리, 마이카 등의 무기 절연물, 폴리이미드, 유리 에폭시, 고무 등의 유기 절연물을 적절히 선택하여 사용할 수 있다.

방전용 전원(23)에 의해 전극(21, 22) 사이에 전압을 인가하여, 유체(F)의 방전(여기에서는, 유전체 배리어 방전)을 발생시킨다. 즉, 유체(F)의 분자가 이온과 전자로 분리되어 플라스마로 된다. 이 이온이 전극(21, 22) 사이의 전계에서 가속되고, 그 힘이 유체에 전달됨으로써, 표면을 따른 플라스마 유도 흐름이 발생한다.

전극(21, 22) 사이에 교류 고전압을 인가하면, 이 교류의 주기에 대응하는 속도 변동이 유체에 유도되어, 유체(F)의 경계층(L)에 요란이 인가된다.

시간 평균으로는, 노출된(혹은 매립 깊이가 얕은) 전극(21)으로부터 피복된(혹은 매립 깊이가 깊은) 전극(22)을 향한 플라스마 유도 흐름이 발생한다.

전극(21, 22)을 각각 상류측, 하류측에 배치하면, 유체(F)가 흐르는 방향과 방전에 의하여 유도되는 흐름의 방향이 일치한다. 한편, 전극(21, 22)을 각각 하류측, 상류측에 배치하면, 유체가 흐르는 방향과 방전에 의하여 유도되는 흐름의 방향이 반대로 된다.

이 중 어느 것도 박리 전단층(경계층(L1))에 요란을 인가할 수 있다.

유체(F)가 흐르는 방향과 수직인 방향의 플라스마 유도 흐름에 의해 유체(F)의 경계층(L)에 요란을 인가함으로써 소용돌이(VR)를 발생시킬 수 있다. 이 경우, 전극(21, 22) 사이를 잇는 선분이 유체(F)가 흐르는 방향과 수직으로 된다.

유체(F)가 흐르는 방향에 대하여 플라스마 유도 흐름의 방향을 어느 쪽으로 해도(예를 들면, 45° 방향) 소용돌이(VR)의 발생이 가능하다.

(2) 진동에 따른 요란의 인가

도 4b는 진동을 이용한 요란 인가부(12b)의 일예를 나타낸다. 요란 인가부(12b)는 진동자(31), 진동용 전원(32)을 갖는다.

진동자(31)는 날개 부재(11) 위 또는 그 내부에 배치된다. 여기에서는, 진동자(31)의 표면(상면)이 날개 부재(11)의 표면과 동일면으로 되어 있다. 단, 진동자(31)는 그 표면을 노출시키지 않도록, 날개 부재(11) 내에 매설되어도 된다.

진동용 전원(32)은 진동자(31)에 교류 전압(예를 들면, 정현파 전압)을 인가한다. 진동자(31)에 교류 전압이 인가됨으로써 진동자(31)가 진동한다. 이 진동에 의해 박리 전단층(경계층(L1))에 요란이 인가된다.

(3) 음파에 따른 요란의 인가

도 4c는 음파를 이용한 요란 인가부(12c)의 일예를 나타낸다. 요란 인가부(12c)는 음파 발생기(41), 음파 발생용 전원(42)을 갖는다.

음파 발생기(41)는 예를 들면 스피커이며, 날개 부재(11) 내부의 공동(43) 내에 배치된다.

음파 발생용 전원(42)은 음파 발생기(41)에 교류 전압(예를 들면, 정현파 전압)을 인가한다. 음파 발생기(41)에 교류 전압이 인가됨으로써 음파 발생기(41)로부터 음파가 발생하여 공동(43)의 개구(44)로부터 방출된다. 이 음파에 의해 박리 전단층(경계층(L1))에 요란이 인가된다.

(요란에 의한 부착 거리(D)의 확대)

다음으로, 경계층(박리 전단층)에의 요란의 인가에 의한 부착 거리(D)의 변화에 대하여 설명한다.

날개 부재(11)의 받음각(θ)이 크면, 유체(F)의 흐름이 돌기(113)를 통과할 때에 가로 소용돌이(날개 길이 방향으로 축을 갖는 소용돌이)가 발생하며, 이 가로 소용돌이가 흐름 방향으로 단속적으로 방출된다. 이 상태의 흐름장(場)은 돌기(113)의 하류측에 있어서, 부착된 상태와 박리된 상태를 교호(交互)로 반복하는 비정상적인 상태로 되어 있다.

이 가로 소용돌이가 하류로 흐를수록 합체, 성장하여 경계층(L)이 두꺼워지고, 박리점(P)에서 대규모 박리 거품으로서 방출되어 경계층(L)이 박리된다(박리 전단층의 형성). 박리점(P)의 위치는 날개 부재(11)의 형상이나 주류의 속도 등에 의하여 정해진다.

이때, 요란 인가부(12)에 의해 요란을 인가함으로써 박리 전단층(경계층(L)) 내가 난류로 천이하여, 고속 부분과 저속 부분의 운동량의 교환이 진행되어 경계층의 저속 부분이 가속된다. 박리 전단층(경계층(L)) 내에서의 속도 분포가 개선됨으로써, 대규모적인 박리가 억제되어 기류의 흐름이 날개 표면을 따라 부착되도록 흐른다. 박리점(P)에서 박리되어 있던 경계층(L)이 박리점(P)에서부터 거리(ΔD)의 박리점(P')까지 부착되게 된다(도 3에 있어서의 경계층(L1)으로부터 경계층(L2)에의 천이). 즉, 부착 거리가 D로부터 D'(=D+ΔD)까지 커져 있다.

여기에서, 교류 전압에 의한 방전에 의해 플라스마 유도 흐름을 발생시킴으로써 요란을 인가하는 경우를 고찰한다. 이때, 플라스마 유도 흐름이 교류 전압의 주파수에 맞춰서 주기적으로 변동함으로써 소용돌이가 발생한다. 이 소용돌이와 박리 전단층으로부터 방출되는 소용돌이가 융합하여 가로 소용돌이가 잇따라 형성되고, 이들 가로 소용돌이 사이에서의 간섭에 의해 미세한 세로 소용돌이가 유도된다. 이와 같이 형성된 미세한 세로 소용돌이가 경계층(L)(박리 전단층) 내를 난류화하고, 그 중에서의 운동량의 혼합을 촉진함으로써, 박리가 억제되어 부착 거리(D)가 증대할 것으로 생각할 수 있다.

