동체 및 유체의 상대 변위에 의해 발생된 항력을감소시키는 장치

동체 및 유체의 상대 변위에 의해 발생된 항력을 감소시키는 장치{Device for reducing a drag produced by the relative displacement of a body and fluid}

본 발명은 동체 및 유체의 상대 변위에 의해 발생되는 항력을 감소시키기 위한 항력 감소 장치에 관한 것이다.

동체가 유체의 내부에서 움직일 때, 또는 유체가 동체 안이나 또는 동체 둘레에서 유동할 때, 상기 동체는 동체 둘레를 통과하는 유체의 속도로부터 발생되는 압력, 또는 동체 안에 제한되어 있는 유체로부터의 압력을 받게 되며, 또한 동체의 운동 방향 또는 유체 유동 방향으로 작용하는 힘을 받는다. 유체내의 동체 운동 또는 동체내의 유체 운동에 대항하는 이러한 힘은 마찰 항력(drag) 또는 마찰 수두 손실이다. 층류 유동에서 항력은 상대적으로 약하지만, 동체와 유체의 상대 속도들이 증가하자마자, 유체 안에 잠긴 동체 표면의 적어도 특정 부분 주위에서 유동은 난류가 된다. 이러한 난류 유동은 동체 둘레 또는 동체를 따라서 회전 방향을 가진 유체 와류(fluid eddies)를 발생시킴으로써, 동체와 접촉하거나 또는 동체에 근접한 유체의 층이 유체 유동의 방향 또는 동체의 운동 방향과 반대인 방향으로 배향된 운동 성분을 가진다. 이것은 항력을 강하게 상승시키고, 또한 마찰 항력 또는 마찰 수두 손실을 현저하게 상승시킴으로써, 동체의 운동을 보장하기 위하여 훨씬 큰 추력이 움직이는 동체에 적용되어야 하거나, 또는 채널 안에서 유체 유량을 유지하기 위하여 펌프의 힘이 상승되어야 한다. 더욱이, 이것은 동체가 받는 억제력을 상승시킨다.

이러한 현상은 특히 수상용 선박이나, 또는 공기중의 자동차, 열차 및 비행기와 같은 운송 장치의 그 어떤 운동에서도 발견되는데, 항력에 대하여 저항하는데 필요한 고도의 추력을 위한 연료 또는 에너지의 추가적인 소비를 초래한다. 잠겨져 있는 동체들의 경우에, 그 동체들이 그러한 힘 및 억제력(constraints)들에 저항하도록 동체들을 설계할 필요가 있다. 파이프 안에서 순환하는 유체의 경우에, 최종적으로는 그것이 캐비테이션(cavitation)의 현상으로 이끌게 되며, 유체 유량을 보장하기 위하여 높은 펌프 동력을 필요로 한다.

본 발명의 목적은, 동체 표면의 적어도 일부와 유체 사이의 마찰력이 감소되고, 그에 의하여 항력, 억제력 및 수두 손실이 감소되는 방식으로, 동체의 둘레 또는 동체 안의 유체의 난류 유동에 기인한 와류를 발생시킬 수 있고 또한 와류의 회전 방향을 제어할 수 있는 수단을 구현하는 것이다.

고정된 구조물, 빌딩 교량, 풍력 터빈 및 그와 유사한 것들에서, 이들이 받는 유체 유동에 기인한 억제력을 본 발명에 따른 장치가 저감시킬 수 있고, 따라서 그들의 피로 및 마모를 감소시킬 수 있다.

유체내의 동체 운동으로부터 발생된 항력, 고정된 동체가 받는 억제력, 또는 채널 안의 유체 유동으로부터 발생되는 수두 손실을 감소시키는 본 발명에 따른 장치는 위에서 설명된 단점들을 회피하며, 위에서 설명된 목적이 달성될 수 있게 하고, 청구항 제 1 항에 기재된 특징들에 의해서 식별된다.

