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明細書 :流体流れに置かれる鈍頭物体

発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 特許公報(B2)
特許番号 特許第3632075号 (P3632075)
公開番号 特開2003-042108 (P2003-042108A)
登録日 平成17年1月7日(2005.1.7)
発行日 平成17年3月23日(2005.3.23)
公開日 平成15年2月13日(2003.2.13)
発明の名称または考案の名称 流体流れに置かれる鈍頭物体
国際特許分類 F15D  1/10      
FI F15D 1/10
請求項の数または発明の数 2
全頁数 9
出願番号 特願2001-230517 (P2001-230517)
出願日 平成13年7月30日(2001.7.30)
審査請求日 平成13年7月30日(2001.7.30)
特許権者または実用新案権者 【識別番号】503361400
【氏名又は名称】独立行政法人 宇宙航空研究開発機構
発明者または考案者 【氏名】徳川 直子
【氏名】高木 正平
個別代理人の代理人 【識別番号】100092200、【弁理士】、【氏名又は名称】大城 重信
【識別番号】100110515、【弁理士】、【氏名又は名称】山田 益男
【識別番号】100084607、【弁理士】、【氏名又は名称】佐藤 文男
審査官 【審査官】細川 健人
参考文献・文献 登録実用新案第3063323(JP,U)
実開昭54-114137(JP,U)
特開2000-314408(JP,A)
特開2002-079996(JP,A)
実開昭59-133803(JP,U)
調査した分野 F15D 1/10
特許請求の範囲 【請求項1】
流体の流れ方向に対して上流側表面が鈍頭曲面となった鈍頭本体と、前記鈍頭本体の後流側表面に沿った前記流体の流れを阻害するため前記鈍頭本体の後流側に設けられた流れ阻害部とからなり、
前記鈍頭本体は、流体の流れ方向に対して軸線が交差した状態に配置された円柱表面を持つ円柱状物体であり、
前記流れ阻害部は、前記円柱状物体の最後流端部に前記円柱状物体の軸線と前記流体の主流とで定まる平面内に対して直交状態に、且つ前記流体の主流方向で見た前記円柱状物体の投影幅内の範囲で取り付けられた直交板からなる板部材であることを特徴とする流体流れに置かれる鈍頭物体。
【請求項2】
前記板部材の幅は、前記円柱状物体の直径に実質的に等しいことからなる請求項に記載の流体流れに置かれる鈍頭物体。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明が属する技術分野】
この発明は、流体流れの中に配置されたときの流体抵抗を低減させた新規な構造を有する鈍頭物体に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、大気のような気体又は川水や海水のような液体、あるいは各種配管内を流れる流体中には、断面が円形又はそれに近い形状を持ち表面が滑らかな曲面となっている鈍頭物体が用いられている。特に、円柱体の形状のものは、製造が比較的簡単であるので製造コストが低く、あらゆる分野に用いられている。そのような鈍頭物体は、流体流れの中に置かれるとき、強い圧力勾配により鈍頭物体の表面に形成される境界層が剥離し、流体流れの下流側に大きな圧力損失が生じ、流体又は物体には圧力抵抗として作用することが知られている。
【0003】
鈍頭物体については、本来、流線形に設計されれば圧力損失に起因した流体抵抗を小さくすることができるが、そうした流線形に製造するにはコストが高くなり、現実的な対処の仕方とは言えない。しかしながら、用途によっては、鈍頭物体の圧力抵抗が無視できない程度となることがある。即ち、圧力抵抗が大きく成ると、鈍頭物体が固定側にあり流体が流れる場合には、流体を流すのに必要な動力費用が無視できなくなり、固定側の鈍頭物体に対しては圧力抵抗に伴う機械的な負荷が問題になることがある。また、鈍頭物体が流体中を移動するときには、圧力抵抗に打ち勝って鈍頭物体を移動させ続けるのに必要なエネルギーが増加することになる。