또한, 기술한 바와 같이, 돌기(113) 위에 조면(Sr)이 형성되어 있다. 조면은 그것이 없을 때의 부착 거리(D)보다 상류측으로부터 개시되며, 거리(X)에 걸쳐서 형성되어 있다. 이 조면(Sr)은 요란 인가부(12)에 의한 요란의 효과를 보다 높여, 경계층(L)(박리 전단층)의 난류화를 촉진하여 경계층(L)의 부착 거리의 확대가 용이하게 한다. 단, 돌기(113) 위에 조면(Sr)이 형성되어 있지 않아도, 요란 인가부(12)에 의한 요란에 따른 경계층(L)의 부착 거리의 확대가 가능하다. 기술한 바와 같이, 이 경우(조면(Sr)이 없을 경우)의 부착 거리(D0)는 조면(Sr)이 있을 경우의 부착 거리(D)보다 일반적으로 작다.

제어부(14)는 요란 인가부(12)에 의한 요란의 상태(강도나 방향)를 시간적으로 제어한다. 요란의 강도나 방향을 변화시킴으로써 부착 거리(D)를 조정할 수 있다. 제어부(14)는 예를 들면, 방전용 전원(23)에 인가하는 전압 파형을 제어함으로써 요란의 강도를 변화시킬 수 있다.

도 5는 요란의 강도를 주기적으로 변화시키기 위하여 전극(21, 22) 사이에 인가되는 전압 파형(요란 인가부(12)의 구동 파형)(V)의 일예를 나타낸다.

이 전압 파형(V)은 펄스 변조 파형이며, 시간(T1)의 OFF 상태, 시간(T2)의 ON 상태가 주파수(f)의 주기(간격(T)(=T1+T2=1/f))로 반복된다. OFF 상태에서는 전극(21, 22) 사이에 전압이 인가되지 않는다(전압 V1=0[V]). ON 상태에서는 전극(21, 22) 사이에 피크 전압(Vp2), 주파수(f2)의 고전압 교류 전압이 인가된다.

여기에서는, 요란 인가부(12)의 구동 상태를 OFF 상태, ON 상태의 2상태(상태 1, 2)로 하고 있다. 그러나, 상태 1, 2로서는 부착 거리(D)의 대소가 다르면 충분하다. 대소의 차이를 발생시키기 위해서는, 상태 1, 2 각각에 예를 들면, 서로 피크 전압이 다른 교류 전압 파형을 이용해도 된다. 또한, 상태 1, 2 각각에 서로 주파수가 다른 교류 전압 파형을 이용해도 된다.

이와 같이, 상태 1, 2에 있어서 부착 거리(D)의 대소가 다르도록 요란 인가부(12)에 따른 요란의 상태(강도나 방향)가 적절히 설정된다.

다음과 같이, 요란 인가부(12)가 구동됨으로써 소용돌이(VR)가 발생한다.

우선, 도 5의 시각 t1에 있어서 요란 인가부(12)는 상태 1로 유지되며, 그 후에 부착 거리(D)가 작은 상태로 된다. 시각 t2에 있어서 요란 인가부(12)는 상태 2로 전환되며, 그 후에 경계층이 난류화하여 부착 상태로 되어 부착 거리(D)가 커진다. 다음으로 시각 t3에 있어서 요란 인가부(12)를 상태 1로 전환하면, 경계층이 급격히 층류화하여 박리 상태로 되어 부착 거리(D)가 다시 작아진다.

또한, 후술하는 실시예에 나타내는 바와 같이, 요란 인가부(12)의 상태 변화 시(시각 t1, t2, t3)에서부터 부착 거리(D)가 변화하기까지, 어느 정도(약 몇 msec)의 타임 래그가 있다.

우리는, 부착 거리(D)가 급격히 변화할 때에 동적 실속 소용돌이(DSV)에 대응하는 소용돌이(VR)가 방출되는 것을 발견했다. 즉, 부착 거리(D)가 대에서 소로, 또는 소에서 대로 변화할 때에 소용돌이(VR)가 방출된다. 또한, 이 대소의 차이가 클수록 강한 소용돌이(VR)가 방출된다. 이 소용돌이(VR)는 주류와 함께 하류로 흐른다.

이 소용돌이(VR)는 경계층(L)의 동적인 요동에 의해 발생하는 것이며, 동적 실속 소용돌이(DSV)에 대응한다. 소용돌이(VR)는 동적 실속 소용돌이(DSV)와 마찬가지로, 유체(F)가 흐르는 방향과 수직인 축과, 박리 전단층의 소용돌이도와 같은 부호의 소용돌이도를 갖는 2차원적인 소용돌이이다. 도 3에 있어서, 소용돌이(VR)는 지면에 수직인 축(날개 부재(11)의 날개 폭 방향의 축)을 가지며, 오른쪽 감김 소용돌이이다. 특히, 부착 거리가 대에서 소로 변화할 때에, 오른쪽 감김 소용돌이가 강해지는 경향이 있는 것이 발명자의 실험에 의해 발견되었다.

도 5와 같이, 상태 1, 2를 반복하여 부착 거리(D)를 단계적으로 변화시킴으로써, 부착 거리(D)의 전환에 대응하여 경계층 내에 연속적으로 소용돌이(VR)를 방출시킬 수 있다. 여기에서는, 상태 1, 2를 주기적으로 반복하여 연속적으로 소용돌이(VR)를 방출하는 예를 나타냈지만, 용도에 따라서는 주기적일 필요는 없다. 소용돌이를 발생시키기 위해서는, 주기적일 필요는 없으며, 부착 거리(D)를 변화시킴으로써 임의의 타이밍으로 소용돌이를 방출시킬 수 있다.

이와 같이, 부착 거리(D)를 단계적으로 변화시킴으로써, 날개의 받음각(θ)을 동적으로 변화시키거나 날개짓하거나 하지 않고, 경계층 내에 동적 실속 소용돌이(DSV)를 임의의 타이밍으로 방출하는 것이 가능해진다.