첨부된 도면들이 한편으로는 자연적으로 발생되는 동체 둘레의 난류 유동의 현상을 도시하고 다른 한편으로는 본 발명에 따른 장치가 설치된 동체 둘레 또는 동체 안에서 나타나는 현상을 도시한다.

도 1 은 유체 내에서 움직이는 동체 둘레의 난류 유동 또는 동체 둘레에서 움직이는 유체의 난류 유동을 도시한다.

도 2 는 본 발명에 따른 장치가 설치된 동체 및 그로부터 초래된 변형된 유동을 개략적으로 도시한다.

도 3 은 본 발명에 따른 수단의 변형예가 설치된 동체를 도시한다.

도 4 내지 도 7 은 본 발명에 따른 수단에 의해서 취해질 수 있는 상이한 형태들을 비제한적으로 예를 들어 도시한다.

도 8 은 본 발명에 따른 수단이 설치된 평탄한 자체 부착의 형상부를 도시한다.

도 9 는 본 발명에 따른 장치가 설치된 열차를 도시한다.

도 10 및 도 11 은 측면에서 도시한 교량 및, 본 발명에 따른 장치가 설치된 위로부터 도시한 AA 선을 다른 부분적인 단면도를 도시한다.

도 12 는 항력 감소 장치가 설치되고 시험 수행에 이용된 노즈 원추(nose cone)의 개략도이다.

도 13 은 도 7 에 따른 장치가 적용되고 효율 시험을 위한 기초로서의 역할을 하는 노즈 원추의 일부를 도시한다.

도 14 는 노즈 원추의 일부를 도시하는 것으로서, 이것은 도 7 에 따른 장치가 노즈 원추 안으로 형성되고, 효율 시험을 위한 기초로서의 역할을 하는 것이다.

도 15 는 장치가 형성된 파이프 배관을 도시한다.

도 16 은 장치가 부착된 파이프 배관을 도시한다.

도 17 은 장치에 의해 얻어지는 재순환 현상을 도시한다.

도 1에서는, 동체가 유체 안에서 움직이거나 또는 유체가 상기 동체 둘레에서 유동할 때, 동체와 유체의 상대 속도들이 증가하면서 난류 유동 상태가 발생되고 또한 유체 와류들을 발생시키는 것이 개략적으로 도시되어 있으며, 상기 유체 와류는, 동체의 표면과 접촉하는 유선(fluid thread)이 유체를 통한 동체의 운동 속도보다 빠른 동체 상대 속도를 가지지만 방향이 반대이도록 되는 회전 방향 및 빠른 속도를 가지는 것이다. 이것은 유체와 동체 사이에 마찰력을 일으키며, 따라서 항력, 특히 마찰 항력을 발생시킨다.

상기의 와류는 또한 동체로부터 멀어지게 움직이는데, 이것은 상기 동체의 표면을 따라서 유동의 불안정성을 발생시키며, 분리를 야기하고, 따라서 보다 현저한 항력을 일으킨다.

도 2 는 특히 동체 둘레의 난류 유동의 와류 회전 방향을 제어하고 채 널(channel)이 이루어지도록 하는 수단(2)이 설치된 동체(1)를 도시한다.

도시된 예에서, 상기 수단(2)은 홈(groove)에 의해 형성되는데, 상기 홈은 유체 안으로 잠긴 동체(1)의 전체 표면에 걸쳐서 연장되고, 바람직스럽게는 유체 유동에 실질적으로 수직으로 연장된다. 이러한 홈(2)은, 그 홈에 도달하는 동체(1) 표면의 적어도 일부와 접촉하는 유선이 그 안으로 침투하도록 되는 형태를 가지고, 또한 장치로부터 하류에서 동체와 접촉하는 유선들이 상기 동체의 운동 방향, 즉, 유체 유동의 방향과 반대인 방향으로 동체(1)에 상대적인 속도를 가지도록 하면서 와류의 회전 방향이 수단(2)에 의해서 제어되고 채널이 이루어지도록 하는 회전 방향으로 홈이 이어진다. 따라서 유체와 동체(1) 사이의 마찰력은 감소되며, 항력은 감소된다. 홈(2)을 포함하는 본 발명에 따른 장치는 와류의 회전 방향을 역전시킬 수 있으며, 따라서 홈(2)으로부터 하류에서 적어도 일부 거리에 걸쳐 마찰 항력을 감소시킨다.

