KR20040094403A - 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.

Description

와륜 발생기{Vortex ring generator}

동체의 유선화(streamlining)에서 최대 효율을 달성하는 데 가장 큰 장애는 표면의 마찰이다. 이는 보통 여러 형태를 가지며 일반적으로는 경계층의 드래그나 표면 마찰, 점성, 표면 장력, 공동화 및 교란(turbulence)의 일종 혹은 결합이다.

종래 기술에서는 이러한 드래그를 감소시키고 움직이는 몸체나 동체의 에너지 효율을 최적화하기 위하여 가능한 최소의 돌출물(protuberances)을 가지고 가능한 부드러워지도록 표면을 변화시키거나 부드러운 표면을 거칠게 하거나 상어나 돌고래 혹은 골프공의 표면처럼 파형 표면을 형성하려고 시도하였다.

이러한 시도의 목적은 흐르는 유체의 영향을 최소화하기 위함이다.

드래그를 감소시키기 위한 또 다른 시도로서는 동체의 날개와 다른 부품에 소형의 와류 발생기를 장착하는 것이었다.

또 다른 시도로서는 유체를 관통하여 동체가 운동하는 방향으로 전방으로 연장하는 스파이크 형태의 돌출부를 형성하는 것이다.

이러한 시도들의 목적은 일반적으로 동체의 몸체 전반에 걸쳐 직선의 얇은 흐름을 유지하고, 가능한한 분리 혹은 교란을 억제하는 것이다. 선택적으로, 잔물결 형상의 혹은 거친 표면이나 와류 발생기를 사용하여 경계층을 없애도록 동체 표면에 근접하여 무수한 소용돌이(eddies)를 발생하는 것을 목적으로 하였다.

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

본 발명은 유체역학 분야에 관한 것으로, 특히 몸체에 대한 유체 흐름에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 본 발명은 유체에 대한 몸체의 상대적인 운동중에 동체나 몸체상의 드래그(drag)를 감소시키고자 하는 것이다.

본 명세서중에서 본 발명은 제한적인 것은 아닌 단지 예로서의 분사체, 미사일, 어뢰, 잠수함, 비행기와 같은 움직이는 몸체 혹은 동체에 관련되는 용도로서 설명된다. 그러나 본 발명은 움직이는 동체에 한정되는 것은 아니며, 빌딩, 다리의 파일, 수로중의 고정 장애물, 공로 혹은 기타 유체 흐름 분야와 같은 고정된 몸체 상의 드래그를 감소시키기 위해서 사용될 수 있다.

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 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, 본 발명에 따라 예컨대 몸체, 어뢰(torpedo)나 로켓 같은 몸체의 코부분 및/또는 둘레에 와륜 발생기(vortex ring generator)를 형성한다.

그 목적은 몸체의 코부분에 몸체를 지나 흐르는 유체를 운반하는 와륜을 형성함과 동시에 코부분의 바로 앞 부분에 저압 영역을 형성하는 것이다. 이 저압 영역이 사실 와륜의 중심이다.

발생된 와륜은 함유된 유체에 대해 상대적으로 운동하며, 미끄러지기 보다 바퀴 처럼 횡단적으로(cross-sectionally) 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 비행기의 날개 선단 가장자리에 배치된 바와 같은 소형의 직선 태브(tab) 혹은 곡선의 물질을 구비한다. 이것들은 날개 표면을 가로질러 흐르는 소용돌이의 난류장을 발생한다.

본 발명은 특히 발생된 와륜 내에서 몸체를 지나 흐르는 유체로 하여금 와륜을 발생하도록 몸체를 둘러싸는 와륜을 발생하게 구성된다. 바람직하게는 이러한 발생기는 황금 분할(Golden Section)이나 파이 외형(Phi geometry)에 따라 설계된다. 파이 외형은 자연에서 가장 적은 저항과 마찰이나 드래그를 가지는 통로를 나타내는 것으로 알려져 있으며, 자연적으로 발생하는 소용돌이의 형상이다.

따라서, 본 발명은 몸체를 지나 유체가 흐르도록 구성된 몸체와 결합되도록 구성되며, 와륜 발생기로부터 나온 유체가 몸체를 지나 운동하도록 와륜 형태의 유체 흐름을 발생하는 와륜 발생기에 대한 것이다.

본 발명의 양호한 실시예에 따르면 와륜 발생기는 황금 분할이나 파이 외형에 따라 설계된다.

본 발명의 또 다른 양호한 실시예에 따르면 와륜 발생기는 구심적으로 작동한다.

본 발명의 다른 태양에 따르면, 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 부합하는 구조를 가지고 유체 흐름에 영향을 미치도록 형성된 활성 표면(active surface)을 구비한다.