이 소용돌이(VR)를 날개 부재(11) 표면 위에 연속적으로 흘러 내려보냄으로써 다양한 처리가 가능해진다. 예를 들면, 날개 부재(11)를 위쪽으로 끌어올리거나 날개 부재(11)의 표면을 따라 유체를 흘리거나 할 수 있다. 또한, 기체의 혼합을 촉진함으로써 연소나 열교환의 효율을 높일 수 있다. 또한, 유체의 조직 구조를 파괴함으로써 소음이나 진동을 저감할 수 있다. 즉, 이동체, 연소 기관, 열교환기 등, 다양한 유체 기기의 효율이나, 안전성·쾌적성을 향상시킬 수 있다.

유속 계측부(13)는 예를 들면, 피토관(pitot tube)이며, 날개 부재(11)에 대한 유체(F)의 상대 속도(vr)를 계측한다.

제어부(14)는 계측된 상대 속도(vr)에 따라서 상태 1, 2의 전환 주파수(f)(도 5 참조)를 제어한다.

소용돌이(VR)의 효과는 날개 부재(11) 위에 존재하는 소용돌이(VR)의 개수에 따라서 좌우된다. 제어부(14)는, 계측된 상대 속도(vr)로부터 날개 부재(11) 위의 소용돌이(VR)의 이류(移流) 속도(vi)를 구하여, 날개 부재(11) 위에서의 소용돌이(VR)의 개수가 적절해지도록 주파수(f)를 제어한다.

예를 들면, 상대 속도(vr)와 이류 속도(vi)의 관계를 실험 등에 의해 도출하고, 이 관계를 나타내는 테이블을 제어부(14)에 기억시킨다. 이 결과, 제어부(14)가 상대 속도(vr)로부터 이류 속도(vi)를 구하는 것이 가능해진다.

또한, 상대 속도(vr)와 적절한 구동 주파수(f)의 관계를 나타내는 테이블을 제어부(14)에 기억시켜도 된다. 이 경우, 이 테이블을 이용하여 상대 속도(vr)로부터 주파수(f)를 직접 결정할 수 있다.

상대 속도(vr) 대신에, 날개 부재(11)의 배면에서의 유체(F)의 압력(동압(動壓))이나 그 외의 상태량으로부터 주파수(f)를 결정해도 된다. 또한, 소용돌이(VR)의 이류 속도(vi)를, 상대 속도(vr)로부터가 아닌 유체(F)의 압력(동압) 등으로부터 산출해도 된다. 이 경우, 유속 계측부(13) 대신에, 예를 들면, 압력을 계측하는 압력 계측부가 이용된다. 또한, 예를 들면, 압력과 적절한 구동 주파수(f)의 관계를 나타내는 테이블이 제어부(14)에 기억된다.

(제 2 실시형태)

도 6a, 도 6b는 제 2 실시형태에 따른 소용돌이 발생 장치(10a)를 나타낸다. 소용돌이 발생 장치(10a)는 날개 부재(11a), 요란 인가부(12), 유속 계측부(13), 제어부(14)를 갖는다.

날개 부재(11a)는 앞쪽 가장자리(111), 뒤쪽 가장자리(112), 돌기(113a, 113b)를 갖는다.

유체(F)의 흐름에 평행인 단면 내에 2개의 박리점(Pa, Pb)(돌기(113a, 113b)에 대응)이 존재한다. 또한, 박리점(Pa, Pb)을 포함하는 날개 부재(11a)의 형상이 흐름에 평행인 평면(Pf)에 대하여 대략 대칭이 된다.

도 6a, 도 6b에서는 제 1 실시형태에 따른 소용돌이 발생 장치(10)(도 3 참조)에서 나타낸 조면(Sr)은, 명료화를 위하여 도시를 생략하고 있다. 소용돌이 발생 장치(10a)에서도 소용돌이 발생 장치(10)와 마찬가지로, 날개 부재(11a) 위에 조면(Sr)을 형성하여 부착을 용이하게 해도 된다. 이 경우, 돌기(113a, 113b)의 한쪽 또는 양쪽에 조면(Sr)이 형성된다. 후술하는 다른 실시형태에서도 마찬가지로 소용돌이 발생 장치가 조면(Sr)을 가질 수 있다.

여기에서는, 요란 인가부(12)는 박리점(Pa)의 상류측의 날개 부재(11)의 표면에 설치되며, 박리점(Pb)측에는 요란 인가부(12)가 설치되지 않는다. 제 1 실시형태에서 나타낸 것과 마찬가지로, 요란 인가부(12)를 구동하여 부착 거리(D)를 단계적으로 전환함으로써(경계층(L1a, L2a) 사이에서 경계층을 변화시킴) 소용돌이(VRa)를 발생시킬 수 있다. 이때, 소용돌이(VRa)의 발생에 수반하여, 각운동량(角運動量) 보존의 법칙에 따라, 박리점(Pb)측의 경계층(L1b)으로부터 소용돌이(VRa)와 역방향의 소용돌이도를 가진 소용돌이(VRb)가 발생한다.

발생한 소용돌이(VRa, VRb)는 소정의 이류 속도(vi)로 하류 방향으로 흐른다. 박리점(Pa, Pb) 사이의 거리(LL)가 충분히 클 경우, 도 6a에 나타내는 바와 같이, 소용돌이(VRa, VRb)는 평행하게 나열되면서 흘러 내려간다. 박리점(Pa, Pb) 사이의 거리(LL)가 작을 경우, 도 6b에 나타내는 바와 같이, 소용돌이(VRa, VRb)는 교호의 소용돌이 열(列)을 만든다.

또한, 요란 인가부(12)에서의 전환 주파수(f)를 제어함으로써, 이 소용돌이 열이 안정하게 배열되도록 하여, 소용돌이(VRa, VRb)에 의한 작용을 강하게 하거나 VRa, VRb를 성장시키거나 할 수 있다. 소용돌이 열이 안정되면 소용돌이가 크게 성장할 수 있어 감압이 보다 커져 그 작용이 강해진다.

여기에서, 요란 인가부(12)가 없는 경우를 고찰한다. 이 경우에도, 2개의 박리점(Pa, Pb)의 하류에 소용돌이 구조가 형성된다. 그리고, 박리점(Pa, Pb) 사이의 거리(LL)가 작아지면, 박리점(Pa, Pb)의 하류에서 간섭이 발생하여, 박리점(Pa, Pb)으로부터의 소용돌이가 교호로 소용돌이 열을 만들게 된다. 그러나, 이들 소용돌이의 배치나 강도는 유체의 물성과 유속 및 날개 부재(11)의 형상으로 결정되며 인위적으로 제어할 수 있는 것이 아니다.