더욱이, 이러한 와류의 방향은 유체 유동이 동체의 표면에 다시 부착되게 하며, 따라서 분리의 순간을 지연시키고 항력을 감소시킨다.

동체(1)에 대한 홈(2)의 위치는 변화될 수 있으며, 특히 동체(1)의 형상의 함수로 변화될 수 있지만, 정상적으로는 경계층의 난류가 발생되는 곳으로부터 상류에 있는 장소에서 상기 홈(2)이 동체상에 위치되는 것이 바람직스럽다. 몇 개의 홈(2)들이 동체상의 상이한 장소들에서 동체를 따라 하나가 다른 것의 뒤에 배치될 수 있다.

열차, 자동차 또는 비행기의 경우에, 이러한 홈(2)은 그 자체상에서 폐쇄되 어 있을 수 있으며, 이는 동체가 완전히 공기 안에 잠겨 있기 때문이다. 반대로, 선박의 경우에, 홈(2)은 오직 잠겨져 있는 선박의 일부에만 제공되어야 한다.

잠겨져 있는 벌브(bulb)가 설치된 선박의 경우에, 홈(2)은 전체 주위에 걸쳐서 이러한 벌브에 배치될 수 있다.

도 3 에 도시된 변형예에서, 동체(1)에는 홈(2)을 포함하는 돌출부(3)가 설치되어 있다. 이러한 돌출부는 동체와 일체로 될 수 있거나, 또는 동체(1)에 고정된 형상으로 이루어질 수 있다.

도 2에서 알 수 있는 바로서, 벌브(1)의 전방 부분의 영역(5)은 유사 정지 상태의 유체 칼로테(quasi stationary fluid calotte)로 덮여있다.

단면으로 보았을 때, 홈(2)의 형상은 도 4 내지 도 7 의 예에서 개략적으로 도시된 바와 같이 구현예들에 따라서 변화될 수 있다.

도 4 에 도시된 변형예는 실질적으로 대칭인 홈을 구비하며, 유체 안에서 움직이는 동체 표면(4)의 연장부 안에 위치된 자유 가장자리(2a,2b)들을 가진다. 이러한 변형예에서 홈은 180°이상으로 연장되고, 그것의 자유 가장자리(2a,2b)들은 홈의 최대 폭보다 작은 거리로 서로로부터 분리된다.

도 5 에 도시된 변형예에서, 홈(2)은 전체적으로 U 자 형상이다.

도 6 및 도 7 에 도시된 변형예에서, 자유 가장자리(2a,2b)들중 하나는 유체 안으로 잠겨 있는 동체의 외측 외피(envelope)에 대하여 오프셋되어 있다는 점에서 홈(2)이 비대칭적이며, 이것은 일부의 경우에 이러한 홈 안에서 유체 유동을 용이하게 한다.

도 4, 도 6 및 도 7 의 변형예에서, 홈은 전체적으로 C 형상이다.

