WO2025013604A1 - 剥離抑制装置及び移動体 - Google Patents

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separation
flow
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Tohoku University
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Definitions

  • the present invention relates to a peeling prevention device and a moving body.
  • vortex generators are known (see, for example, Patent Document 1).
  • a vortex generator is fixed to a surface through which a fluid flows, and suppresses separation of the fluid by generating a turbulent flow.
  • the vortex generators of the prior art are large in size, which means that they themselves create resistance. Also, the vortex generators of the prior art are large in size, which means that they affect the shape of the object (e.g. a moving body) to which they are fixed. In other words, there is an issue that fixing the vortex generators impairs the aesthetic appearance of the object.
  • the present invention aims to provide a separation suppression device and moving body that can effectively promote turbulent transition of a fluid by generating a pair of vortices with an axis of rotation in the flow direction and rotating in opposite directions, which is one of the unstable solutions of the Navier-Stokes equations, which are the governing equations.
  • the object of this invention is to provide a separation suppression device and moving body that can effectively promote turbulent transition of a fluid by using a method that makes it difficult for the shape of the device itself to cause resistance.
  • one aspect of the present invention is a separation suppression device that is provided at a position where a fluid flows and suppresses separation of the flow by strengthening turbulence, and the shape of the cross section perpendicular to the flow of the fluid has a rising portion and a falling portion, and the shape of the area surrounded by the rising portion, the falling portion, an upper base portion connecting one end of the rising portion to one end of the falling portion, and a lower base portion connecting the other end of the rising portion to the other end of the falling portion is a substantially trapezoidal shape in which the length of the lower base is shorter than the upper base.
  • the rotation direction of the vortex generated in the rising portion and the rotation direction of the vortex generated in the falling portion are different from each other, and the lower bottom portion has a convex portion that separates the vortex generated in the rising portion from the vortex generated in the falling portion.
  • the shape of the convex portion in a cross section perpendicular to the flow of the fluid is an approximate trapezoid with the lower base side as the lower base and the upper base side as the upper base, the upper base being shorter than the lower base, and the height of the approximate trapezoid is less than the height of the approximate trapezoid whose sides are the rising portion and the falling portion.
  • the substantially trapezoidal shape having the rising portion and the falling portion as sides is provided continuously in a direction perpendicular to the flow of the fluid.
  • the flat portion has a substantially trapezoidal recess in a cross section perpendicular to the flow of the fluid, with the lower base side being the lower base and the upper base side being the upper base, and the upper base being longer than the lower base.
  • the lengths of the upper and lower base portions are set according to the environment in which the peeling suppression device is used.
  • the period y + of the continuous multiple trapezoidal shapes arranged in a cross section perpendicular to the flow of the fluid satisfies the following formula (1), where y is the position in the span direction, u ⁇ is the velocity of the fluid, and ⁇ is the dynamic viscosity coefficient.
  • Another aspect of the present invention is a moving body equipped with a separation suppression device according to any one of [1] to [8] above, the separation suppression device being attached to a location where the forward pressure gradient of the surface pressure due to the fluid decreases near the separation position of the fluid.
  • the present invention can effectively promote turbulent transition of a fluid by generating a pair of vortices with an axis of rotation in the flow direction and rotating in opposite directions, which is one of the unstable solutions of the Navier-Stokes equations, the governing equations. It is also possible to provide a separation suppression device and a moving body in which the shape of the separation suppression device itself is unlikely to cause resistance.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of the shape of a surface to which the peeling suppression device according to the present embodiment is applied; 1 is an example of a cross-sectional view taken along a fluid flow direction of a surface to which the peeling suppression device according to the present embodiment is applied.
  • 11 is a diagram showing a change in pressure coefficient in the direction of fluid flow in the vicinity of a surface to which the separation suppression device according to the embodiment is applied.
  • FIG. 11 is a diagram showing a change in the pressure gradient in the fluid flow direction in the vicinity of a surface to which the separation suppression device according to the embodiment is applied, in the fluid flow direction.
  • FIG. FIG. 2 is a plan view showing an example of a peeling suppression device according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a perspective view showing an example of a peeling suppression device according to the present embodiment.
  • 1 is a cross-sectional view in a span direction showing an example of a peeling suppression device according to an embodiment of the present invention.
  • 3 is a schematic diagram for explaining cross-sectional features in the span direction of the peeling suppression device according to the embodiment.
  • FIG. 5A to 5C are schematic diagrams for explaining the direction of a vortex generated by the separation suppression device according to the embodiment.
  • FIG. FIG. 11 is a diagram showing conditions of a numerical experiment according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a first diagram for explaining the effect of the peeling suppression device according to the present embodiment.
  • FIG. 11 is a second diagram for explaining the effect of the peeling suppression device according to the present embodiment.
  • 5A to 5C are diagrams for explaining an evaluation method based on turbulent kinetic energy of the separation suppression device according to the embodiment.
  • 5A to 5C are diagrams for explaining a shape used in evaluation of the separation suppression device according to the embodiment based on turbulent kinetic energy.
  • 10A and 10B are diagrams for explaining evaluation results of the separation suppression device according to the embodiment based on turbulent kinetic energy.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an example of a riblet according to the prior art.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view in the spanwise direction of an example of a riblet according to the prior art.
  • the separation suppression device according to this embodiment is installed on the surface of a surface through which a fluid flows.
  • the surface through which a fluid flows may be, for example, the surface of a moving body. More specifically, the separation suppression device according to this embodiment may be used as a replacement for a vortex generator according to conventional technology.
  • the moving body on which the peeling suppression device of this embodiment is installed may be, for example, an object that moves through the air, such as an aircraft or drone, an object that moves underwater, such as a ship or submarine, or an object that moves on land, such as a vehicle or an AGV (Automatic Guided Vehicle).
  • the moving body of this embodiment may also be disposed on the propeller portion, such as the blades of a turbine for generating electricity.
  • the separation suppression device is provided at a position where the fluid flows.
  • the separation suppression device By providing the separation suppression device at a position where the fluid flows, it strengthens turbulence, suppresses separation of the fluid flow, and reduces pressure resistance.
  • the term "fluid” broadly includes gases and liquids such as air, water, steam, and gas.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of the shape of a surface to which the peeling suppression device according to this embodiment is applied.
  • the peeling suppression device 10 is installed on the surface of the surface 20 as shown in the figure.
  • the peeling suppression device 10 may be molded integrally with the surface 20, may be molded by processing the surface 20, or may be attached to the surface 20 afterwards.
  • the positional relationship of each part may be described using a three-dimensional orthogonal coordinate system of the x-axis, y-axis, and z-axis.
  • the surface 20 may be, for example, the surface of a moving body.
  • the surface 20 has a hump shape.
  • the height of the illustrated hump shape is 30 mm (millimeters).
  • the fluid flows in the x-axis direction.
  • the separation suppression device 10 is attached to a location where the pressure of the fluid decreases near the separation suppression device 10.
  • the location where the forward pressure gradient of the surface pressure of the fluid decreases may be, for example, a location where a positive pressure gradient (reverse pressure gradient) exists in the wake.
  • the separation suppression device 10 is provided at a location where the forward pressure gradient of the fluid decreases, thereby promoting turbulent transition, and by injecting momentum near the surface, separation of the fluid flow is suppressed and pressure resistance is reduced.
  • the location where the separation suppression device 10 according to this embodiment is attached is not limited to the example shown in the figure, and may be attached to a location where no pressure gradient exists, for example, to promote turbulent mixing.