(변형예)

도 7a, 도 7b는, 제 2 실시형태의 변형예에 따른 소용돌이 발생 장치(10b)를 나타낸다. 소용돌이 발생 장치(10b)는 날개 부재(11a), 요란 인가부(12a, 12b), 유속 계측부(13), 제어부(14)를 갖는다.

여기에서는, 박리점(Pa, Pb) 각각의 상류측의 날개 부재(11) 표면에 요란 인가부(12a, 12b)가 배치된다. 요란 인가부(12a, 12b) 각각을 구동하여, 부착 거리(Da, Db) 각각을 단계적으로 전환함으로써, 박리점(Pa, Pb) 각각으로부터 소용돌이(VRa, VRb)를 방출시킬 수 있다.

요란 인가부(12a, 12b) 각각의 구동 전압 파형(Va, Vb)의 예를 도 8에 나타낸다. 구동 전압 파형(Va)은 도 5에 나타내는 구동 전압 파형(V)과 마찬가지이다. 구동 전압 파형(Vb)은 구동 전압 파형(Va)과 시간차(ΔT)를 갖는 전압 파형이다.

도 8에 나타내는 바와 같이, 요란 인가부(12a, 12b)는 동일한 주파수(f)로 부착 거리(Da, Db) 각각을 전환하는 것이 바람직하다. 즉, 요란 인가부(12a, 12b)를 동기하여 제어함으로써, 소용돌이(VRa, VRb)를 동기하여 발생시킬 수 있다.

여기에서, 요란 인가부(12a, 12b)에서의 전환 타이밍을 동시로 하여(시간차(ΔT)=0의 경우), 도 7a에 나타내는 바와 같이, 병행하게 나열된 소용돌이(VRa, VRb)를 발생시킬 수 있다. 또한, 주파수(f)에 있어서, 시간차(ΔT)가 「0.1/f」 이내이면, 대략 동시 전환으로 생각해도 된다.

또한, 요란 인가부(12a, 12b)에서의 전환 타이밍을 엇갈리게 함으로써(시간차(ΔT)≠0의 경우), 도 7b와 같이, 소용돌이(VRa, VRb)의 소용돌이 열을 형성할 수 있다. 소용돌이 열이 가장 안정해지도록 타이밍을 엇갈리게 함으로써 소용돌이(VRa, VRb)를 성장시켜 감압을 보다 강하게 할 수 있다.

(제 3 실시형태)

도 9는, 제 3 실시형태에 따른 소용돌이 발생 장치(10c)를 나타내는 도면이다. 소용돌이 발생 장치(10c)는 날개 부재(11b), 요란 인가부(12), 유속 계측부(13), 제어부(14)를 갖는다.

날개 부재(11b)는 앞쪽 가장자리(111), 뒤쪽 가장자리(112), 돌기(113a, 113b)를 갖는다.

여기에서는, 유체(F)의 흐름에 평행인 단면 내에 2개의 박리점(Pa, Pb)(돌기(113a, 113b))이 존재한다. 단, 제 2 실시형태와 달리, 박리점(Pa, Pb)을 포함하는 날개 부재(11)의 형상이 흐름에 평행인 평면(Pf)에 대하여 대략 대칭이 아니다. 즉, 앞쪽 가장자리(111)에서부터 박리점(Pa, Pb)까지의 거리(또는 박리점(Pa, Pb)에서부터 뒤쪽 가장자리(112)까지의 거리)가 다르다. 여기에서는, 박리점(Pa, Pb)(돌기(113a, 113b))이 각각 상류측, 하류측에 배치되어 있다.

요란 인가부(12)는 박리점(Pa)의 상류측의 날개 부재(11)의 표면에 설치되며, 박리점(Pb)측에는 요란 인가부(12)가 설치되지 않는다. 제 2 실시형태에서 나타낸 것과 마찬가지로, 요란 인가부(12)를 구동하여 부착 거리(D)를 단계적으로 전환함으로써(경계층(L1a, L2a) 사이에서 경계층을 변화시킴), 소용돌이(VRa)를 발생시킬 수 있다. 이때, 각운동량 보존의 법칙에 의해, 소용돌이(VRa)의 발생에 수반하여, 박리점(Pb)측에 소용돌이(VRa)와 역방향의 소용돌이도를 가진 소용돌이(VRb)가 경계층(L1b)으로부터 발생한다.

발생한 소용돌이(VRa, VRb)는 소정의 이류 속도(vi)로 하류 방향으로 흐른다. 소용돌이(VRa, VRb)는 각각의 발생 위치에서부터 뒤쪽 가장자리(112)까지의 거리가 다르다. 이 때문에, 소용돌이(VRa, VRb)가 같은 이류 속도(vi)로 흘러 내려갔을 경우에, 후류(後流)에 규칙적인 소용돌이 열을 만드는 것이 용이해진다.

또한, 요란 인가부(12)에서의 전환 주파수(f)를 제어함으로써 이 소용돌이 열을 안정적으로 배열시킬 수 있다.

(변형예)

도 10은, 제 3 실시형태의 변형예에 따른 소용돌이 발생 장치(10d)를 나타낸다. 소용돌이 발생 장치(10d)는 날개 부재(11b), 요란 인가부(12a, 12b), 유속 계측부(13), 제어부(14)를 갖는다.

여기에서는, 박리점(Pa, Pb) 각각의 상류측의 날개 부재(11) 표면에 요란 인가부(12a, 12b)가 배치된다. 요란 인가부(12a, 12b) 각각을 구동 파형(Va, Vb)으로 구동하여 부착 거리(Da, Db) 각각을 단계적으로 전환함으로써, 박리점(Pa, Pb) 각각으로부터 소용돌이(VRa, VRb)를 방출시킬 수 있다.

여기에서, 2개의 요란 인가부(12a, 12b)에서의 전환 타이밍을 동시로 했을 경우(시간 차(ΔT)=0의 경우)에도, 소용돌이(VRa, VRb)의 발생 위치에서부터 뒤쪽 가장자리(112)까지의 거리가 다르기 때문에, 하류에 규칙적인 소용돌이 열을 만들 수 있다.