도 8 은 떼낼 수 있는 포일(foil)에 의해 보호된 자체 접착층이 설치될 수 있는 하부면(6a)을 포함하는 형상부(6)를 도시한다. 이러한 형상부는 얇고, 테이퍼진 가장자리(6b,6c) 및 홈(2)이 안에 형성되는 두꺼운 중앙 부분을 가진다. 이러한 항력 감소 장치의 구현예는 실질적이고 구현이 용이한데, 이는 유체와 접촉하는 동체 표면의 형상을 수정할 필요가 없기 때문이다. 홈(2)이 형성된 상기 항력 감소 장치를 동체에 설치하기 위하여, 항력 감소 장치가 설치되어야 하는 동체 또는 동체 부분의 주위에 대응하는 형상부(6)의 길이를 절단하고, 다음에 일반적으로 유체 유동에 법선인 소망의 경로를 따라서 이러한 형상부 부분을 동체 표면에 접합시키는 것으로 사실상 충분할 것이다.

상기 설명된 장치는 유체 유동을 제어하고, 직선화하고 그리고 균등화할 수 있게 하는데, 상기 유체 유동은 보다 안정적인 속도 및 압력을 취하게 된다.

본 발명에 다른 장치의 보조로 얻어진 결과는 유체 안에서 움직이는 동체가 겪게 되는 항력의 현저한 감소이다. 그러한 결과는 유체 안에서 움직이는 모든 운송 장치인 선박, 열차, 자동, 비행기 등에 대해서 매우 중요한데, 이는 항력 및 특히 마찰 항력을 감소시킴으로써 추진에 필요한 에너지 감소를 자동적으로 발생시키고, 따라서 연료 소비의 감소 또는 운송 장치 속도의 증가를 발생시키기 때문이다.

도 2 에 도시된 바와 같이, 유체 안에서 움직이는 동체상에 존재하는 장치는 동체(1)의 전방에 칼로테(calotte) 형상의 안정적인 유체 필름(5)을 형성할 수 있어서, 다시 항력을 감소시킨다.

도 9 는 본 발명에 따른 2 개의 장치(2)가 설치된 지상용 차량 운송 장치를 도시하는데, 상기 항력 감소 장치는 하나가 다른 것의 뒤에 있고 특정의 거리로 분리되어 있다. 운송 장치를 따라서 2 개의 항력 감소 장치들 사이의 거리는, 경계층이 제 1 장치로부터 하류로 전개되는 거리보다 작은 것이 바람직스럽다.

빌딩, 풍력 터빈, 근해 플랫포옴(offshore platform), 교량 및 그 어떤 종류의 구조물과 같은 고정 구조물에 대하여, 본 발명에 따른 장치는 그 장치가 받게 되는 제한의 감소를 낳게 되며, 따라서 그것들의 피로 및/또는 마모의 감소를 낳게 된다.

일 예로서, 본 발명에 따른 장치가 설치되고 측부 및 상부로부터 도시된 교량이 도 10 및 도 11 에 도시되어 있다. 교량의 탑(P)에는 몇 개의 홈(2)들이 설치되어 있는데, 이것은 도 4 내지 도 7 에 도시된 바와 같이 전체적으로 "C" 형상을 가지며, 탑의 하나 또는 몇 개의 모점(generatrix)을 따라서 연장된다. 마찬가지로 교량 덱크(T)에는 전체적으로 "C" 형상을 가지는 하나 또는 몇 개의 홈(2)들이 설치된다.

전체적으로 C 형상인 이러한 홈(2)들은 교량의 덱크(T) 및 탑(P)의 둘레에서 유동하는 물 또는 공기의 흐름을 안정화시키고 제어하며, 이러한 요소들 둘레에서 의 물 및/또는 공기 유동의 주어진 속도에서, 낮은 제한 및 힘을 받게 한다.

상기 모든 적용예들에서, 항력 감소 장치는, 유체 흐름 및 목적물 운동의 상대 속도를 감소시키는 효과인, 유체내에 잠긴 동체 둘레에서 전개되는 와류 회전 방향의 역전으로부터 초래되는 전체 항력 및 마찰 항력의 현저한 감소를 발생시킨 다.