  • FIG. 2 is an example of a cross-sectional view along the direction of fluid flow of a surface to which the peeling suppression device according to this embodiment is applied.
  • this figure is a cross-sectional view in the x-z plane of FIG. 1.
  • surface 20 has a hump shape with a height of 30 mm.
  • the hump shape exists from a position of -60 mm to a position of +60 mm in the x-axis direction.
  • peeling suppression device 10 exists at a position of approximately -15 mm to 5 mm in the x-axis direction.
  • the position of approximately -15 mm to 5 mm in the x-axis direction is a location where the forward pressure gradient of the fluid decreases.
  • FIG 3 is a diagram showing the change in the fluid flow direction for the pressure coefficient in the vicinity of the surface to which the peeling suppression device according to the present embodiment is applied.
  • the horizontal axis of the diagram shows the position in the x-axis direction.
  • the vertical axis of the diagram shows the value of the pressure coefficient.
  • the diagram shows the change in the pressure coefficient Cp in the x-axis direction.
  • the pressure coefficient Cp can be expressed by the following equation (2), where p bar is the static pressure on the surface of the surface 20.
  • the pressure coefficient Cp is about 0.4 at a point away from the surface 20 in the negative x-axis direction, but once rises to about 0.6 to 0.7 as it approaches the surface 20.
  • the pressure coefficient Cp also drops sharply at the middle of the surface 20. It is preferable that the separation suppression device 10 is provided at a location where the pressure coefficient Cp drops sharply in this way in the x-axis direction.
  • FIG. 4 is a diagram showing the change in the pressure gradient in the fluid flow direction near a surface to which the peeling suppression device according to this embodiment is applied, in the direction of fluid flow.
  • the horizontal axis of the diagram shows the position in the x-axis direction.
  • the vertical axis of the diagram shows the amount of change in the pressure gradient in the x-axis direction.
  • This diagram shows the change in the pressure gradient in the x-axis direction in the direction of fluid flow. As shown, the pressure gradient is negative.
  • FIG. 5 is a plan view showing an example of a peeling suppression device according to this embodiment. This figure is a plan view of the x-y plane of FIG. 1.
  • FIG. 6 is a perspective view showing an example of a peeling suppression device according to this embodiment. This figure is a perspective view of the vicinity of the peeling suppression device 10 of FIG. 1.
  • the peeling suppression device 10 has concave or convex portions extending in the x direction, and the shape is repeated at intervals of about 30 mm in the y direction.
  • the shape of the concave and convex portions extending in the x direction is maximum on the A-A cross section shown in the figure, and becomes smaller as it moves away from the A-A cross section in the plus x direction or minus x direction.
  • the concave and convex portions of the peeling suppression device 10 gradually become larger along the flow, and become gradually smaller along the flow from the A-A cross section at a maximum.
  • the concave and convex portions disappear at a point a certain distance in the direction of fluid flow (positive x direction or negative x direction) from the A-A cross section where the shapes of the concave and convex portions are at their maximum (for example, the B-B cross section a certain distance away in the positive x direction from the A-A cross section).
  • FIG. 7 is a cross-sectional view in the span direction showing an example of a peeling suppression device according to this embodiment.
  • the span direction is the direction perpendicular to the direction in which the fluid flows (i.e., the x direction), i.e., the y direction.
  • the figure shows the y-z plane in FIG. 1. It can also be said that the figure shows a cross-sectional view of the A-A section shown in FIG. 6.
  • the shape of the peeling suppression device 10 shown in the figure is represented diagrammatically by a function. Therefore, when the peeling suppression device 10 is molded, changes to the shape required for molding may be made.
  • the peeling suppression device 10 has a shape that is repeated multiple times in the y direction, with the shape from point y1 to point y2 being one period.
  • the shape of the peeling suppression device 10 may be deformed to match the shape of the surface 20.
  • One end of the falling portion 31 is indicated by reference numeral 31a, and the other end by reference numeral 31b.
  • One end of the rising portion 32 is indicated by reference numeral 32a, and the other end by reference numeral 32b.
  • the shape of the area with vertices 31a, 32a, 31b, and 32b is approximately trapezoidal.
  • the line segment connecting 31a and 32a is the upper base of the trapezoid, and may be called the upper base.
  • the line segment connecting 31b and 32b is the lower base of the trapezoid, and may be called the lower base.
  • the range of an approximately trapezoid is sufficient as long as it has a falling portion 31 and a rising portion 32, and also includes a shape in which each side is connected by a smooth curve such as a sine wave. Furthermore, each side forming the approximately trapezoid does not need to be a straight line, and may be a curve. As shown in the figure, the length of the lower base of the trapezoid is shorter than that of the upper base.
  • the length of the upper and lower bases may be set according to the environment in which the peeling suppression device 10 is used.
  • the environment in which the peeling suppression device 10 is used may be an environment according to the moving speed of the moving body on which the peeling suppression device 10 is installed, the viscosity of the fluid, etc.
  • the area with vertices 31a, 32a, 31b, and 32b may be referred to as the recess 30.
  • the recess 30 is provided with a protrusion 40. It can also be said that the protrusion 40 exists between the falling portion 31 and the rising portion 32.
  • the shape of the protrusion 40 is a substantial trapezoid with the lower base side of the recess 30 as the lower base and the upper base side of the recess 30 as the upper base. The upper base of the trapezoid is shorter than the lower base.
  • this embodiment is not limited to this example, and the shape of the protrusion 40 does not have to be a trapezoid.
  • the sides 41 and 42 of the protrusion 40 may be parallel to each other.
  • the protrusion 40 does not have to exist in the recess 30.
  • the height h2 of the protrusions 40 is lower than the height h1 of the recesses 30.
  • the upper base of the protrusions 40 is located at a lower position than the upper base of the recesses 30.
  • the height h2 of the protrusions 40 is approximately half the height h1 of the recesses 30.
  • symbols 45 and 46 are parts of the lower bottom of the recess 30 that do not constitute the protrusion 40.
  • symbols 45 and 46 are lines parallel to the y-axis, but symbols 45 and 46 do not have to be lines parallel to the y-axis.
  • these parts may or may not exist.
  • the falling portion 31 and side 41 of the protrusion 40, and side 42 and the rising portion 32 may be directly connected to each other, or may be connected via symbols 45 or 46.
  • the separation suppression device 10 can achieve the effects of strengthening turbulence, suppressing separation of the fluid flow, and reducing pressure resistance.
  • the multiple recesses 30 that are continuous in the y direction are connected to each other via the flat portion 50.
  • the flat portion 50 is the portion indicated by the line connecting the point indicated by the reference symbol 32a and the point indicated by the reference symbol 31a. It can also be said that the flat portion 50 is approximately parallel to the upper bottom of the recess 30.
  • the flat portion 50 has a recess 51.
  • the recess 51 has a substantially trapezoidal shape with the lower bottom side of the recess 30 as the lower base and the upper bottom side of the recess 30 as the upper base, and the upper base is longer than the lower base.
  • the recess 51 is a shape that is generated by expressing the shape of the peeling suppression device 10 by a function as an example, and the peeling suppression device 10 does not need to have the recess 51 when actually forming the peeling suppression device 10.
  • the period y + of the shape of the peeling suppression device 10, in which the continuous shape is arranged in a cross section perpendicular to the fluid flow as shown in the figure, is preferably calculated based on the fluid velocity, dynamic viscosity coefficient, etc.
  • the period y + preferably satisfies the following formula (4) when the position in the span direction is y, the fluid velocity is u ⁇ , and the dynamic viscosity coefficient is v.
