JPS6328796A - Hydrodynamic wall surface - Google Patents
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Landscapes
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。(57) [Abstract] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.
Description
〔発明の属する分野〕
本発明に空気力学ならびに流体力学的表面上を流れる境
界層乱流の変形に関する。
〔従来の技術ならび〈発明が解決しようとする問題点〕
近年、小形の表面が境界乱流層に対して及ぼす効果に関
して数多くの研究が行われている。いわゆるリプレット
表面で小さな長手方向リプの列が表面上を流れる流体の
流れ方向に表面の乱流境界層領域上に延びたものを設け
る点に特別の注意が払われてきたが、実験結果は正味も
しくは表面抗力金はぼ7憾まで小さくすることができる
ことを示している。
「V溝ならびに横断曲率リプレットの抗力特性」と題す
る論文(粘性抗力低下に関するシンポジウムにおいてM
、J、ウオルシュにより提供された。
1979年11月7−8日)においてリュー、クライン
、ジョンストンによる初期の研究で矩形フィンを使用す
ることによって乱流破裂速度(すなわち、壁に近接し急
境界層乱流内に特徴的に形成される低速の長手方向渦流
もしくは「ストリーク」の破裂速度を小さくすることに
よって抗力を6〜4%小さくすることができるとした点
に触れられた。ウオルシュの論文は代替的な一連のリプ
外形に関する研究を報告し、VglJプレットヲ使用し
て最高7憾の抗力の減少金得ることができたこと、そし
てこのことは実験者が今日まで得ることができたスキン
層摩擦抗力の減少効果のうちで実験的に最大のものであ
ると述べている。
抗力の減少は例えばrAIAA−83−0377゜AI
AA21回宇宙空間科学会議J(1983年1月10−
13日、ネバダ州レノ、R,E、ファルユ氏)の如き一
連の出典により示唆されてきたようにストリークの無作
為なスパン方向運動を制限するりブレットの能力と関連
している。ジョナハンとスミス(AIAA−85−05
47、AIAA−せん断流制御会識、1985年6月1
2−14日、コロラド州ブールダー)はウオルシュがそ
れによって彼の最適の結果を得たV溝すブレットの高さ
より低い円筒形リプレット表面上の制限された領域内に
低速のストリークの部位を定着させ(もしくハ)つく9
だす効果を有することを示(またが、彼らの実験も同様
に3〜8%の抗力の増加を示した。ごく最近、S、W、
ウィルキンソンはりプレットを使用して低速のストリー
ク全定着もしくはつくりだした後ストリークの定着媒体
間に■溝のりプレットヲ使用することによって方形リプ
レット’Th使用し破裂を制御することによってジョナ
ハンとスミスにならおうと試みたがその結果正味抗力の
低下が達成されたかどうかはまだ報告されていない。
以上ならびにその他の以前の研究から報告された結果は
すべてリプレットの効果が幾分限られたものであってそ
のため代わりの解決策が求められている。
米国特許出願第686959号(M、J、ウオルシュ他
−NASA事例LAR−13286−1)には境界層の
外側領域のためのマニプレータとして重ね合わされた大
渦流破壊装置(LEBU’S)を有するリプレット表面
を設けることによってスキン層摩擦をより効果的に減少
させることが提案されているが、かかる構成は複雑さ全
相当増し摩擦、殊に事故による損傷を蒙りやすいという
欠点がある。別の提案(「シャークスキンの抗力減少効
果について」、ベノフヤート、ホッペ、ライフ、AIA
A−85−0546)には、シャークスキン上のスケー
ルの形状に類似した稜線パターン構造上の局部流条件を
使用して接線方向混合効果をつくりだすような形をし之
いわゆる渦流発生器と使用することが適当である旨示唆
されている。
このことによって抗力を大きく減少させることができる
ことが主張されているが、研究者が低抗力特性にあづか
って力があると研究者が結論づけたスケール面を模擬す
ることも本来的に複雑で困難であろう。
幾分複雑な手段でスキン層摩擦を小さくしようとするこ
れらの試みとは対照的に、リブレット表面は損傷を蒙る
ことが少なく、比較的率直に、例えば予備成形例えば押
出し層金切削、もしくは加圧、もしくはあてがうことに
よって成形することができる。かかる表面はもしそれら
がスキン摩擦抗力を大きく小さくすることができるなら
ば使用することが望ましいことは明らかであろう。
リプレットが壁土の境界乱流層に影警を及ぼすメカニズ
ムはまだ十分に理解されていない。もし層流条件に近い
乱流?それらがもたらすということがたとい仮定できる
としても、乱流と層流相当領域において層流のばあいの
スキン摩擦抗力な乱流のばあいのそれより80幅小さく
なるということ全念頭におけばそれらの効率は低い。も
しこの潜在的な改良の相当割合が実現することができる
ならば、リプレット表面?使用することでよって上記の
抗力減少複合系統に対して著しい利点が得られることに
なる。
〔間曙点?解決する之めの手段〕
本発明によれば、空気力学的もしくは流体力学的壁面で
あって該面上の乱流境界層を変化させる几めに収面に対
して流体の流れ方向に延びる一連の長い突起全備え、該
突起が高さの低い複数の突起であるその各々の継起的な
対間に間隔をおいて配置された高い突起?備えたものが
提示される。
突起は実質上連続的なスパン方向列?形成することが望
ましい。また、尖頭形の外形tした大きい突起と小さい
突起?共に形成することも望ましい。
本発明による形状の小さい高さの突起は最近の研究者の
りブレットに相当する。それらは境界層内の乱渦流運動
が表面の全部分、殊に隣接リプレットによシ形成された
溝中へ深く貫通して乱流運動が壁から変位することのな
いような働きを行う。
その外形に応じてそれらはまた境界1−内の長手方向渦
もしくは「ストリーク」の形成と関連するスパンカ向勾
配を抑止し大規模のストリークからエネルギーをとる第
二次的な小規模の長手方向渦を開始させるうえでも若干
の効果を有する。しかしながら、かかるリプレットはこ
れまでごく限られた成果しかもたらさなかった。このこ
とはそれらが渦流の発展自体に対して殆んど影響ケ有せ
ず、全体的もしくは主として受動的な方法でしか機能し
なかったためと思われる。そのばあいにはそれらは渦が
促進する混合と運動量の伝達を緩和することが大部分不
可能で、それが層流と比較して乱流の境界層抗力を増加
させる大きな要素となっている。
しかしながら、もし本発明に従って高さの大きな突起金
一連の高さの小さ721Jプレット間に適当な間隔をお
いて設けられたりブレット(独立に配置することが望ま
しい)として設けるならば、そうでないばあいに表面を
横断して無作為的に移動する長手方向渦もしくはストリ
