Fluid frictional resistance reducing device of substance

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、流体中を相対移動する物体に生じる流体摩擦抵抗を低減することができる、物体の流体摩擦抵抗低減装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の物体の流体摩擦抵抗低減装置としては、物体、例えば、船の表面やパイプラインの内壁面に、流体の乱流による抗力を減少させるために、物体の長手方向に設ける幾筋もの三角溝（リブレット）がある。

【０００３】このリブレットは、流体のもつ粘性の作用で物体の表面近傍に不可避的に発生する境界層内の流体の速度分布形状を人為的に変更することにより、同表面に作用する流体摩擦抵抗を低減するためのものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記リブレットでは、物体の表面での流体の速度分布に関するすべり無し流れを充分に回避できず、流体摩擦抵抗を充分に低減できないという問題がある。

【０００５】この発明は、このような従来の問題点を解決することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段及び作用】物体Ｂの平坦な表面に生じる流体摩擦抵抗は、図１に示すように、流体の流れ方向（ｘ）の速度分布（ｕ）の物体Ｂの表面Ｓ上における鉛直方向（у）の一次勾配（ｄｕ／ｄｙ）
（正、０、負の値のいずれもとり得る）に流体の粘性係数（μ）を乗じたもので定義される、下式で示す摩擦応用（τ）に比例する。

【０００７】

【数１】

【０００８】したがって、一次勾配（ｄｕ／ｄｙ）の絶対値を低減するか、あるいはその符号を図１に示す通常の正の状態から負の状態に転換できれば、物体Ｂの流体摩擦抵抗は低減できる。

【０００９】そのためには、物体Ｂの表面Ｓ近傍での速度成分の差を０に近づけるか、あるいは物体Ｂの表面に流体の逆流を生じさせて一次勾配（ｄｕ／ｄｙ）の符号を負にすればよい。

【００１０】そこで、この発明においては、図２に示すように、物体Ｂの表面Ｓにそって移動する流体を導入してその移動方向へ回転させる溝Ｍを、物体Ｂの表面Ｓに設けた。

【００１１】このようにすれば、図２に示すように、溝Ｍの底部では、流体がその流れ方向へ回転することで、
逆流Ｒが生じ、流体の流れ方向の速度成分の一次勾配の符号が負となる。 また、溝Ｍの領域における流体の速度成分の一次勾配の絶対値を低減することができる。

【００１２】この発明における溝Ｍは、物体の表面全体に、あるいは部分的に設ける。 また、長いものを連続的に設けることもできるし、短いものを断続的に設けることもできるし、長いもの短いものを任意に組み合わせて設けることもできる。

【００１３】溝Ｍの向きは、流体の流れ方向と交差する方向に設けるのが好ましい。

【００１４】溝Ｍの断面形状は、上述の流体摩擦抵抗を低減できる形状であれば、その態様は問わない。 溝Ｍの代表的な断面形状は、例示すれば、図３から図８に示すような形状である。 図中、矢印は流体の流れ方向を示す。 流体は、物体の表面と平行に流れる場合もあり、同表面に対し斜めに（交差方向）流れる場合もある。

【００１５】図３の溝Ｍ ₁断面長方形のものであり、図４の溝Ｍ ₂は流体の下流側にひさしＨ ₁を設けた断面長方形のものであり、図５の溝Ｍ ₃は流体の上流側と下流側にひさしＨ ₂を設けた断面長方形のものである。 図６
の溝Ｍ ₄は底面と側面の間に湾曲面を設けた断面Ｕ字形のものである。 図７の溝Ｍ ₅は断面長円形のものであり、図８の溝Ｍ ₆は断面円形のものである。

【００１６】溝Ｍを設ける物体Ｂの表面は、平面、湾曲面、凸凹面など任意に選定できる。 表面は滑面であってもよいし、粗面であってもよい。

【００１７】物体Ｂは剛体でもよいし、軟体でもよいし、弾性体でも良い。 溝Ｍを設けることができるものであれば、その種類を問わない。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を実施例によって説明する。

【００１９】図９に示す溝Ｍａを設けたモデル（模型）
Ｉと図１０に示す溝Ｍａを設けたモデル（模型）IIを、
それぞれ流速０．５〜３．２ｍ／ｓｅｃで矢印Ｘ方向に流れる水と流速０．５〜４．０ｍ／ｓｅｃで矢印ｘ方向に流れる水の中に設置し、各モデルＩ、IIに生じる抗力を測定した。 この抗力は、測定法上、表面摩擦に加えて圧力抵抗を含むので、後述するモデルIII 、IVに生じる抗力を測定して、モデルＩ、IIに設けた溝Ｍａの効果を検証した。