  • FIG. 9 is a schematic diagram for explaining the direction of the vortex generated by the peeling suppression device according to this embodiment.
  • the vortex generated by the peeling suppression device 10 will be explained with reference to this figure.
  • the rotation direction of the vortex is also shown in this figure.
  • a vortex as shown in the figure is generated at a location such as the B-B cross section shown in FIG. 6 after the fluid flows through the peeling suppression device 10.
  • the peeling suppression device 10 the descending portion 31 and the rising portion 32 of the recess have different inclinations (inclinations of different polarities), so that vortices in different directions are generated.
  • the rotation direction of the vortex generated in the rising portion 32 is different from the rotation direction of the vortex generated in the descending portion 31.
  • a convex portion 40 exists within the concave portion 30.
  • the peeling suppression device 10 is able to separate vortices.
  • the convex portion 40 has the function of separating the vortex generated in the rising portion 32 from the vortex generated in the falling portion 31. It can also be said that by providing the convex portion 40, the concave portion 30 is able to clearly distinguish each of the separated vortices.
  • FIG. 10 is a schematic diagram for explaining a first modified example of the peeling suppression device according to this embodiment.
  • This figure shows a modified example in which the flat portion 50 does not have a recess 51.
  • the recess 51 is not essential to the shape of the peeling suppression device 10.
  • FIG. 11 is a schematic diagram for explaining a second modified example of the peeling suppression device according to this embodiment.
  • This figure shows a modified example in which the shapes indicated by reference numerals 45 and 46 in FIG. 8 do not exist. As shown in the figure, even if the shapes indicated by reference numerals 45 and 46 do not exist, vortices with different rotation directions can be generated. Therefore, the shapes indicated by reference numerals 45 and 46 are not essential to the shape of the peeling suppression device 10.
  • the peeling suppression device 10 has a recess 30a instead of the recess 30.
  • the recess 30a has a protrusion 40a instead of the protrusion 40.
  • the protrusion 40a differs from the protrusion 40 in that it is triangular rather than approximately trapezoidal.
  • the function of the protrusion 40 is to separate vortices with different rotation directions generated by the recess 30 from each other, and it does not need to be approximately trapezoidal.
  • a numerical experiment in the case where the peeling suppression device 10 is applied to a cylindrical surface.
  • a cylinder having a diameter of 10 [mm] was used as the surface 20.
  • the dynamic viscosity coefficient of the fluid was set to 1.512 x 10-5 (room temperature 20 [°C]) [ m2 /s].
  • the sound speed was set to 343.6 (room temperature 20 [°C]) [m/s].
  • Figure 12 shows the flow velocity [m/s], Reynolds number, and Mach number when the fluid flow velocity is 100 [km/h], 120 [km/h], and 140 [km/h].
  • the numerical experiment was performed under the conditions of a Reynolds number of 25,000 and a Mach number of 0.1.
  • a periodic boundary condition was applied to the span length in the span direction.
  • FIG. 13 is the first diagram for explaining the effect of the separation suppression device according to this embodiment. This diagram visualizes the instantaneous flow field in the vicinity of a cylinder when the bottom surface of the cylinder is viewed from the side.
  • FIG. 13(A) is a comparative example in which the separation suppression device 10 is not used
  • FIG. 13(B) is an example in which the separation suppression device 10 is used on the surface of a cylinder. As is clear from the diagram, when the separation suppression device 10 is used, flow separation tends to be suppressed.
  • FIG. 14 is a second diagram for explaining the effect of the separation suppression device according to this embodiment. This diagram visualizes the instantaneous flow field in the vicinity of a cylinder when the cylinder is viewed obliquely.
  • FIG. 14(A) is a comparative example in which the separation suppression device 10 is not used, and
  • FIG. 14(B) is an example in which the separation suppression device 10 is used on the surface of a cylinder. As is clear from the diagram, when the separation suppression device 10 is used, turbulence tends to occur earlier.
  • Figure 15 is a diagram for explaining a method for evaluating the separation suppression device according to this embodiment using turbulent kinetic energy.
  • the separation suppression device 10 was installed in two locations on the side of a cylinder along the height direction (y direction) of the cylinder as shown in the figure.
  • the fluid flow direction was the x direction.
  • FIG. 16 is a diagram for explaining the shape used in the evaluation of the peeling suppression device according to this embodiment based on turbulent kinetic energy.
  • the shape of the peeling suppression device 10 according to this embodiment is shown in FIG. 16(A).
  • FIGS. 16(B) and 16(C) are diagrams showing shapes used as comparative examples.
  • the shape shown in FIG. 16(B) does not have rising and falling portions, as does the peeling suppression device 10. Therefore, when the shape shown in FIG. 16(B) is used, vortices with alternating phases are not generated as in the peeling suppression device 10 according to this embodiment, but vortices with the same direction are generated.
  • FIG. 16(C) is a comparative example in which the height of the peeling suppression device 10 is tripled and the width is doubled.
  • FIG. 17 is a diagram for explaining the evaluation results of the separation suppression device according to this embodiment based on turbulent kinetic energy.
  • FIG. 17(A) corresponds to FIG. 16(A)
  • FIG. 17(B) corresponds to FIG. 16(B)
  • FIG. 17(C) corresponds to FIG. 16(C).
  • FIG. 17(D) is a comparative example in which the separation suppression device 10 is not installed (i.e., the case where only a cylinder is present).
  • FIG. 17(A) vortices with alternating phases are generated, which promotes an increase in turbulence and maximizes the separation control effect.
  • the separation suppression device 10 is provided at a position where the fluid flows, and suppresses separation of the flow by strengthening the turbulence.
  • the position where the separation suppression device 10 is provided may be, for example, the surface of a moving body. More specifically, the position where the separation suppression device 10 is provided may be a position where the pressure of the fluid decreases, that is, the dashed line portion shown by reference numeral 21 in FIG. 4.
  • the shape of the separation suppression device 10 in a cross section perpendicular to the flow of the fluid has a rising portion 32 and a falling portion 31.
  • the shape of the recess 30, which is an area surrounded by the rising portion 32, the falling portion 31, the upper bottom portion, and the lower bottom portion, is a substantially trapezoid in which the length of the lower bottom portion is shorter than the upper bottom portion.
  • the separation suppression device 10 can generate vortices with different rotation directions as shown in FIG. 9. By generating such vortices with different rotation directions, the separation suppression device 10 can effectively promote the turbulent transition of the fluid.
  • it is possible to effectively promote the turbulent transition of a fluid by generating a pair of vortices whose rotation axis is in the flow direction and whose rotation directions are opposite to each other, which is one of the unstable solutions of the governing Navier-Stokes equations.
  • the peeling suppression device 10 is very small.
  • the peeling suppression device 10 may be, for example, millimeter-sized or micro-sized. Since the peeling suppression device 10 is very small compared to the vortex generators of the conventional technology, the shape of the peeling suppression device 10 itself is less likely to cause resistance. Also, since the peeling suppression device 10 is very small compared to the vortex generators of the conventional technology, it does not detract from the aesthetic appearance of the object (e.g., a moving body) on which the peeling suppression device 10 is installed, as does the vortex generators of the conventional technology.
  • riblets that are used for the purpose of reducing fluid resistance.
  • the riblets of the prior art and the peeling suppression device 10 of this embodiment share the common use of reducing resistance Cd (note that resistance Cd is determined by the sum of pressure resistance Cp and friction resistance Cf).