(제 4 실시형태)

도 11은 제 4 실시형태에 따른 소용돌이 발생 장치(10e)를 나타내는 도면이다. 소용돌이 발생 장치(10e)는 날개 부재(11c), 요란 인가부(12a, 12b), 유속 계측부(13), 제어부(14)를 갖는다.

날개 부재(11c)는 앞쪽 가장자리(111), 뒤쪽 가장자리(112), 돌기(113a, 113b)를 갖는다.

날개 부재(11c)는 곡선 형상의 돌기(113a, 113b)를 갖는 대략 장방형의 단면을 구비한다.

유체(F)의 흐름에 평행인 단면 내에 2개의 박리점(Pa, Pb)(돌기(113a, 113b)에 대응)이 존재한다. 박리점(Pa, Pb)을 포함하는 날개 부재(11)의 형상은 흐름에 평행인 평면에 대하여 대략 대칭이 아니다. 즉, 앞쪽 가장자리(111)에서부터 박리점(Pa, Pb)까지의 거리(또는 박리점(Pa, Pb)에서부터 뒤쪽 가장자리(112)까지의 거리)가 다르다. 여기에서는, 박리점(Pa, Pb)(돌기(113a, 113b))이 각각 상류측, 하류측에 배치된다.

박리점(Pa, Pb)에 요란 인가부(12a, 12b)를 설치하여 부착 거리(Da, Db) 각각을 단계적으로 전환하면, 경계층 내에 소용돌이(VRa, VRb)를 방출시킬 수 있다.

또한, 박리점(Pa, Pb)의 한쪽에만 요란 인가부(12)를 설치하여 부착 거리(Da, Db)의 한쪽을 단계적으로 전환함으로써, 경계층 내에 소용돌이(VRa, VRb)의 한쪽을 방출할 수 있다. 이때, 소용돌이(VRa, VRb)의 한쪽의 방출에 수반하여, 각운동량 보존의 법칙에 의해, 소용돌이(VRa, VRb)의 다른 쪽이 발생한다.

상류측의 박리점(Pa)으로부터 발생하는 소용돌이(VRa)는 날개 부재(11c)를 위쪽으로 끌어올리는 효과가 있다. 한편, 하류측의 박리점(Pb)으로부터 발생하는 소용돌이(VRb)는 받음각(θ)이 작을 경우에 날개 부재(11c) 주위의 순환(C)을 강하게 하는 효과가 있다. 이 때문에, 받음각(θ)이 작아 상류측의 박리점(Pa)이 존재하지 않는 경우에 있어서, 요란 인가부(12b)를 구동하여 소용돌이(VRb)를 발생시키는 의의가 있다.

이상의 실시형태에서는, 요란의 인가에 의해 흐름의 부착 거리(D)가 증대하는 것을 나타냈다. 여기에서, 발명자들의 지견에 따르면, 특히 높은 레이놀즈수(reynolds number) 영역에 있어서는 요란을 인가해도 흐름이 부분적인 부착에 이르지 못하는 경우가 있다. 그러나, 이 경우에도 요란 인가부(12)에 의해 발생하는 가로 소용돌이의 영향으로 경계층 부근의 운동량 교환을 촉진시켜, 시간 평균으로 보았을 때 경계층을 벽면으로 보다 끌어당길 수 있다. 이 경우, 지금까지 기재한 「부착 거리」는 반드시 부착되어 있는 거리를 나타내는 것은 아니며, 유체를 끌어당기는 거리, 즉 「끌어당김 거리」를 나타낸다. 요란 인가부(12)에 의해 끌어당김 거리의 대소를 시간적으로 전환하는 것에 의해, 지금까지 기재한 실시형태와 마찬가지로 임의의 타이밍으로 소용돌이를 발생시킬 수 있다.

요란 인가부(12)와 마찬가지의 장치를 이용하여 박리 상태를 부착 상태로 변화시켜 양력의 향상 등을 실현하는 것을 생각할 수 있다. 상기 실시형태에서는 박리 상태를 부착 상태로 변화시키는 것 자체를 목적으로 하고 있지 않으며, 박리 영역에 동적 실속 소용돌이를 제어된 상태로 방출하여 소용돌이에 의한 효과를 목적으로 한다. 예를 들면 레이놀즈수가 낮은 조건에 있어서, 항공기에 이용되는 익형(翼型)을 실속각 직후의 받음각으로 설정하여, 앞쪽 가장자리에서 요란 인가부(12)를 작동시키면, 박리 상태에 있던 흐름을 부착 상태로 변화시켜 높은 양력을 얻을 수 있다. 종래에는 이 부착 상태를 가능한 한 계속시키는 것이 목적으로 되어 있었다. 상기 실시형태에서는 그와 같은 경우에도 요란 인가부(12)를 단속적으로 구동함으로써, 박리 상태와 부착 상태를 전환하여 제어하고, 그때에 발생하는 동적 실속 소용돌이의 감압을 이용하여, 동적 실속 소용돌이의 방향으로 날개를 끌어올리는 것을 목적으로 한다.

(변형예 1)

도 12a는 변형예 1에 따른 소용돌이 발생 장치(10f)를 나타낸다. 소용돌이 발생 장치(10f)는 날개 부재(11f), 요란 인가부(12a, 12b)를 갖는다. 또한, 제어부(14)는 기재를 생략하고 있다.

도 12a에서는 날개 부재(11f)의 유체(F)의 흐름에 평행인 단면 형상이 나타난다. 날개 부재(11f)는 비교적 둥근 모양을 띤 형상의 앞쪽 가장자리(111), 비교적 뾰족한 형상의 뒤쪽 가장자리(112), 앞쪽 가장자리와 뒤쪽 가장자리를 잇는 곡선 형상의 돌기(113a, 113b)를 갖는다. 단면의 둘레 상에, 유체(F)가 유입되는 1개의 정체점(O)과, 2개의 박리점(Pa, Pb)을 가지며, 박리점(Pa, Pb)의 하류측에 박리 영역을 수반하고 있다.