ークは横力向に制止することが可能なだけでなく、それ
らの自然な間隔より遠くに別々に運動させることができ
る。
ストリークのスパンカ向規模と小さなリプレットのそれ
との間の距離を犬きぐすることによって大きいりブレン
ドに’lそれらストリークからこれらの小さ7Th I
Jブレットが誘起する小規模の二次的渦流へのエネルギ
ー伝達をより、@、速に促進することができ、それらは
小さいリプレット上の領域に浸透する効果をつくりだし
、これらがそこで渦の活動金小さくする点でこれらのり
ブレットの有効性を改善する。この意味で大小のリプレ
ットは共に積極的なやり力で機能することができる。
本発明の形状としては少なくとも高さの大きな突起が突
起の高さに対して変化する角度で傾斜し念側面を有し、
該側面がそれぞれその上下の隣接領域よりも小さな勾配
の中間領域を有し関連突起の凹形の外形尖頭の下方部分
全形成することう;望ましい。
最良の効果金得るには凹側尖頭への移行部は突起により
確立されfc壁の実効高さもしくはそれに近い高さに位
置決めすべきである。該移行部下部の領域はほぼ平面状
の面を有しそれらの最低範囲内の突起間で急峻な側部を
有する一連のV溝?形成するようになっていることが望
ましい。これらはすでに述べたように乱流運m:Jヲ壁
表面から変位させる作用2行うことができる。
有効壁面上で変位された長手方向渦流はその後その異な
った外形によって渦流上に強力に作用するこの領域内に
突出た凹形尖頭により制御される。
凹形面への移行部は実質上鋭いエツジをつけることがで
きるが、丸みをつけるか面取りしfc移行部をつくるこ
とも可能である。凹面は比較的鋭いエツジをつけ念先端
に連続的に彎曲させることが望ましいが、それらを−群
の真直および(もしくは)彎曲し九部分から構成するこ
ともでき、便宜上先端自体を平坦もしくは丸み?つけて
もよい。
〔実 施 例〕
以下、図面に即して本発明を説明する。第1図において
壁面は個々の大きなリプレットR間に8個の均一な小さ
なリブレッ)rの平行群から成る規則的なパターンでス
パン方向で連続的にリブ金つけており、リプは乱流境界
層領域内の表面上の流れ方向へ走り表面上の流れの移行
領域から出発している。流れ方向FIELD OF THE INVENTION This invention relates to the deformation of turbulent boundary layer flows over aerodynamic and hydrodynamic surfaces. [Prior Art and Problems to be Solved by the Invention] In recent years, many studies have been conducted regarding the effect of small surfaces on boundary turbulent layers. Particular attention has been paid to the provision of so-called ripplet surfaces with rows of small longitudinal rips extending over the turbulent boundary layer region of the surface in the flow direction of the fluid flowing over the surface, but experimental results have shown no net effect. Alternatively, it has been shown that the surface drag force can be reduced to about 70%. A paper entitled “Drag characteristics of V-grooves and transverse curvature ripples” (presented at the Symposium on Viscous Drag Reduction)
, J. Walsh. Early studies by Liu, Klein, and Johnston (November 7-8, 1979) used rectangular fins to improve the turbulent burst velocity (i.e., the turbulence characteristically formed in steep boundary layer turbulence close to walls). It was noted that drag could be reduced by 6-4% by reducing the burst velocity of low-velocity longitudinal vortices or "streaks".Walsh's paper was a study of an alternative series of lip profiles. reported that they were able to obtain drag reductions of up to 7 degrees using VglJ prets, and this is one of the experimental skin layer friction drag reduction effects that experimenters have been able to obtain to date. The reduction in drag is, for example, rAIAA-83-0377゜AI
AA 21st Space and Space Science Conference J (January 10, 1983-
This is related to the ability of the bullet to restrict the random spanwise movement of the streaks, as has been suggested by a number of sources such as 13th, Leno, Nev., R.E., Faruyu et al. Jonah and Smith (AIAA-85-05
47, AIAA-Shear Flow Control Conference, June 1985, 1
(2-14 days, Boulder, Colorado) established a site of slow streak within a restricted area on a cylindrical replet surface below the height of the V-groove bullet by which Walsh obtained his optimal results. (Moshika) Tsuku9