  • the riblets of the prior art and the peeling suppression device 10 of this embodiment differ from each other in terms of shape, installation location, mechanism, and effect.
  • FIG. 18 is a perspective view showing an example of a riblet according to the prior art.
  • FIG. 18(A) shows an example of a rib having a V-shape
  • FIG. 18(B) shows an example of a rib having a rectangular shape.
  • the riblet according to the prior art extends along the flow direction.
  • the cross section of the riblet according to the prior art in the y-z plane does not change along the direction in which the fluid flows (this is also true even if the position in the x direction changes).
  • the peeling suppression device 10 according to this embodiment, as shown in FIG.
  • the size of the recess 30 is maximum on the A-A cross section, and the size of the recess 30 decreases as it moves away from the A-A cross section in the plus x direction or the minus x direction.
  • the riblet according to the prior art and the peeling suppression device 10 according to this embodiment have different shapes.
  • FIG. 19 is a cross-sectional view in the span direction of an example of a riblet according to the conventional technology.
  • FIG. 19(A) shows an example of a case where the rib has a V-shape, and corresponds to FIG. 18(A).
  • FIG. 19(B) shows an example of a case where the rib has a rectangular shape, and corresponds to FIG. 18(B).
  • the riblet according to the conventional technology and the peeling suppression device 10 according to this embodiment also have different cross-sectional shapes in the span direction.
  • the peeling suppression device 10 has a convex portion 40 as shown in FIG. 8.
  • the riblet according to the conventional technology does not have the convex portion 40 that the peeling suppression device 10 has. In this way, the riblet according to the conventional technology and the peeling suppression device 10 according to this embodiment have different shapes.
  • the riblets of the conventional technology are installed in places where the flow is turbulent on the surface.
  • the separation suppression device 10 is installed in places where the flow separates in the wake, etc.
  • the places where the flow separates may be the dashed line portion shown as reference numeral 21 in Figure 4. Therefore, it can be said that the riblets of the conventional technology and the separation suppression device 10 of this embodiment differ from each other in terms of the installation locations.
  • the riblets of the prior art suppress flow disturbances.
  • the separation suppression device 10 of this embodiment amplifies flow disturbances. Therefore, it can be said that the riblets of the prior art and the separation suppression device 10 of this embodiment are different from each other in terms of mechanism.
  • the riblets of the conventional technology reduce turbulent friction resistance Cf by suppressing turbulence.
  • the separation suppression device 10 of this embodiment amplifies turbulence to attach the flow and reduce the pressure resistance Cp. Therefore, it can be said that the riblets of the conventional technology and the separation suppression device of this embodiment are different from each other in terms of effect.
  • the turbulent transition of a fluid is effectively promoted by generating a pair of vortices with an axis of rotation in the flow direction and rotating in opposite directions, which is one of the unstable solutions of the Navier-Stokes equations, which are the governing equations. This also reduces the resistance caused by the shape of the separation suppression device itself.

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Abstract