【００２０】モデルＩは、図９に示すように、平面形状が長方形、側面形状が先端の尖った楔形の塩化ビニル製の扁平な物体Ｂの先端側の両面に、幅（Ｗ ₁ ）方向に平行に並列配置した２９本の溝Ｍａ（後述）を設けたものである。 物体Ｂの長さ（Ｌ ₁ ）は４５０ｍｍ、幅（Ｗ
₁ ）は１５０ｍｍ、高さ（Ｈ ₁ ）は８２ｍｍである。

【００２１】モデルIIは、図１０に示すように、平面形状が長方形、側面形状が先端の尖った楔形の塩化ビニル製の扁平な物体Ｂの先端側の両面に、幅（Ｗ ₂ ）方向に平行に並列配置した２９本の溝Ｍａを設けたものである。 物体Ｂの長さ（Ｌ ₂ ）は４５０ｍｍ，幅（Ｗ ₂ ）は１５０ｍｍ，高さ（Ｈ ₂ ）は２４ｍｍである。

【００２２】モデルＩとモデルIIの溝Ｍａは、図１１及び図１２に示すように、断面形状が円形の溝で、幅（ｗ
₁ ）は２．４ｍｍ、深さ（ｄ ₁ ）は１．８ｍｍである。
溝Ｍａの後端側（水の下流側）出隅部には、８度の傾斜角（θ）で切断したカット面Ｃが設けられている。 その幅（ｗ ₃ ）は１．０ｍｍである。 ２９本の溝Ｍａは、モデルＩでは、先端より３３ｍｍの位置から５．５ｍｍの間隔（ｐ ₁ ）で設けられており、モデルIIでは、先端より５３ｍｍの位置から５．５ｍｍの間隔（ｐ ₁ ）で設けられている。

【００２３】モデルＩ、IIは、上述のように、尖った先端を水の流れの上流側へ向けて設置されている。 すなわち、各モデルＩ、IIの中心軸ｋと水の流れの方向ｘが平行になるように設置されている。

【００２４】（比較例）図示しないが、溝Ｍａを設けないモデルＩと同形のモデルIII と溝Ｍａを設けないモデルIIと同形のモデルIVについて、実施例と同じ要領で、
各モデルIII 、IVに生じる抗力を測定した。

【００２５】図１３は、実施例のモデルＩ、IIに生じる抗力の測定結果を、それぞれ比較例のモデルIII 、IVのそれと比較して示したグラフである。 ただし、ここにいう抗力は、モデルＩ、IIを支持する治具の抵抗を含めた値である。

【００２６】図１３から明らかなように、モデルＩの抗力は、モデルIII に比べ、平均して１．５３％低減している。 またモデルIIの抗力は、モデルIVに比べ、平均して０．６％低減している。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれば、物体の表面に、流体をその移動方向へ回転させる溝を設けたから、物体に生じる流体摩擦抵抗を効果的に低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 物体の表面近傍に発生する速度分布形状を示す図

【図２】 物体の表面に設けた溝とその近傍に発生する速度分布形状を示す図

【図３】 この発明において採用できる溝の断面図

【図４】 この発明において採用できる溝の断面図

【図５】 この発明において採用できる溝の断面図

【図６】 この発明において採用できる溝の断面図

【図７】 この発明において採用できる溝の断面図

【図８】 この発明において採用できる溝の断面図

【図９】 実施例の、溝を設けたモデルＩを示し、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は側面図、同図（ｃ）は正面図

【図１０】 実施例の、溝を設けたモデルIIを示し、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は側面図、同図（ｃ）は正面図

【図１１】 モデルＩとモデルIIに設けた溝の断面図

【図１２】 図１１の要部拡大図

【図１３】 モデルＩとモデルIIに生じる抗力を比較例のそれと比較して示したグラフ

【符号の説明】

Ｂ 物体 ｘ 流体の流れ方向 Ｓ 表面 Ｍ、Ｍ ₁ 〜Ｍ ₆ 、Ｍａ 溝 Ｃ 逆流 Ｈ ₁ 、Ｈ ₂ひさし Ｃ カット面 Ｔ 突起 ｋ 中心軸