본 발명의 양호한 실시예에 따르면 와륜 발생기는 몸체와 결합되고, 활성 표면을 가지는 하나 이상의 날개를 구비하며, 이 날개들은 몸체를 따라 그리고 몸체둘레로 선회하는 통로를 가진다.

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.

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 활성 표면을 가지는 유체 통로를 구비한다.

상기 설명한 바와 같이, 자연의 자연력의 영향하에서 운동하는 모든 유체는 나선이나 소용돌이로 운동하는 경향이 있다. 이러한 나선이나 소용돌이는 황금 비 혹은 피노나치형 진행으로 알려진 수학적 진행(progression)에 부합한다.

여기 설명된 각각의 실시예들의 활성 표면들의 대다수의 비율의 표면들은 일반적으로 대부분의 경우 황금 분할 혹은 비율에 따라 설계되며 따라서 활성 표면들이 나선 구조이고 적어도 대부분의 경우 황금 분할 혹은 비율에 부합하는 점은 각각의 실시예들의 특징이다. 황금 분할의 특징이 도 1에 도시되고 있는 데, 여기에서 황금 분할이나 비율에 따른 나선 곡선이 겹쳐지지 않는 것이 도시되어 있다. 나선이 겹치지 않으므로 등각(equiangular) 반경(예컨대, E, F, G, H, I 및 J)에서 측정된 곡선 반경의 성장도는 일정하다. 이는 각각의 연속 사이의 각각의 반경의 삼각 표현으로 설명되는 데, 이는 대략 1:0.618의 비율에 부합하는 a:b= b:a+b의 공식에 부합하며 곡선 전체에 걸쳐 변함이 없다.

실시예들의 하나의 특징은 X와 Y축이 황금 분할의 기하학에 부합할 뿐만 아니라 날개들인 Z축 혹은 깊이가 3차원적으로 황금 분할에 부합한다.

각각의 실시예들의 목적은 와륜에서 발견된 소용돌이선들을 복제하는 것이다. 이를 위해, 활성 표면들은 등각의 황금 분할의 나선에서 일정한 방향으로 대수적으로 팽창하거나 수축한다. 이러한 활성 표면들중 일 표면에서 임의의 두 점들이 선택되면 서로간에 대략 1:0.618의 비를 나타낸다. 활성 표면들은 소정 길이를 가지거나 수회전할 수 있다. 이 활성 표면들은 소용돌이의 도수에 따른 내부의 유선형 흐름선들에 부합하도록 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 대해 유체 흐름에 영향을 미침으로써 와륜을 발생하도록 형성된다. 와륜 발생기가 장착된 날개들은 몸체의 코부분으로부터 전방으로 연장하며 달팽이관의 구조를 가진다. 각각의 날개들은 오목한 구조이며 요면체의 3차원 곡률을 가지는 내부 작용면(14)을 구비하므로 각 방향에서의 요면체의 3차원 곡률은 황금 분할에 부합하는 대수 곡선과 일치한다. 따라서, 날개들(11)은 결합되어 일반적으로 와륜 발생기의 오목한 내면을 형성한다.

더우기, 각각의 날개는 내부 작용면(14)으로부터 멀리 이격되고 3차원의 볼록체의 곡률을 가지는 이격 작용면(15)을 구비하며, 따라서 각각의 방향에서의 곡률은 황금 분할에 따른 대수 곡선과 부합하며 각각의 방향에서의 곡률은 내부 작용면(14)의 각 방향에서의 곡률과 동일한 형태이다. 따라서, 이격된 작용면(15)들은 결합하여 일반적으로 날개들의 볼록면을 형성한다.

제 1 실시예의 응용으로서, 와륜 발생기는 코부분에 고정되게 장착되지 않고 몸체축과 동축으로 회전하도록 형성된다. 더우기, 와륜 발생기는 기계적으로 회전하도록 구동되어 와륜을 발생함과 동시에 몸체에 추진력을 발생한다.

도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 제 2 실시예에서 와륜 발생기는 몸체(22)의 코부분(23)에 인접해서 시작하여 몸체의 말단부(24)에 인접하거나 그 말단부에서 종료하는 하나 이상의 세트의 홈들 혹은 길다란 홈들(21)을 몸체 표면에 구비한다. 홈들이나 길다란 홈들의 몸체를 따라 형성된 통로는 황금 분할에 부합하도록 설계된 방식으로 몸체 둘레를 선회한다.

도 8 내지 도 10에 도시된 바와 같은 제 3 실시예에서 와륜 발생기는 몸체의 표면으로부터 외측으로 연장하는 하나 이상의 세트의 날개들(31)을 구비하는 데,이 날개들은 몸체(32)의 코부분(33)에 인접하거나 그 부분에서 시작하여 몸체의 말단부(34)나 인접하여 종료한다. 몸체에 따라 형성된 날개들의 통로는 황금 분할에 부합하도록 설계된 방식으로 몸체 둘레로 선회한다.