剥離抑制装置は、流体が流れる位置に備えられ、乱流を強めることにより流れの剥離を抑制する剥離抑制装置であって、前記流体の流れに直交する断面における形状は、立上り部と立下り部とを有し、前記立上り部と、前記立下り部と、前記立上り部の一端と前記立下り部の一端とをつなぐ上底部と、前記立上り部の他端と前記立下り部の他端とをつなぐ下底部と、により囲まれる領域の形状は、前記上底部より前記下底部の長さが短い略台形である。

Description

剥離抑制装置及び移動体
　本発明は、剥離抑制装置及び移動体に関する。
　従来、ボルテックスジェネレータが知られている（例えば、特許文献１を参照）。ボルテックスジェネレータは、流体が流れる面に固定され、乱流を発生させることにより、流体の剥離を抑制する。
　本願は、２０２３年７月１０日に日本に出願された特願２０２３－１１３０３５について優先権を主張し、その内容をここに援用する。
特開昭５１－３１４９８号公報
　しかしながら従来技術に係るボルテックスジェネレータは、形状が大きいため、それ自体が抵抗になってしまうといった問題があった。また、従来技術に係るボルテックスジェネレータは、形状が大きいため、固定される物体（例えば移動体）の形状に影響を与えてしまう。すなわち、ボルテックスジェネレータを固定したことにより物体の美的外観が損なわれてしまうといった課題があった。
　そこで本発明は、流体の乱流遷移を支配方程式であるナビエ・ストークス方程式の不安定解の一つである、流れ方向に回転軸を持ち回転方向が逆の渦対を生成することで、効果的に促進することが可能であり、かつその方法によりそれ自体の形状が抵抗となりづらい剥離抑制装置及び移動体の提供を目的とする。
　［１］上記の課題を解決するため、本発明の一態様は、流体が流れる位置に備えられ、乱流を強めることにより流れの剥離を抑制する剥離抑制装置であって、前記流体の流れに直交する断面における形状は、立上り部と立下り部とを有し、前記立上り部と、前記立下り部と、前記立上り部の一端と前記立下り部の一端とをつなぐ上底部と、前記立上り部の他端と前記立下り部の他端とをつなぐ下底部と、により囲まれる領域の形状は、前記上底部より前記下底部の長さが短い略台形である剥離抑制装置である。
　［２］また、本発明の一態様は、上記［１］に記載の剥離抑制装置において、前記立上り部において発生する渦の回転方向と、前記立下り部において発生する渦の回転方向とは互いに異なり、前記下底部は、前記立上り部において発生する渦と、前記立下り部において発生する渦とを互いに分離する凸部を有するものである。
　［３］また、本発明の一態様は、上記［２］に記載の剥離抑制装置において、前記流体の流れに直交する断面における前記凸部の形状は、前記下底部の側を下底とし、前記上底部の側を上底とし、下底より上底が短い略台形であり、当該略台形の高さは、前記立上り部及び前記立下り部を辺とする略台形の高さより低いものである。
　［４］また、本発明の一態様は、上記［１］から［３］のいずれかに記載の剥離抑制装置において、前記立上り部及び前記立下り部を辺とする略台形の形状は、前記流体の流れに直交する方向に連続して備えられるものである。
　［５］また、本発明の一態様は、上記［４］に記載の剥離抑制装置において、連続する複数の略台形の形状のうち、前記立上り部と、前記立下り部との間には、前記上底部と略平行な平坦部を有するものである。
　［６］また、本発明の一態様は、上記［５］に記載の剥離抑制装置において、前記平坦部は、前記流体の流れに直交する断面において、前記下底部の側を下底とし、前記上底部の側を上底とし、下底より上底が長い略台形の凹部を有するものである。
　［７］また、本発明の一態様は、上記［１］から［６］のいずれかに記載の剥離抑制装置において、前記上底部及び前記下底部の長さは、剥離抑制装置が使用される環境に応じて設定されるものである。
　［８］また、本発明の一態様は、上記［７］に記載の剥離抑制装置において、連続する複数の略台形の形状が、前記流体の流れに直交する断面において配置される周期ｙ＋は、スパン方向における位置をｙ、前記流体の速度をｕτ、動粘性係数をνとしたとき、次の（１）式を満たすものである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　［９］また、本発明の一態様は、上記［１］から［８］のいずれかに記載の剥離抑制装置を備える移動体であって、前記剥離抑制装置は、前記流体の剥離位置の近傍で前記流体による表面圧力の順圧力勾配が低下する箇所に取り付けられる。
　本発明によれば、流体の乱流遷移を支配方程式であるナビエ・ストークス方程式の不安定解の一つである、流れ方向に回転軸を持ち回転方向が逆の渦対を生成することで、効果的に促進することができ、かつ剥離抑制装置自体の形状が抵抗となりづらい剥離抑制装置及び移動体を提供することができる。
本実施形態に係る剥離抑制装置が適用される面の形状の一例を示す図である。 本実施形態に係る剥離抑制装置が適用される面について、流体が流れる方向に沿った断面図の一例である。 本実施形態に係る剥離抑制装置が適用される面の近傍における圧力係数について、流体の流れる方向における変化を示す図である。 本実施形態に係る剥離抑制装置が適用される面の近傍における流体の流れる方向の圧力勾配について、流体の流れる方向における変化を示す図である。 本実施形態に係る剥離抑制装置の一例を示す平面図である。 本実施形態に係る剥離抑制装置の一例を示す斜視図である。 本実施形態に係る剥離抑制装置の一例を示すスパン方向の断面図である。 本実施形態に係る剥離抑制装置についてスパン方向における断面の特徴を説明するための模式図である。 本実施形態に係る剥離抑制装置が発生させる渦の向きについて説明するための模式図である。 本実施形態に係る剥離抑制装置の第１の変形例について説明するための模式図である。 本実施形態に係る剥離抑制装置の第２の変形例について説明するための模式図である。 本実施形態に係る数値実験の条件について示す図である。 本実施形態に係る剥離抑制装置の効果について説明するための第１の図である。 本実施形態に係る剥離抑制装置の効果について説明するための第２の図である。 本実施形態に係る剥離抑制装置の乱流運動エネルギーによる評価方法について説明するための図である。 本実施形態に係る剥離抑制装置の乱流運動エネルギーによる評価に用いられる形状について説明するための図である。 本実施形態に係る剥離抑制装置の乱流運動エネルギーによる評価結果について説明するための図である。 従来技術に係るリブレットの一例を示す斜視図である。 従来技術に係るリブレットの一例についてのスパン方向の断面図である。
［実施形態］
　以下、本発明の態様に係る剥離抑制装置及び移動体について、好適な実施の形態を掲げ、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明の態様は、これらの実施の形態に限定されるものではなく、多様な変更または改良を加えたものも含まれる。つまり、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれ、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換または変更を行うことができる。また、以下の図面においては、各構成をわかりやすくするために、各構造における縮尺および数等を、実際の構造における縮尺および数等と異ならせる場合がある。
　まず、本実施形態の前提となる事項について説明する。本実施形態に係る剥離抑制装置は、流体が流れる面の表面に設置される。流体が流れる面とは、例えば移動体の表面であってもよい。本実施形態に係る剥離抑制装置は、より具体的には、従来技術に係るボルテックスジェネレータに代わるものとして用いられてもよい。
　本実施形態に係る剥離抑制装置が設置される移動体とは、例えば航空機やドローンのように空中を移動するものであってもよいし、船舶や潜水艇のように水中を移動するものであってもよいし、車両やＡＧＶ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　Ｇｕｉｄｅｄ　Ｖｅｈｉｃｌｅ）のように陸路を移動するものであってもよい。また、本実施形態に係る移動体とは、電力発電用タービンの羽根のように、プロペラ部分等に配置されてもよい。
　また、本実施形態に係る剥離抑制装置は、流体が流れる位置に備えられる。剥離抑制装置は、流体が流れる位置に備えられることにより、乱流を強め、流体の流れの剥離を抑制し、圧力抵抗を低減する。なお、本実施形態において流体とは、空気、水、蒸気、ガス等、気体及び液体を広く含む。