정체점(O)은 앞쪽 가장자리(111) 부근에 배치된다. 단, 정체점(O)의 위치는 날개 부재(11f)의 흐름에 대한 받음각에 따라 변화하며, 반드시 앞쪽 가장자리(111)와 일치하는 것은 아니다. 박리점(Pa)은 날개 부재(11f)의 돌기(113a) 위의 흐름이 박리되는 개소이며, 돌기(113a) 위에 배치된다. 박리점(Pa)의 위치는 날개 부재(11f)의 흐름에 대한 받음각에 따라 변화한다. 박리점(Pb)은 날개 부재(11f)의 돌기(113b) 위의 흐름이 박리되는 개소이다. 박리점(Pb)의 위치는 날개 부재(11f)의 흐름에 대한 받음각에 따르지 않고, 뒤쪽 가장자리(112)와 일치한다.

요란 인가부(12a)는 박리점(Pa)의 상류측에 배치된다. 요란 인가부(12a)를 구동하면 흐름에 요란을 인가함으로써 경계층에 난류가 도입된다. 그 결과, 흐름의 경계층이 부분적으로 부착되어 박리점이 점(Pa)으로부터 하류측의 점(Pa')으로 변위한다. 이에 따라, 정체점(O)에서부터 박리점까지의 부착 거리(OPa)는 부착 거리(OPa')로 신장된다. 또한, 요란 인가부(12a)의 구동을 정지하면 박리점이 Pa'로부터 Pa로 변위한다. 이에 따라 정체점에서부터 박리점까지의 부착 거리(OPa')는 부착 거리(OPa)로 단축된다.

이러한 부착 거리(D)의 신장 또는 단축에 따라서 경계층이 요동하고, 이에 따라, 상기 유체의 박리 영역 내에 날개 부재(11f)의 날개 폭 방향으로 축을 갖는 소용돌이(동적 실속 소용돌이)(VR)가 발생한다.

소용돌이(VR)는 주변의 유체에 비하여 감압된 상태이기 때문에, 소용돌이(VR)와 날개 부재(11f) 사이에 서로 당기는 힘이 작용한다. 이 인력을 이용하면, 소용돌이(VR)가 날개 부재(11f)의 근방을 흘러 내려가는 시간대에 있어서, 날개 부재(11f)를 소용돌이(VR) 방향으로 끌어당기거나 흐름을 날개 부재(11f) 방향으로 끌어당길 수 있다.

요란 인가부(12a)를 단속적으로 반복해서 제어하면, 단속적으로 소용돌이(VR)를 계속 발생시킬 수 있다. 단속적으로 소용돌이(VR)를 계속 발생시킨 상태를 시간 평균으로 보면, 시간 평균적으로 소용돌이(VR)와 날개 부재(11f)에 서로 당기는 힘이 작용하게 된다. 그 결과, 시간 평균적으로 날개 부재(11f)를 소용돌이(VR)의 방향으로 끌어당기거나 흐름을 날개 부재(11f)의 방향으로 끌어당기거나 할 수 있다.

이러한 작용에 의해, 날개 부재(11f)에 작용하는 양력이나 항력을 시간적으로 변화시키거나 모멘트를 시간적으로 변화시키거나 할 수 있다. 또한, 흐름을 편향시키거나 후류의 박리 영역의 크기를 변화시키거나 할 수 있다.

또한, 상기와 같이 요란 상태를 단속적으로 변화시키는 경우에, 단속 제어의 시간 간격을 같게 하여 주기적으로 변화시키는 제어 방법과, 시간 간격을 시간적으로 변화시켜서 제어하는 제어 방법이 있다. 전자의 경우에는 주기적인 진동이나 소음을 발생시킬 수 있다. 후자의 경우에는 주기적인 진동이나 소음을 억제하면서 그 시간 평균적인 효과를 얻거나 원래부터 존재하는 주기적인 진동이나 소음의 스펙트럼을 넓히거나 할 수 있다. 구동과 정지가 아니어도 1, 2의 두 가지 상태를 전환함으로써 부착 거리를 변화시켜도 된다.

요란 인가부(12b)는 박리점(Pb)의 상류측에 배치된다. 요란 인가부(12b)를 구동하면, 흐름에 요란을 인가함으로써 경계층에 난류가 도입된다. 그 결과, 흐름의 경계층이 부분적으로 부착되어 박리점이 점(Pb)으로부터 하류측의 점(Pb')으로 변위한다. 이에 따라, 정체점(O)에서부터 박리점까지의 부착 거리(OPb)는 부착 거리(OPb')로 신장된다. 또한, 요란 인가부(12b)의 구동을 정지하면 박리점이 Pb'로부터 Pb로 변위한다. 이에 따라 정체점(O)에서부터 박리점까지의 부착 거리(OPb')는 부착 거리(OPb)로 단축된다.

이상과 같이, 뒤쪽 가장자리(112)측으로부터도 소용돌이(VR)를 방출시킬 수 있다. 이 소용돌이(VR)의 효용은 상기와 같다. 2개의 박리점으로부터 발생하는 소용돌이(VR)의 간격을, 소용돌이(VR)가 가장 안정적으로 존재할 수 있도록 조정함으로써, 소용돌이(VR)의 성장을 촉진하여 보다 큰 효과를 얻을 수 있는 것은 전술과 같다.

여기에서는, 소용돌이 발생 장치(10f)가 요란 인가부(12a, 12b)의 양쪽을 가질 경우에 대하여 설명했지만, 소용돌이 발생 장치(10f)가 요란 인가부(12a, 12b)의 한쪽만을 가져도 된다.

(변형예 2)

도 12b는 변형예 2에 따른 소용돌이 발생 장치(10g)를 나타낸다. 소용돌이 발생 장치(10g)는 날개 부재(11g), 요란 인가부(12a, 12b)를 갖는다. 또한, 제어부(14)는 기재를 생략하고 있다.

도 12b에서는 날개 부재(11g)의 유체(F)의 흐름에 평행인 단면 형상이 나타난다. 날개 부재(11g)는 비교적 둥근 모양을 띤 형상의 앞쪽 가장자리(111), 비교적 둥근 모양을 띤 형상의 뒤쪽 가장자리(112), 앞쪽 가장자리와 뒤쪽 가장자리를 잇는 곡선 형상의 돌기(113a, 113b)를 갖는다. 단면의 둘레 상에, 유체(F)가 유입되는 1개의 정체점(O)과, 2개의 박리점(Pa, Pb)을 가지며, 박리점(Pa, Pb)의 하류측에 박리 영역을 수반하고 있다.