【0004】
鈍頭物体の一つとして、円柱表面を有する物体に対して、軸線に直角に流体が流れる場合、物体に働く流体抵抗が実験により求められている。図3には、円柱表面を有する柱状物体がそのまま単独で配置されたときの流体抵抗係数のグラフが示されている。図3の横軸は流体の流速Uであり、縦軸は流体抵抗係数Cである。ここで、単位長さ当たりの流体抵抗係数は、良く知られているように、次の式で定義される。
=D/[ρU2・d/2]
ここで、Dは、単位長さ当たりの流体抵抗[単位、N/m]
ρは、流体の密度[単位、kg/m
dは、柱状物体直径[単位、mm]、実験例では50mm
Uは、流体の流速[単位、m/s]である。
図3に示すグラフから分かるように、流速20m/s弱から60m/s弱までの範囲にわたって、多少の変動があるが約1.3の値を示している。
【0005】
図3には、また、流れ方向への投影面積と流れに平行な断面のアスペクト比が同じであるD形柱体の抵抗係数のグラフが示されている。D形柱体は、流体流れに対する前縁側の半分は円柱と同様の表面を持つ半円柱であり、後縁側は四角柱となった柱体であり、その流体抵抗係数は、円柱状物体の場合と同様の流れの範囲にわたって約0.9の値を示しており、円柱体と比較して30~35%小さくなっていることが知られている。
【0006】
円柱体を流れの中に置いたときの計測結果から、円柱の後流にはカルマン渦列が交互に且つ周期的に発生しており、圧力損失が大きく圧力抵抗が高いことを示している。円柱体の表面にマルチ熱膜センサを貼り付けて行った壁面剪断応力の計測結果から、カルマン渦列の周波数に同期して円柱体表面の境界層全体が振動していることが観測されており、円柱体の最大厚さ位置の前後において、境界層の剥離を示す逆流現象も観測されている。こうした計測結果、あるいは数値計算から、流れの中に置かれた円柱体については、境界層が剥離すると、円柱体の後流側表面に沿って剥離をおこした境界層の部分へ向かう流体流れが生じて、ブリッジ状の渦膜や二次渦が形成され、後流を巻き込んでの大規模な渦を形成し、それを放出するという、カルマン渦の生成過程が周期的に起きていることが判明した。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明が解決すべき課題は、境界層の剥離から大規模な渦構造への発生・成長までの一連の過程において、円柱状物体のような鈍頭物体の後流側表面に沿っての流体流れに着目し、境界層が剥離することに伴って後流側表面に沿って生じようとする流体流れを阻止することで、上記の一連の過程を分断して大規模なカルマン渦にまで成長させない工夫を図ることである。
【0008】
この発明の目的は、鈍頭物体の構造を工夫して、圧力抵抗に起因した流体抵抗係数を一層小さくし、流体の流れを生じさせる場合にはそうした流れを駆動するのに要する駆動力を、また流体中で鈍頭物体を移動させる場合には移動させるための駆動力を軽減し、更には流体から鈍頭物体に働く機械的な力を軽減することを可能にする、流体流れにおかれる鈍頭物体を提供することである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
この発明による流体流れに置かれる鈍頭物体は、上記の課題を解決するため、流体の流れ方向に対して上流側表面が鈍頭曲面となった鈍頭本体と、前記鈍頭本体の後流側表面に沿った前記流体の流れを阻害するため前記鈍頭本体の後流側に設けられた流れ阻害部とからなり、前記鈍頭本体は、流体の流れ方向に対して軸線が交差した状態に配置された円柱表面を持つ円柱状物体であり、前記流れ阻害部は、前記円柱状物体の最後流端部に前記円柱状物体の軸線と前記流体の主流とで定まる平面内に対して直交状態に、且つ前記流体の主流方向で見た前記円柱状物体の投影幅内の範囲で取り付けられた直交板からなる板部材であることを特徴とするものである