　図１は、本実施形態に係る剥離抑制装置が適用される面の形状の一例を示す図である。同図を参照しながら、本実施形態に係る剥離抑制装置１０が適用される面２０の形状の一例について説明する。剥離抑制装置１０は、図示するように面２０の表面に設置される。剥離抑制装置１０は、面２０と一体的に成形されるものであってもよいし、面２０を加工することにより成形されるものであってもよいし、面２０に対して事後的に取り付けられるものであってもよい。なお、以降の説明において、ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸の三次元直交座標系によって各部の位置関係等について説明する場合がある。
　面２０は、例えば移動体の表面であってもよい。図示する一例において、面２０は、ハンプ形状を有する。また、図示するハンプ形状の高さは、３０［ｍｍ（ミリメートル）］としている。図示する一例において流体は、ｘ軸方向に流れる。剥離抑制装置１０は、剥離抑制装置１０の近傍で流体の圧力が低下する箇所に取り付けられる。流体の表面圧力の順圧力勾配が低下する箇所とは、例えば後流に正の圧力勾配（逆圧力勾配）が存在しているような箇所であってもよい。剥離抑制装置１０は、流体の順圧力勾配が低下する箇所に備えられることにより、乱流遷移を促進し、面近傍への運動量投入により、流体の流れの剥離を抑制し、圧力抵抗を低減する。なお、本実施形態に係る剥離抑制装置１０が取り付けられる箇所は、図示するような一例に限定されず、例えば圧力勾配が存在していない箇所に取り付けられてもよく、乱流混合を促進する。
　図２は、本実施形態に係る剥離抑制装置が適用される面について、流体が流れる方向に沿った断面図の一例である。換言すれば、同図は、図１のｘ－ｚ平面における断面図である。図２に示すように、面２０は、高さを３０［ｍｍ］とするハンプ形状を有する。当該ハンプ形状は、ｘ軸方向に－６０［ｍｍ］の位置から、＋６０［ｍｍ］の位置にかけて存在する。また、剥離抑制装置１０は、ｘ軸方向に－１５［ｍｍ］から５［ｍｍ］程度の位置に存在する。ｘ軸方向に－１５［ｍｍ］から５［ｍｍ］程度の位置とは、具体的には、流体の順圧力勾配が低下する箇所である。
　図３は、本実施形態に係る剥離抑制装置が適用される面の近傍における圧力係数について、流体の流れる方向における変化を示す図である。同図の横軸は、ｘ軸方向の位置を示す。また、同図の縦軸は、圧力係数の値を示す。図示するように、面２０は、ｘ＝０．０の位置を中心として存在する。同図は、圧力係数Ｃｐについて、ｘ軸方向の変化を示すものである。圧力係数Ｃｐは、面２０の表面における静圧（ｓｔａｔｉｃ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ）をｐバーとすると、次の（２）式により表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　図示するように、圧力係数Ｃｐは、面２０からｘ軸マイナス方向に離れた点においては０．４程度であるが、面２０に近づくにつれて一旦０．６から０．７程度まで上昇する。また、圧力係数Ｃｐは、面２０の中腹において一気に低下する。剥離抑制装置１０は、このようにｘ軸方向において圧力係数Ｃｐが一気に低下する箇所に備えられることが好適である。なお、一気に低下した圧力係数Ｃｐは、流体がｘ軸プラス方向に流れるにつれて上昇する。
　図４は、本実施形態に係る剥離抑制装置が適用される面の近傍における流体の流れる方向の圧力勾配について、流体の流れる方向における変化を示す図である。同図の横軸は、ｘ軸方向の位置を示す。また、同図の縦軸は、圧力勾配のｘ軸方向の変化量を示す。図示するように、面２０は、ｘ＝０．０を頂点として存在する。同図には、面２０の形状のうち、上流部分のみが示されている。同図は、流体の流れる方向の圧力勾配について、ｘ軸方向の変化を示すものである。圧力勾配は、図示するように負となる。圧力勾配の大きさは、ｘ＝－０．６から－０．２５の範囲（図中、符号２１として示した破線部分）において、次の（３）式により表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　剥離抑制装置１０は、図中、符号２１として示した破線部分に設置されることが好適である。
　図５は、本実施形態に係る剥離抑制装置の一例を示す平面図である。同図は、図１のｘ－ｙ平面を平面視した平面図である。また、図６は、本実施形態に係る剥離抑制装置の一例を示す斜視図である。同図は、図１の剥離抑制装置１０近傍の斜視図である。剥離抑制装置１０は、図５及び図６に図示するように、凹部又は凸部がｘ方向に延在し、ｙ方向に３０［ｍｍ］程度の間隔で当該形状が繰り返される。ｘ方向に延在する凹部及び凸部の形状は、図示するＡ－Ａ断面において最大となり、Ａ－Ａ断面からプラスｘ方向又はマイナスｘ方向に離れるにしたがい、小さくなる。すなわち、剥離抑制装置１０が有する凹部及び凸部は、流れに沿って徐々に大きくなり、Ａ－Ａ断面を最大として、流れに沿って徐々に小さくなる。凹部及び凸部の形状が最大となるＡ－Ａ断面から、流体が流れる方向（プラスｘ方向又はマイナスｘ方向）に所定距離離れた地点（例えばＡ－Ａ断面からプラスｘ方向に所定距離離れたＢ－Ｂ断面）において、凹部及び凸部は消滅する。
　図７は、本実施形態に係る剥離抑制装置の一例を示すスパン方向の断面図である。スパン方向とは、流体が流れる方向（すなわちｘ方向）に直行する方向であり、すなわち、ｙ方向である。同図には、図１のｙ－ｚ平面を示している。また、同図は、図６に示したＡ－Ａ断面の断面図を示しているものということができる。なお、同図に示された剥離抑制装置１０の形状は、関数により模式的に表されたものである。したがって、剥離抑制装置１０が成形される場合には、成形に必要な形状の変更が加えられる場合がある。剥離抑制装置１０は、地点ｙ１から地点ｙ２までの形状を１周期として、ｙ方向に複数周期分繰り返した形状を有する。
　なお、剥離抑制装置１０が設置される面２０の形状がスパン方向（ｙ方向）に湾曲等、変形しているような場合、剥離抑制装置１０の形状は面２０の形状に沿って変形してもよい。
　図８は、本実施形態に係る剥離抑制装置についてスパン方向における断面の特徴を説明するための模式図である。同図を参照しながら、剥離抑制装置１０の形状の詳細について説明する。なお、同図は、図７と同様、図６に示したＡ－Ａ断面（すなわち流体の流れに直交する断面）の断面図を示したものである。
　図示するように、剥離抑制装置１０は、立下り部３１と立上り部３２とを有する。立下り部３１は、ｙ－ｚ平面において、負の傾きを有する。また、立上り部３２は、ｙ－ｚ平面において、正の傾きを有する。すなわち立下り部３１と立上り部３２とは、互いに異なる極性の傾きを有する。
　立下り部３１の一端を符号３１ａ、他端を符号３１ｂとして示す。また、立上り部３２の一端を符号３２ａ、他端を符号３２ｂとして示す。図示するように、符号３１ａ、符号３２ａ、符号３１ｂ、及び符号３２ｂとを頂点とする領域の形状は、略台形である。符号３１ａと符号３２ａとをつなぐ線分は、当該台形の上底であるため、上底部と呼ぶことがある。また、符号３１ｂと符号３２ｂとをつなぐ線分は、当該台形の下底であるため、下底部と呼ぶことがある。略台形の範囲としては、立下り部３１と立上り部３２とを有していればよく、正弦波のような滑らかな曲線により各辺が接続されるような形状をも広く含む。また、略台形を形成する各辺は直線である必要はなく、曲線である場合を含む。図示するように、当該台形は、上底部より下底部の長さが短い。なお、上底部及び下底部の長さは、剥離抑制装置１０が使用される環境に応じて設定されればよい。剥離抑制装置１０が使用される環境とは、剥離抑制装置１０が設置される移動体の移動速度や、流体の粘性等に応じた環境であってもよい。以降の説明において、符号３１ａ、符号３２ａ、符号３１ｂ、及び符号３２ｂとを頂点とする領域を凹部３０と記載する場合がある。
　凹部３０の中には、凸部４０が備えられる。凸部４０は、立下り部３１と立上り部３２との間に存在するということもできる。図示する一例において、凸部４０の形状は、凹部３０の下底部の側を下底とし、凹部３０の上底部の側を上底とする略台形である。また、当該台形の上底は、下底より短い。しかしながら本実施形態はこの一例に限定されず、凸部４０の形状は台形でなくてもよい。例えば、凸部４０の辺４１及び辺４２は、例えば互いに平行であってもよい。また、凹部３０の中には、凸部４０が存在していなくてもよい。
　また、凸部４０が抵抗となってしまわないよう、凸部４０の高さｈ２は、凹部３０の高さｈ１より低いことが好適である。すなわち、凸部４０の上底は、凹部３０の上底より低い位置に存在することが好適である。なお、図示する一例では、凸部４０の高さｈ２は、凹部３０の高さｈ１の約半分程度である。