본 발명에 따른 장치의 효율 및 타당성을 나타내기 위해서, 첫 번째 시험은 물에 잠긴 동체를 가지고 이루어졌는데, 이러한 동체는 21 미터 길이 및 2.8 미터의 최대 직경을 가진 노즈 원추(nose cone)의 형상을 가진다(도 12). 도면에서, 본 발명에 따른 장치의 크기는 예시의 필요성을 위해서 노즈 원추 치수들에 비하여 과장되었다.

제 1 형상(도 13)에서, 그러한 노즈 원추에는 도 8 에 따른 항력 감소 장치의 유형이 설치되어 있는데, 즉, 노즈 원추의 외측 벽에 고정된 요소(6) 안으로 포함된 장치(2)가 설치된다. 이러한 장치는 노즈 원추의 정점으로부터 약 2.6 미터의 거리에 배치되어 있거나, 또는 노즈 원추의 최대 단면으로부터 약 4.4 미터의 거리에 배치되어 있다. 도 13 은 이러한 장치가 설치된 노즈 원추를 부분적으로 단면으로 도시한다. 홈(2)의 직경은 이러한 경우에 2.5 cm 정도이다.

난류의 물 유동에 대하여 스팔라트-알마라즈 모델(Spalart-Allmaras model, spl)에 따르면, 본 발명에 따른 장치가 결여되어 있는 동일한 노즈 원추 둘레의 동일한 유동에 비하여, 장치가 존재할 경우에 노즈 원추 표면에서 약간의 유체 압력 증가 및 현저한 마찰 항력 감소가 발생된다는 점이 주목된다. 그 수치들은 다음과 같다.

동일한 측정이 유사한 노즈 원추를 가지고 이루어졌는데, 여기에서 본 발명 에 따른 장치는 표면의 안으로 형성되었으며, 즉, 성형에 의해 얻어지거나 또는 기계 가공되었다 (도 14).

이러한 예에서, 홈(2)의 직경이 5cm 로 상승되고 홈이 도 7 에 도시된 유형의 형상을 가진다는 점만을 제외하고, 장치는 이전의 예에서와 같은 노즈 원추의 위치에 놓였다. 데이터는 다음과 같다.

상기 양쪽의 경우에, 노즈 원추의 표면 안으로 일체화되거나 또는 그 상부에 배치된 단일 장치를 가지고 약 4.4% 내지 6.5%의 현저한 총 항력 계수의 감소가 얻어졌다.

이러한 항력 감소를 더욱 증가시키기 위하여, 노즈 원추 표면에 몇 개의 장치들을 하나가 다른 것의 뒤에 있도록 배치할 수 있다. 실제로는 그 어떤 주어진 장치라도 그로부터 하류에서 특정의 거리에 걸쳐서만 효과를 발생시키며, 따라서 유동 와류의 회전 방향의 역전 현상은 잠겨진 동체의 표면을 따라서 여러번 반복될 수 있다.

따라서 유체 안으로 잠긴 동체상에 작용하는 항력의 감소는 잠겨진 동체를 따라서 하나가 다른 것의 뒤에 배치된 몇 개의 항력 감소 장치들을 이용할 때 커지게 될 것이라고 추정할 수 있다.

홈(2)의 치수들, 그것의 형상 및 유체 안으로 잠긴 동체에 대한 위치가 항력 감소 효율을 변형시킬 것이라는 점이 이해된다.

또한 캐비테이션(cavitation) 현상도 본 발명에 따른 항력 감소 장치를 이용할 때 감소된다는 점이 주목된다.

본 발명에 따른 항력 감소 장치는 파이프 유체 유동에서 캐비테이션의 감소 및 수두 손실의 감소를 위해서 이용될 것이다. 이것은 압력 파이프, 유체 분배 네트워크, 엔진 흡입 및 배기 매니폴드, 파이프라인등과 같은 여러 분야들에서 중요한 것으로 증명될 수 있다.

도 15 는 배관의 벽안으로 기계 가공되거나 또는 형성된 항력 감소 장치의 이용을 개략적으로 단면으로 도시한 것이다.