【0010】
流体流れに置かれる鈍頭物体において、鈍頭本体の流体の流れ方向に対して上流側表面は、従来と同様の鈍頭曲面となっているが、鈍頭本体の周りを流れる流体が最大厚さ付近から境界層の剥離を開始しようとしたときに、鈍頭物体の後流側表面に沿って境界層剥離領域へ向かって流れ込む流れを許容すると、大規模なカルマン渦列の発生に繋がり圧力抵抗を増すことにつながる。この発明による鈍頭物体によれば、そうした境界層の剥離に起因して鈍頭本体の後流側表面に沿って剥離領域へ向かって流れ込もうとする流体の流れを流れ阻害部によって阻害している。従って、鈍頭本体の最大厚さ付近からの境界層の剥離に応じて微小な渦が発生しても、大規模渦列としてのカルマン渦への成長が妨げられ、鈍頭本体の後流の幅や変動成分の規模は、流れ阻害部を備えない単純な鈍頭物体と比較して縮小し、鈍頭物体の圧力抵抗が軽減される。
【0011】
この流体流れに置かれる鈍頭物体において、前記鈍頭本体は、流体の流れ方向に対して軸線が交差した状態に配置された円柱表面を持つ円柱状物体として構成されている。円柱状物体は、中実の円柱体そのものばかりでなく、円管体や円筒体のように製造が簡単であるためにあらゆる分野で利用されている物体であり、流体中で使用されることも多い。そうした円柱状物体に対して、カルマン渦発生過程で後流側表面に沿って生じようとする流体流れを阻害する流れ阻害部を設けることのみで、円柱状物体の圧力抵抗が軽減される。
【0012】
鈍頭本体として円柱状物体を有する鈍頭物体において、前記流れ阻害部を、前記円柱状物体の後流側に前記流体の主流方向で見た前記円柱状物体の投影幅内の範囲で取り付けられた板部材で構成している。この鈍頭物体によれば、円柱状物体の側面から後流側表面に沿って円柱状物体の境界層の剥離部分に流れ込もうとする流体の流れが板部材によって阻害されるので、後流におけるカルマン渦のような大規模な渦の成長を弱めることができ、圧力抵抗が軽減される。また、流れ阻害部としての板部材は、円柱状物体の投影幅内の範囲で取り付けられているので、円柱状物体の周りの通常流れが板によって不必要に乱されることがない。
【0013】
鈍頭本体として円柱状物体を有する鈍頭物体において、前記流れ阻害部としての前記板部材、前記円柱状物体の最後流端部に前記円柱状物体の軸線と前記流体の主流とで定まる平面内に対して直交状態に取り付けられた直交板として構成している。円柱状物体の後流に発生するカルマン渦列は、円柱状物体で流れが分断される両側で交互に発生するので、流れ阻害部としての板を、円柱状物体の軸線と流体の主流とで定まる平面内に対して直交状態に取り付けられた直交板とすることで、両方のカルマン渦列に対してその成長を阻害する。
【0014】
鈍頭本体を円柱状物体とした鈍頭物体において、前記板部材の幅については、前記円柱状物体の直径に実質的に等しくすることが望ましい。板部材の幅を円柱状物体の直径と同じにすると、板部材は板幅の中央位置において円柱状物体に接線状態に取り付けられる。板部材をこのような構造と配置とすることにより、鈍頭物体は流体流れに対して対称な構造となり、また、円柱状物体の回りの流れを大規模渦列に成長させない阻害作用を左右両側で均等に働かせることが可能となり、比較的対称的な流れとなり、圧力抵抗を高めるような乱れを惹起させることが少なくなる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明による流体流れに置かれる鈍頭物体の実施例を説明する。図1はこの発明流体流れに置かれる鈍頭物体の一実施例を示す斜視図、図2は図1に示す鈍頭物体の断面図、図3は流体流れに置かれる鈍頭物体の流速に対する圧力抵抗係数をプロットしたグラフである。
【0016】