　また、符号４５及び符号４６は、凹部３０の下底部のうち、凸部４０を構成しない部分である。図示する一例において符号４５及び符号４６をｙ軸に平行な線としているが、符号４５及び符号４６は、ｙ軸に平行な線でなくてもよい。また、当該部分は存在してもよいし、存在しなくてもよい。すなわち、立下り部３１と凸部４０の辺４１、及び辺４２と立上り部３２は、互いに直接的に接続されていてもよいし、符号４５又は符号４６を介して接続されていてもよい。
　なお、図示する一例では、剥離抑制装置１０の形状について詳細に説明するため、１周期分の形状のみを示している。しかしながら、図５及び図６に示したように、立下り部３１及び立上り部３２を辺とする略台形の形状（すなわち凹部３０の形状）は、流体の流れに直交する方向（すなわちｙ方向）に連続して備えられることが好適である。剥離抑制装置１０は、複数周期分の凹部３０の形状を有することにより、より乱流を強め、流体の流れの剥離を抑制し、圧力抵抗を低減するといった効果を得ることができる。
　ｙ方向に連続する複数の凹部３０は、平坦部５０を介して互いに接続される。平坦部５０とは、すなわち符号３２ａで表される点と、符号３１ａで表される点とを結んだ線で示される部分である。平坦部５０は、凹部３０の上底部と略平行であるということもできる。なお、図示する一例において、平坦部５０には、凹部５１が存在する。凹部５１は、凹部３０の下底部の側を下底とし、凹部３０の上底部の側を上底とし、下底より上底が長い略台形の形状を有する。なお、凹部５１は、剥離抑制装置１０の形状を一例として関数により表したことにより生じた形状であり、実際に剥離抑制装置１０を成形するうえで、剥離抑制装置１０は凹部５１を有していなくてもよい。
　なお、剥離抑制装置１０が有する形状であって、図示するように連続する形状が、流体の流れに直交する断面において配置される周期ｙ＋は、流体の速度や動粘性係数等に基づいて算出されることが好適である。周期ｙ＋は、具体的には、スパン方向における位置をｙ、流体の速度をｕτ、動粘性係数をνとしたとき、次の（４）式を満たすものであることが好適である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　図９は、本実施形態に係る剥離抑制装置が発生させる渦の向きについて説明するための模式図である。同図を参照しながら剥離抑制装置１０により発生する渦について説明する。同図には、渦の回転方向が示されている。図示するような渦は、流体が剥離抑制装置１０を流れた後、例えば図６に示したＢ－Ｂ断面のような箇所において発生する。剥離抑制装置１０は、凹部の立下り部３１及び立上り部３２が互いに異なる傾斜（互いに異なる極性の傾斜）を有することにより、互いに異なる方向の渦が発生する。すなわち、立上り部３２において発生する渦の回転方向と、立下り部３１において発生する渦の回転方向とは互いに異なるということもできる。
　また、図示するように凹部３０の中には、凸部４０が存在する。剥離抑制装置１０は、凸部４０を備えることにより、渦を分離することができるようになる。すなわち、凸部４０は、立上り部３２において発生する渦と、立下り部３１において発生する渦とを互いに分離する機能を有する。凹部３０は、凸部４０を有することにより、分離したそれぞれの渦を明確にすることができるということもできる。
　なお、凹部３０は、流れに垂直なｙ方向に連続して備えられるため、本実施形態によれば、異なる回転方向の渦が、ｙ方向に連続して発生することになる。
　図１０は、本実施形態に係る剥離抑制装置の第１の変形例について説明するための模式図である。同図は、平坦部５０に凹部５１が存在しない場合の変形例である。図示するように、凹部５１が存在しなくても、互いに回転方向が異なる渦を発生させることができる。したがって、剥離抑制装置１０の形状において凹部５１は必須ではない。
　図１１は、本実施形態に係る剥離抑制装置の第２の変形例について説明するための模式図である。同図は、図８における符号４５及び符号４６で示される形状が存在しない場合の変形例である。図示するように、符号４５及び符号４６で示される形状が存在しなくても、互いに回転方向が異なる渦を発生させることができる。したがって、剥離抑制装置１０の形状において、符号４５及び符号４６で示される形状は必須ではない。
　なお、図示するように、第２の変形例において、剥離抑制装置１０は、凹部３０に代えて凹部３０ａを有する。凹部３０ａは、凸部４０に代えて凸部４０ａを有する。凸部４０ａは略台形ではなく、三角形である点において凸部４０とは異なる。図示するように、凸部４０の機能としては凹部３０により発生する回転方向が異なる渦を互いに分離することができればよく、略台形であることを要しない。
　次に、図１２から図１４を参照しながら、本実施形態に係る剥離抑制装置１０を用いた場合における効果の評価結果の一例について説明する。発明者らは、剥離抑制装置１０の効果を評価するため、剥離抑制装置１０を円柱表面に適用した場合における数値実験を行った。数値実験には、面２０として、直径１０［ｍｍ］の円柱を用いた。また、流体の動粘性係数を、１．５１２×１０－５（室温２０［℃］）［ｍ２／ｓ］とした。また、音速を３４３．６（室温２０［℃］）［ｍ／ｓ］とした。
　流体の流速が１００［ｋｍ／ｈ］、１２０［ｋｍ／ｈ］、及び１４０［ｋｍ／ｈ］である場合の流速［ｍ／ｓ］、レイノルズ数、マッハ数を図１２に示す。数値実験の条件として、レイノルズ数を２５０００、マッハ数を０．１として実施した。スパン長は、スパン方向に周期境界条件を与えた。
　図１３は、本実施形態に係る剥離抑制装置の効果について説明するための第１の図である。同図は、円柱の底面を側面視した場合における円柱の近傍における瞬時流れ場を可視化したものである。図１３（Ａ）は、剥離抑制装置１０を用いない場合の比較例であり、図１３（Ｂ）は、円柱の表面に剥離抑制装置１０を用いた場合の実施例である。図から明らかなように、剥離抑制装置１０を用いた場合には、流れの剥離が抑制される傾向にあることがわかる。
　図１４は、本実施形態に係る剥離抑制装置の効果について説明するための第２の図である。同図は、円柱を斜視した場合における円柱の近傍における瞬時流れ場を可視化したものである。図１４（Ａ）は、剥離抑制装置１０を用いない場合の比較例であり、図１４（Ｂ）は、円柱の表面に剥離抑制装置１０を用いた場合の実施例である。図から明らかなように、剥離抑制装置１０を用いた場合には、乱流化が早まる傾向があることがわかる。
　次に、図１５から図１７を参照しながら、本実施形態に係る剥離抑制装置１０の乱流運動エネルギー（Ｔｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ　Ｋｉｎｅｔｉｃ　Ｅｎｅｒｇｙ；ＴＫＥ）による評価方法と評価結果について説明する。以下の説明においては、面２０として、円柱を用いた場合の一例について説明する。
　図１５本実施形態に係る剥離抑制装置の乱流運動エネルギーによる評価方法について説明するための図である。乱流運動エネルギーによる評価では、図示するように円柱の側面２箇所に、円柱の高さ方向（ｙ方向）に沿って剥離抑制装置１０を設置した。また、流体の流れる方向は、ｘ方向とした。
　図１６は、本実施形態に係る剥離抑制装置の乱流運動エネルギーによる評価に用いられる形状について説明するための図である。本実施形態に係る剥離抑制装置１０の形状を図１６（Ａ）に示す。図１６（Ｂ）及び図１６（Ｃ）は、比較例として用いた形状を示す図である。図１６（Ｂ）に示す形状は、剥離抑制装置１０のように、立ち上がり部及び立下り部を有しない。したがって、図１６（Ｂ）に示す形状を用いた場合、本実施形態に係る剥離抑制装置１０のように位相が交互に異なる渦が発生せず、向きが揃った渦が発生することとなる。なお、図１６（Ｃ）は、剥離抑制装置１０の高さを３倍、幅を２倍にした場合における比較例である。
　図１７は、本実施形態に係る剥離抑制装置の乱流運動エネルギーによる評価結果について説明するための図である。図１７（Ａ）は図１６（Ａ）に対応し、図１７（Ｂ）は図１６（Ｂ）に対応し、図１７（Ｃ）は図１６（Ｃ）に対応する。図１７（Ｄ）は、剥離抑制装置１０を設置しない場合（すなわち円柱のみの場合）の比較例である。図示するように、図１７（Ａ）では、位相が交互に異なる渦が発生した結果、乱流増加が促進され、剥離制御効果が最も高くなった。
［本実施形態のまとめ］