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 소용돌이(16)의 중심 내에 수용된다. 몸체의 코부분은 제 1 내지 제 3 실시예에 따라 와륜의 외형에 정확히 일치한다. 몸체는 속이 빈 중심을 가지는 원추 형상으로 와륜으로 유입하는 유체가 중심을 지나 운동할 수 있게 한다.

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

유체와 몸체 사이의 상대적인 운동과 함께 작동하면서 유체는 활성 표면들 (11, 21, 31)과 결합하고 대수적인 소용돌이 방식으로 회전하기 시작한다. 유체가 활성 표면과 접함에 따라 회전 운동은 와륜 발생기의 베이스(와륜 발생기와 몸체의 코부분 사이의 계면)에서 저압 영역을 형성한다. 이로써 몸체의 경계층 드래그(drag)를 감소시킨다. 와륜 및/혹은 잠재적인 소용돌이가 발생한다. 도 10에 도시된 바와 같이, 와륜 형상의 소용돌이는 볼 베어링과 같이 몸체의 벽면을 따라 경계층을 회전한다. 많은 응용예에서 와륜은 연속적인 와륜의 흐름을 발생한다. 몸체 후방으로 남겨진 자국은 와륜의 형상이다.

도 12는 와륜(16)을 발생하는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 와륜 발생기(11)를 도시한다. 이를 위해서는 와륜 발생기(11)와 유체 사이에 상대적인 운동이 존재해야 한다.

이러한 운동은 와륜 발생기의 회전이나 고정된 와륜 발생기를 지나는 유체의 운동이나 몸체와 와륜 발생기의 유체를 지나는 추진에 의해 발생될 수 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. 몸체를 지나 유체가 흐르도록 구성된 몸체와 결합되도록 구성되며, 와륜 발생기로부터 나온 유체가 와륜내에서 몸체를 지나 운동하도록 와륜 형태의 유체 흐름을 발생하는 와륜 발생기.
2. 제 1항에 있어서, 황금 분할(Golden Section)이나 파이 외형(Phi geometry)에 따라 설계된 와륜 발생기.
3. 제 1항에 있어서, 구심적으로 작동하는 와륜 발생기.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 활성 표면을 가지는 하나 이상의 날개들을 구비하며 몸체와 결합된 와류 발생기.
5. 제 4항에 있어서, 몸체로부터 전방으로 연장하는 와류 발생기.
6. 제 4항 또는 제 5항에 있어서, 날개들은 달팽이관 형태인 와륜 발생기.
7. 제 4항 내지 6항에 있어서, 날개들의 활성 표면들은 황금 분할에 부합하는 와륜 발생기.
8. 제 1항 내지 제 5항에 있어서, 몸체의 표면과 결합된 하나 이상의 날개들을 구비하고, 날개들의 통로는 몸체를 따라 그 둘레로 선회하는 와륜 발생기.
9. 제 8항에 있어서, 날개들의 통로는 황금 비율에 부합하도록 설계되는 와륜 발생기.
10. 제 1항 내지 제 5항중 어느 한 항에 있어서, 몸체의 표면에 형성된 하나 이상의 홈들을 구비하며, 홈들의 통로는 몸체를 따라 그 둘레로 선회하는 와륜 발생기.
11. 제 10항에 있어서, 홈들의 통로는 황금 비율에 부합하도록 설계되는 와륜 발생기.
12. 몸체를 지나 흐르는 유체에 영향을 미치도록 몸체에 결합된 요소를 구비하며, 상기 요소는 하나 이상의 황금 분할의 대수 곡선에 부합하는 구조를 가지고 유체 흐름에 영향을 미치도록 형성된 활성 표면을 구비하는 와륜 발생기.
13. 제 12항에 있어서, 활성 표면의 곡률은 황금 분할에 부합하는 와륜 발생기.
14. 고정된 와륜 발생기를 통과하는 유체 운동에 의해 와륜이 발생하는 와륜 발생기.
15. 와륜은, 유체를 통과하는 몸체와 와륜 발생기의 운동에 의해 발생되는 와륜 발생기.
16. 와륜은 와륜 발생기의 운동에 의해 발생되는 와륜 발생기.
17. 와륜 발생기의 강력한 회전에 의해 와륜이 발생하여 추진되는 와륜 발생기.
18. 명세서중에서 실질적으로 설명되어진 바와 같은 와륜 발생기.
19. 명세서 중에서 첨부 도면과 관련하여 실질적으로 설명되어진 와륜 발생기.