図1及び図2に示す鈍頭物体1は、流体の流れ方向Fに対して軸線Lが交差して配置された鈍頭本体としての円柱状物体2と、円柱状物体2の後流側に取り付けられた流れ阻害部としての板部材3とから成る。鈍頭本体は、尖った先端部を有していなければよいが、この実施例では最もありふれており且つ最も使用されやすい形状である円柱表面と同じ上流側表面2aを持つ円柱状物体2である。このような鈍頭物体が流体流れの中に存在している例として、風洞や気体又は液体が流れる配管中に設けられる各種センサ及びその支持体、あるいは電車のパンタグラフ、飛行体に取り付けられる棒状或いはワイヤ状の物体等、縦横比を流線形に近いものに容易には変更できないものが挙げられる。
【0017】
円柱状物体2は、中実の円柱体であっても、中空の円管体や円筒体であってもよいが、以下、簡単のため、円柱体2と略す。板部材3は円柱体2の直径dと同じ板幅wを有し、板部材3は板幅wの中央位置において円柱体2の最後流端部4に接線状態に取り付けられた直交板である。このような構造を有する板部材3を流体流れFの方向の投影範囲内に位置するように配置することにより、鈍頭物体1は流体流れFに対して対称な構造となり、また、鈍頭物体1の回りの流れも比較的対称的な流れとなり、板部材3が円柱体2の影からはみ出すこともなく、圧力抵抗を高めるような乱れを惹起させることが少なくなる。
【0018】
鈍頭物体1を流体流れFの中に置いたとき、円柱体2の表面の両側では交互に且つ周期的に境界層剥離を生じ、後流に大規模渦流としてのカルマン渦を発生・成長させやすくなるが、板部材3は、板部材3が存在しないとしたときに境界層剥離が発生する毎に円柱体2の後流側表面2bに沿って円柱体2の境界層剥離を起こした部分へ流体の巻き込みとして流れ込もうとする流れf(想像線で示す)の発生を阻害している。その結果、鈍頭物体1の後流においては、カルマン渦のような大規模渦列の発生を阻害し、たとえ発生したとしてもその成長を阻害することができるので、大規模渦列に起因した圧力損失が少なくなり、その結果、圧力抵抗が軽減される。鈍頭柱体1において、板部材3は、流体の流れ方向で見た円柱体2の投影幅内に収まった状態に配置することが好ましい。板部材3を円柱体2の投影幅の範囲内に収めた場合には、境界層外部の流体流れが不必要に板部材3によって乱されることがなく、剥離剪断層の巻込み防止の作用を効果的に発揮させることができる。
【0019】
板部材3の存在によって、後流側表面2bと板部材3との間には、略三角形柱状の空間が形成され、この空間内で微小な渦vが発生しやすい。この微小な渦vは、その流れの方向が上流側表面2aを通過した流体流れFの方向と一致しているために、エアベアリングと称される役目を果たして流体流れFをスムーズにして低抵抗となっているものと推測される。
【0020】
鈍頭柱体1の流体の流れFに対する配置として、流体の流れFが板部材3に対して横方向から当たる成分がないようにすることが好ましく、特に、直交板として使用するように、流体流れFの方向を板部材3に正対する方向に向けることが好ましい。このように鈍頭柱体1を配置することにより、流体の流れFは、円柱体2の各側方から直接に板部材3に当たることにならず、板部材3は、円柱体2で生じやすい剥離剪断層の巻き込みに対する阻害作用を円柱体2の各側で均等に奏することになり、圧力抵抗の軽減に寄与することができる。
【0021】
この発明による流体流れに置かれた鈍頭物体1の抵抗係数を実験で求め、流速Uに対してプロットしたグラフが図3に示されている。図3から理解されるように、鈍頭物体1の抵抗係数Cは、円柱体2と比較して0.5以上の低下が認められ、D形柱体と比較しても、略0.1以上の低下が認められ、板部材を取り付けて、鈍頭本体の後流側表面2bに沿う流体流れを阻害する効果が現れている。
【0022】