도 16 은 배관의 내측 벽에 부착된 항력 감소 장치의 이용을 단면으로 개략적으로 도시한 것이다.

도 17 은 항력 감소 장치에 의해 유발된 물의 순환을 나타내는 것으로서, 항력 감소 장치를 가지고 물 안에서 움직이는 잠긴 동체의 부분을 도시하는 것이다.

배관의 경우에도, 유체 유동이 난류가 되자마자, 존재하는 항력 감소 장치의 홈(2)이 유체 와류의 회전 방향을 역전시킴으로써, 상기 배관의 벽과 접촉하는 유체 층 및 배관의 상대 속도의 감소를 발생시키고, 이것이 차례로 채널 안에서의 캐비테이션 현상 및 수두 손실의 감소를 발생시킨다.

배관의 경우에서도, 파이프에서의 유체 마찰의 감소 효과를 배가시키고 설비의 수율을 상승시키기 위하여, 수두 손실 감소의 효과가 발생되는 거리에 걸쳐서 그 거리에서 파이프들을 따라 홈(2)들이 모두 배치될 수 있다.

배관의 경우에, 홈(2)은 파이프들의 내측 벽에 부착되거나 또는 그 안에 형 성되며, 바람직스럽게는 그 자체 위에서 폐쇄되며, 즉, 연속적이며, 이는 유체가 파이프의 전체 내측 표면 부위와 접촉되기 때문이다.

아직 마무리되지 않은 보다 철저한 시험들은, 동체(1)의 표면에 존재하는 홈(2)이 동체(1) 둘레의 유체 유동에 대하여 수직으로 연장되고, 180°이상의 각도에 걸쳐 뻗어있는 것이 관련 영역에서 동체(1)의 둘레에 유체의 이중적인 순환을 발생시킨다는 점을 나타낸다. 동체(1)로부터 거리를 두고 있는 제 1 순환의 상부층은 동체 둘레의 전체적인 유체 유동의 방향으로 흐르는 반면에, 동체(1)와 접촉하는 제 1 재순환(I)의 하부층은 전체적인 유체 유동의 방향에 반대 방향으로 발생함으로써, 이러한 순환 영역에서 유체와 동체(1) 사이의 마찰은 감소된다. 또한 홈의 내부에서 그 자체상에 폐쇄된 유동을 형성하는 홈(2)에서의 제 2 순환을 볼 수 있다.

홈(2)이 개구를 가지는 영역에서, 2 개의 재순환들은 접촉하여 있으며 따라서 같은 회전 방향을 가져야 하는데, 이는 홈(2) 안에서 발생되고 따라서 제 2 순환의 회전 방향과 반대인 제 2 재순환(II)의 회전 방향을 부과한다.

2 개의 재순환들이 만나는 영역에서 난류를 감소시키기 위하여, 홈(2)의 하류 가장자리에 리지(ridge, A)를 만들게 된다. 재순환(I)과 재순환(II) 사이의 난류 영역을 최대 가능 범위까지 감소시키기 위하여 이러한 리지(A)의 형상을 조절함으로써, 동체(1)를 유체 안으로 투입하는데 대한 유체 역학적 저항을 저감시키고 손실 에너지를 제한할 수 있다.

일반적인 방식으로, 장치, 즉, 홈(2) 및 가능하게는 리지(A)가 동체(1)의 둘 레에 유동하는 유체의 경계 층에 영향을 미친다. 이러한 상태들하에서 상기 요소(2,A)들의 치수들은 동체(1)의 치수들에 비하여 항상 미약하거나 또는 매우 매약하며, 예를 들면 동체(1)의 치수는 20 내지 200 미터인데 반해, 요소들의 치수는 수 센티미터이다.

본 발명은 유체 안에서 움직이는 운송 장치의 항력을 감소시키는데 이용될 수 있다.