정체점(O)은 앞쪽 가장자리(111) 부근에 배치된다. 단, 정체점(O)의 위치는 날개 부재(11f)의 흐름에 대한 받음각에 따라 변화하며, 반드시 앞쪽 가장자리(111)와 일치하는 것은 아니다. 박리점(Pa)은 날개 부재(11f)의 돌기(113a) 위의 흐름이 박리되는 개소이며 돌기(113a) 위에 배치된다. 박리점(Pa)의 위치는 날개 부재(11f)의 흐름에 대한 받음각에 따라 변화한다. 박리점(Pb)은 날개 부재(11f)의 돌기(113b) 위의 흐름이 박리되는 개소이며 돌기(113b) 위에 배치된다. 박리점(Pb)의 위치는 날개 부재(11f)의 흐름에 대한 받음각에 따라 변화한다.

소용돌이 발생 장치(10g)에서는, 박리점(Pb)의 위치가 날개 부재(11g)의 흐름에 대한 받음각에 따라 변화하는 것을 제외하고, 소용돌이 발생 장치(10f)와 마찬가지이다.

(변형예 3)

도 12c는 변형예 3에 따른 소용돌이 발생 장치(10h)를 나타낸다. 소용돌이 발생 장치(10h)는 날개 부재(11h), 요란 인가부(12a, 12b)를 갖는다. 또한, 제어부(14)는 기재를 생략하고 있다.

도 12c에서는, 날개 부재(11h)의 유체(F)의 흐름에 평행인 단면 형상이 나타난다. 날개 부재(11h)에서는 비교적 둥근 모양을 띤 형상의 앞쪽 가장자리(111), 비교적 각진 형상의 뒤쪽 가장자리(112)를 갖는다. 날개 부재(11h)의 돌기(113a)는 앞쪽 가장자리(111)와 뒤쪽 가장자리(112)를 잇는 대략 곡선 형상이지만 모서리부를 갖는다(단면의 둘레의 일부가 꺾인 선 형상). 날개 부재(11h)의 돌기(113b)는 앞쪽 가장자리(111)와 뒤쪽 가장자리(112)를 잇는 곡선 형상으로 되어 있다.

박리점(Pa)의 위치는 날개 부재(11f)의 흐름에 대한 받음각에 따르지 않고, 돌기(113a)의 모서리부에 고정된다. 박리점(Pb)의 위치는 날개 부재(11f)의 흐름에 대한 받음각에 따르지 않고, 뒤쪽 가장자리(112)에 고정된다.

소용돌이 발생 장치(10h)에서는, 박리점(Pa, Pb)의 위치가 날개 부재(11h)의 흐름에 대한 받음각에 따르지 않고 고정되어 있는 것을 제외하고, 소용돌이 발생 장치(10g)와 마찬가지이다. 박리점(Pa, Pb)이 고정되어 있기 때문에, 요란 인가부(12a, 12b)나 조면의 설치 위치를 박리점(Pa, Pb)으로부터의 거리로 결정하는 것이 가능해진다.

이상의 변형예에서는 정체점(O)의 위치가 받음각에 따라 변화하는 예를 나타냈다. 이에 반하여, 정체점(O)의 위치가 받음각에 따라 변화하지 않는 경우에도 이들 변형예와 마찬가지의 효과를 발휘할 수 있다. 예를 들면, 예각인 선두를 갖는 날개 부재에서는 정체점(O)의 위치가 받음각에 따라 변화하지 않는다.

(실시예)

실시예를 설명한다. 도 13a∼도 13f는 날개 부재(11) 및 방전을 이용한 요란 인가부(12)를 이용하여 소용돌이(VR)를 발생시켰을 때의 상태를 시계열적으로 나타내는 도면이다.

날개 부재(11)는 유속 10m의 공기(대기)의 흐름 중(공동 내)에 배치된다. 이때, 받음각(θ)=25°, 실속각(α)=18°이다.

여기에서는, 전극(21, 22) 사이에, 계속 시간(T2)(8msec)의 ON 상태, 계속 시간(T1)(72msec)의 OFF 상태를 간격(T)(=T1+T2=80msec=1/f=1/12.5㎐)으로 반복했다.

ON 상태 : 정현파(전압(Vp2)=4.5㎸, 주파수(f2)=15㎑)의 인가

OFF 상태 : 전압 인가 없음

입자 화상 유속 측정계(PIV : Particle Image Velocimetry)를 이용하여 날개 부재(11) 주위에서의 유체의 흐름을 계측했다.

도 13a∼도 13f는 각각 ON 상태의 개시 시에 대하여 시각=-5, 0, 5, 10, 12, 15ms에 대응한다.

(1) ON 상태의 개시 전, 및 개시한 순간(t=-5ms, 0ms)에는 받음각(θ)이 실속각(α)보다 크기 때문에, 날개 부재(11)로부터 경계층(L)이 박리되어 박리 전단층이 발생해 있다(도 13a, 13b 참조).

(2) ON 상태의 개시 후 5ms 경과 시(t=5ms)에는 날개 부재(11)에 경계층(L)이 부착되어 있다(도 13c 참조). 즉, 부착 거리(D)가 소에서 대로의 변화에 수반하여 소용돌이(VR1)가 발생해 있다.

(3) ON 상태의 개시 후 10ms 경과 시(t=10ms)에는 부착 거리(D)가 보다 커져 소용돌이(VR2)가 발생해 있다(도 13d 참조). 소용돌이(VR1)는 흘러간 것으로 생각된다.

(4) ON 상태의 개시 후 12ms 경과 시(t=12ms)에는 부착 거리(D)가 보다 커져 소용돌이(VR2)가 성장해 있다(도 13e 참조).

(5) ON 상태의 개시 후 15ms 경과 시(t=15ms)에는 소용돌이(VR2)가 하류로 흘러 눈에 띄지 않는다(도 13f 참조).

이상과 같이, 방전에 의해 부착 거리(D)를 변화시킴으로써 소용돌이(VR)를 발생시킬 수 있는 것을 알 수 있다.