図4は、この発明による鈍頭物体の後流における、一様流れの流速U∞に対する流体の流速Uの比と、一様流れの流速U∞に対する変動成分u′の比とを示すグラフである。鈍頭物体の後流としては、端縁から直径Dの3倍の距離(X)だけ流体の流れ方向に離れた位置が採用されており、流れに横断する方向の地点を横軸(円柱の直径Dに対する比Y/D)として、一様流れの流速U∞に対する流体の流速Uの比(U/U∞上側のグラフ)と、一様流れの流速U∞に対する変動成分u′の比(u′/U∞下側のグラフ)とが、熱線風速計を用いた計測から求められている。この後流の測定でも、本発明による鈍頭物体1は、円柱体2のみの場合との比較ではもちろんのこと、D形柱体と比較しても、後流の幅が小さく且つ変動成分も小さいことが確認された。
【0023】
図5は、鈍頭物体の幾つかの変形例を示す断面図である。I)は従来の円柱体、II)はD形柱体、III)は円柱体2に阻害板として放射方向に半分長さとした斜め板6L、6Rを取り付けた例、IV)は円柱体2に阻害板として最大厚み部5において流れに対して左側のみに平行板7Lを取り付けた例、V)は円柱体2に阻害板として最後流端部4に流れに対して右側のみの直交板8Rを取り付けた例、VI)は円柱体2に阻害板として最大厚み部5において左右に平行板7L,7Rを取り付けた例、VII)は円柱体2に阻害板として放射方向に円柱体2の投影範囲内に延びる斜め板9L,9Rを取り付けた例、VIII)は円柱体2に阻害板として最後流端部4に長さ半分の直交板10を中央にて取り付けた例、IX)は図1及び図2に示したように、阻害板として最後流端部4に直交板(板部材3)を取り付けた例である。
【0024】
図6は、横軸を流速U(m/s)としたときの、図5に示す各種の鈍頭物体の抵抗係数相当のものとしてストローハル数Stを縦軸としたグラフである。ストローハル数Stは、抵抗係数の逆数相当の数値である。図6から理解されるように、円柱体2だけの場合の抵抗係数が最も高くなり、円柱体2以外の図5に示す鈍頭物体はいずれも抵抗係数が改善されている。特に、IX)に示す後ろ全面に板部材3を取り付けた鈍頭物体の抵抗係数Cは、広い流速の範囲でより改善されていることが分かる。
【0025】
【発明の効果】
この発明による流体流れに置かれる鈍頭物体によれば、鈍頭本体の周りを流れる流体が最大厚さ付近から境界層の剥離を開始しようとしたときに、鈍頭物体の後流側表面に沿って境界層剥離領域へ向かって流れ込む流れを許容すると大規模なカルマン渦列の発生に繋がり圧力抵抗を増すことにつながるが、この鈍頭本体の後流側表面に沿って剥離領域へ向かって流れ込もうとする流体の流れを阻害部によって阻害しているので、カルマン渦のような大規模渦列への成長が抑制され、鈍頭物体の圧力抵抗が軽減される。そして、圧力抵抗係数が小さいほど、流体から受ける抵抗が小さくなり、流体の流れを生じさせる場合にはそうした流れを駆動するのに要する駆動力が、また流体中で鈍頭物体を移動させる場合には移動させるための駆動力が軽減され、駆動源に求められる負荷が小さくなる。また、圧力抵抗を下げることにより、鈍頭物体やその支持構造に求められる強度を下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明による流体流れに置かれる鈍頭物体の一実施例を示す斜視図である。
【図2】図1に示す鈍頭物体の断面図である。
【図3】流体流れに置かれる鈍頭物体の流速に対する圧力抵抗係数をプロットしたグラフである。
【図4】この発明による鈍頭物体の後流において、一様流れの流速U∞に対する流体の流速Uの比と、一様流れの流速U∞に対する変動成分u′とを示すグラフである。
【図5】この発明による鈍頭物体の幾つかの変形例を示す断面図である。
【図6】図5に示す各種の鈍頭物体のストロール数STをレイノルズ数に対して求めたグラフである。
【符号の説明】
1 鈍頭物体
2 円柱状物体
3,10 板部材(直交板)
4 最後流端部
5 最大厚み部
6S,6L,9R,9S 斜め板
図面
【図1】
0
【図2】
1
【図3】
2
【図4】
3
【図5】
4
【図6】
5