　以上説明した実施形態によれば、剥離抑制装置１０は、流体が流れる位置に備えられ、乱流を強めることにより流れの剥離を抑制する。剥離抑制装置１０が備えられる位置とは、例えば移動体の表面であってもよい。より具体的には、剥離抑制装置１０が備えられる位置とは、流体の圧力が低下する位置、すなわち図４に符号２１として示した破線部分であってもよい。また、剥離抑制装置１０の、流体の流れに直交する断面における形状は、立上り部３２と立下り部３１とを有する。立上り部３２と、立下り部３１と、上底部と、下底部と、により囲まれる領域である凹部３０の形状は、上底部より下底部の長さが短い略台形である。このような形状を有することにより、剥離抑制装置１０は、図９に示したような、回転方向が互いに異なる渦を発生させることができる。このような回転方向が互いに異なる渦を発生させることにより、剥離抑制装置１０は、流体の乱流遷移を効果的に促進することが可能となる。また、本実施形態によれば、支配方程式であるナビエ・ストークス方程式の不安定解の一つである、流れ方向に回転軸を持ち回転方向が逆の渦対を生成することで、流体の乱流遷移を効果的に促進することが可能である。
　また、図５等に示したように、剥離抑制装置１０は、非常に小さいものである。剥離抑制装置１０は、例えば、ミリサイズや、マイクロサイズであってもよい。剥離抑制装置１０は、従来技術に係るボルテックスジェネレータと比較して、非常に小さいものであるため、剥離抑制装置１０自体の形状が抵抗となりづらい。また、剥離抑制装置１０は従来技術に係るボルテックスジェネレータと比較して非常に小さいため、従来技術に係るボルテックスジェネレータのように、剥離抑制装置１０が設置される物体（例えば移動体）の美的外観を損なうことがない。
　ここで、従来技術の一例として、流体の抵抗を低減する目的で用いられるリブレットが存在する。従来技術に係るリブレットと、本実施形態に係る剥離抑制装置１０とは、抵抗Ｃｄを低減するという用途において共通する（なお、抵抗Ｃｄとは、圧力抵抗Ｃｐと、摩擦抵抗Ｃｆの和により決定されるものである）。しかしながら、従来技術に係るリブレットと、本実施形態に係る剥離抑制装置１０とは、形状、設置場所、機構、及び効果の面で互いに異なるものである。以下、従来技術に係るリブレットと、本実施形態に係る剥離抑制装置との相違点について説明する。まず、図１８及び図１９を参照しながら形状の相違点について説明する。
　図１８は、従来技術に係るリブレットの一例を示す斜視図である。図１８（Ａ）は、リブがＶ字形状を有する場合の一例を示し、図１８（Ｂ）は、リブが矩形形状を有する場合の一例を示すものである。図示するように、従来技術に係るリブレットは、流れ方向に沿って延在するものである。換言すれば、従来技術に係るリブレットは、ｙ－ｚ平面の断面が、流体が流れる方向に沿って変化しない（ｘ方向における位置が変化しても同様である）。一方、本実施形態に係る剥離抑制装置１０は、図６に示したように、Ａ－Ａ断面において凹部３０の大きさが最大となり、Ａ－Ａ断面からプラスｘ方向又はマイナスｘ方向に離れるに従い、凹部３０の大きさが小さくなるものである。このように、従来技術に係るリブレットと、本実施形態に係る剥離抑制装置１０とは、互いに異なる形状を有するものである。
　図１９は、従来技術に係るリブレットの一例についてのスパン方向の断面図である。図１９（Ａ）は、リブがＶ字形状を有する場合の一例を示し、図１８（Ａ）に対応するものである。また、図１９（Ｂ）は、リブが矩形形状を有する場合の一例を示し、図１８（Ｂ）に対応するものである。図示するように、従来技術に係るリブレットと、本実施形態に係る剥離抑制装置１０とは、スパン方向における断面の形状も互いに異なるものである。特に、剥離抑制装置１０は、図８に示したように、凸部４０を備えている。一方、図１９に示すように、従来技術に係るリブレットは、剥離抑制装置１０が有する凸部４０を備えていない。このように、従来技術に係るリブレットと、本実施形態に係る剥離抑制装置１０とは、互いに異なる形状を有するものである。
　次に、従来技術に係るリブレットと、本実施形態に係る剥離抑制装置１０との設置場所の相違点について説明する。従来技術に係るリブレットは、表面で流れが乱流になっている箇所に設置されるものである。一方、剥離抑制装置１０は、後流等で流れが剥離している箇所に設置されるものである。流れが剥離している箇所とは、すなわち図４に符号２１として示した破線部分であってもよい。したがって、従来技術に係るリブレットと、本実施形態に係る剥離抑制装置１０とは、設置される場所の面において互いに異なるものであるということができる。
　次に、従来技術に係るリブレットと、本実施形態に係る剥離抑制装置との機構の相違点について説明する。従来技術に係るリブレットは、流れの乱れを抑制するものである。一方、本実施形態に係る剥離抑制装置１０は、流れの乱れを増幅するものである。したがって、従来技術に係るリブレットと、本実施形態に係る剥離抑制装置１０とは、機構の面において互いに異なるものであるということができる。
　次に、従来技術に係るリブレットと、本実施形態に係る剥離抑制装置との効果の相違点について説明する。従来技術に係るリブレットは、乱れを抑制することにより乱流摩擦抵抗Ｃｆを下げるものである。一方、本実施形態に係る剥離抑制装置１０は、乱れを増幅することにより流れを付着し圧力抵抗Ｃｐを下げるものである。したがって、従来技術に係るリブレットと、本実施形態に係る剥離抑制装置とは、効果の面において互いに異なるものであるということができる。
　以上、本発明を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本発明はこうした実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変形及び置換を加えることができる。
　本発明によれば、流体の乱流遷移を支配方程式であるナビエ・ストークス方程式不安定解の一つである、流れ方向に回転軸を持ち回転方向が逆の渦対を生成することで、効果的に促進し、かつ剥離抑制装置自体の形状が抵抗となることを低減することができる。
１０…剥離抑制装置、２０…面、３０…凹部、３１…立下り部、３２…立上り部、４０…凸部、５０…平坦部

Claims (9)

  1. 　流体が流れる位置に備えられ、乱流を強めることにより流れの剥離を抑制する剥離抑制装置であって、
    　前記流体の流れに直交する断面における形状は、立上り部と立下り部とを有し、
    　前記立上り部と、前記立下り部と、前記立上り部の一端と前記立下り部の一端とをつなぐ上底部と、前記立上り部の他端と前記立下り部の他端とをつなぐ下底部と、により囲まれる領域の形状は、前記上底部より前記下底部の長さが短い略台形である
    　剥離抑制装置。
  2. 　前記立上り部において発生する渦の回転方向と、前記立下り部において発生する渦の回転方向とは互いに異なり、
    　前記下底部は、前記立上り部において発生する渦と、前記立下り部において発生する渦とを互いに分離する凸部を有する
    　請求項１に記載の剥離抑制装置。
  3. 　前記流体の流れに直交する断面における前記凸部の形状は、前記下底部の側を下底とし、前記上底部の側を上底とし、下底より上底が短い略台形であり、
    　当該略台形の高さは、前記立上り部及び前記立下り部を辺とする略台形の高さより低い
    　請求項２に記載の剥離抑制装置。
  4. 　前記立上り部及び前記立下り部を辺とする略台形の形状は、前記流体の流れに直交する方向に連続して備えられる
    　請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の剥離抑制装置。
  5. 　連続する複数の略台形の形状のうち、前記立上り部と、前記立下り部との間には、前記上底部と略平行な平坦部を有する
    　請求項４に記載の剥離抑制装置。
  6. 　前記平坦部は、前記流体の流れに直交する断面において、前記下底部の側を下底とし、前記上底部の側を上底とし、下底より上底が長い略台形の凹部を有する
    　請求項５に記載の剥離抑制装置。
  7. 　前記上底部及び前記下底部の長さは、剥離抑制装置が使用される環境に応じて設定される
    　請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の剥離抑制装置。
  8. 　連続する複数の略台形の形状が、前記流体の流れに直交する断面において配置される周期ｙ＋は、スパン方向における位置をｙ、前記流体の速度をｕτ、動粘性係数をνとしたとき、次の（１）式を満たす
    　請求項４に記載の剥離抑制装置。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
  9. 　請求項１から請求項３のいずれかに記載の剥離抑制装置を備える移動体であって、
    　前記剥離抑制装置は、前記流体の剥離位置の近傍で前記流体による表面圧力の順圧力勾配が低下する箇所に取り付けられる
    　移動体。
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