특정의 실시예들을 기술하였지만, 이 실시예들은 단지 예시의 방식으로 제공된 것이며, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 실제로, 본 명세서에 기술된 신규한 실시예들은 다양한 다른 형태들로 구현될 수 있으며, 또한 본 발명의 사상을 일탈하지 않는 범위 내에서 본 명세서에 기술된 실시예들의 형태에 있어서의 각종 생략, 대체 및 변경이 이루어질 수도 있다. 첨부된 청구범위 및 그것의 동등물은 본 발명의 범위 및 사상 내에 포함되는 형태들 또는 수정들을 포괄하는 것으로 의도된다.

Claims (20)

1. 유체의 흐름에 접하는 부재로서, 이 흐름에 평행인 단면(斷面)의 둘레 상에, 이 유체가 유입하는 정체점과, 제 1, 제 2 박리 유역(流域)을 각각 수반하는, 제 1, 제 2 박리점을 갖는 부재와,
   상기 제 1 박리점의 상류에 요란(擾亂)을 인가하여, 상기 흐름의 경계층을 부분적으로 부착시키는 요란 인가부와,
   상기 요란 인가부에 의한 요란의 인가를 시간적으로 반복 제어하여, 상기 제 1 박리점의 위치를 반복 변화시켜, 상기 정체점에서부터 상기 제 1 박리점까지의 부착 거리를 반복 전환하고, 상기 경계층을 반복 요동시키는 것에 의해, 상기 박리 영역 내에, 상기 부재의 날개 폭 방향으로 축을 갖는 동적 실속 소용돌이를 반복 발생시키는 제어부를, 구비하고,
   상기 부재가 조면을 갖고, 상기 요란의 인가 중에, 상기 제 1 및 제 2 박리점은 상기 조면 상에 배치되는 소용돌이 발생 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 요란 인가부가,
   상기 유체에 접하는 제 1 전극과,
   상기 유체에 유전체를 통하여 접하는 제 2 전극과,
   상기 제 1, 제 2 전극 사이에 전압을 인가하여, 이들 전극 사이에 방전을 발생시키는 전원을, 갖는 소용돌이 발생 장치.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 제 1, 제 2 전극이 각각, 상기 유체 흐름의 상류측 및 하류측 또는 하류측 및 상류측에 배치되는 소용돌이 발생 장치.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 요란 인가부가,
   상기 유체에 진동을 인가하는 진동 발생기와,
   상기 진동 발생기에 진동을 발생시키는 전원을, 갖는 소용돌이 발생 장치.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 요란 인가부가,
   상기 유체에 음파를 인가하는 음파 발생기와,
   상기 음파 발생기에 음파를 발생시키는 전원을, 갖는 소용돌이 발생 장치.
6. 삭제
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 제어부가, 서로 다른 제 1, 제 2 부착 거리가 교호(交互)로 전환되도록, 상기 요란 인가부를 제어하는, 소용돌이 발생 장치.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 부재에 대한 유체의 상대 속도를 계측하는 계측부를 더 구비하고,
   상기 제어부가, 상기 계측된 상대 속도에 의거하여, 전환 주파수를 제어하는, 소용돌이 발생 장치.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 박리점에 대응하는 상기 소용돌이의 발생에 대응하여, 상기 제 2 박리점에 대응하는 제 2 소용돌이를 발생시키고, 상기 요란 인가부에 의한 요란의 인가의 주파수를 상기 소용돌이와 상기 제 2 소용돌이로 이루어지는 소용돌이 열이 안정하게 배열하도록 조정하는 소용돌이 발생 장치.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 2 박리점의 상류에 요란을 인가하여, 상기 흐름의 경계층을 부분적으로 부착시키는 제 2 요란 인가부를 더 구비하고,
    상기 제어부가, 상기 요란 인가부 및 상기 제 2 요란 인가부를 동기해서 제어하여, 상기 소용돌이 및 상기 제 2 소용돌이를 동기하여 발생시키는 소용돌이 발생 장치.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제어부가, 상기 소용돌이 및 상기 제 2 소용돌이를 동시에 발생시키는 소용돌이 발생 장치.
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제
15. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부가 상기 요란 인가부에 의한 요란의 인가를 시간적으로 제어하여, 복수의 소용돌이를 단속적으로 발생시킴으로써, 후류(後流) 영역을 작게 하는 소용돌이 발생 장치.
16. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부가 상기 요란 인가부에 의한 요란의 인가를 시간적으로 제어하여, 복수의 소용돌이를 단속적으로 발생시킴으로써, 유체 소음을 저감하는 소용돌이 발생 장치.
17. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부가 상기 요란 인가부에 의한 요란의 인가를 시간적으로 제어하여, 간격이 다른 복수의 소용돌이를 단속적으로 발생시키는 소용돌이 발생 장치.
18. 부재를 유체의 흐름 중에 배치하여, 이 흐름에 평행인 상기 부재의 단면(斷面)의 둘레 상에, 이 유체가 유입하는 정체점과, 제 1, 제 2 박리 유역(流域)을 각각 수반하는, 제 1, 제 2 박리점을 형성하는 공정과,
    상기 제 1 박리점의 상류에 요란(擾亂)을 반복 인가하고, 상기 흐름의 경계층을 부분적으로 부착시키는 것을 반복하여, 상기 제 1 박리점의 위치를 반복 변화시키며, 상기 정체점에서부터 상기 제 1 박리점까지의 부착 거리를 반복 전환하고, 상기 경계층을 반복 요동시키는 공정과,
    상기 경계층에의 요동의 반복에 대응하여, 유체 내에 상기 부재의 날개 폭 방향으로 축을 갖는 동적 실속 소용돌이가 반복 발생하는 공정을 구비하고,
    상기 부재가 조면을 갖고, 상기 요란의 인가 중에, 상기 제 1 및 제 2 박리점은 상기 조면 상에 배치되는 소용돌이 발생 방법.
19. 제 18 항에 있어서,
    상기 유체에 접하는 제 1 전극과, 상기 유체에 유전체를 통하여 접하는 제 2 전극 사이에 전압을 인가하여, 이들 전극 사이에 방전을 발생시킴으로써, 상기 요란이 인가되는, 소용돌이 발생 방법.
20. 제 18 항에 있어서,
    상기 유체에 진동 또는 음파를 인가함으로써, 상기 요란이 인가되는, 소용돌이 발생 방법.

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