(However, their experiments also showed an increase in drag of 3 to 8%.) Very recently, S, W,
Attempted to follow Johnahan and Smith by using Wilkinson beam prets to control rupture by using rectangular repeatlets by using grooved glue prets between the fixation media of the streaks after establishing or creating slow streaks. However, it has not yet been reported whether a net drag reduction was achieved as a result. The results reported from these and other previous studies all indicate that the effectiveness of Ripplet is somewhat limited, thus calling for alternative solutions. U.S. Patent Application No. 686,959 (M, J., Walsh et al. - NASA Case LAR-13286-1) describes a riplet surface with superimposed large eddy current breaking units (LEBU'S) as manipulators for the outer region of the boundary layer. Although it has been proposed to reduce skin layer friction more effectively by providing a skin layer friction, such an arrangement has the disadvantage of considerably increasing complexity and being susceptible to damage due to friction, especially accidents. Another proposal (“On the drag reduction effect of sharkskin”, Benofyat, Hoppe, Rife, AIA
A-85-0546) uses a so-called vortex generator shaped to create a tangential mixing effect using local flow conditions on a ridge pattern structure similar to the shape of scales on sharkskin. It has been suggested that this is appropriate. It has been argued that this can significantly reduce drag, but it is also inherently complex and difficult to simulate scale surfaces that researchers conclude have force due to their low-drag properties. Will. In contrast to these attempts to reduce skin layer friction by somewhat complex means, the riblet surface is less susceptible to damage and can be treated relatively straightforwardly, for example by preforming, e.g. extrusion layer cutting, or by pressing. Alternatively, it can be shaped by applying it. It will be clear that it would be desirable to use such surfaces if they could significantly reduce skin friction drag. The mechanism by which the riplets affect the boundary turbulent layer of wall soil is not yet fully understood. If turbulent flow is close to laminar flow conditions? Even if it can be assumed that the effects of these effects can be assumed, their efficiency should be kept in mind that in the region equivalent to turbulent flow and laminar flow, the skin friction drag in the case of laminar flow is 80 times smaller than that in the case of turbulent flow. is low. What if a significant proportion of this potential improvement could be realized on a replet surface? Its use would provide significant advantages over the drag-reducing composite systems described above. [Akebono point? According to the invention, a series of aerodynamic or hydrodynamic walls extending in the direction of fluid flow relative to a converging surface are used to modify the turbulent boundary layer on the surface. A complete set of long protrusions, the protrusions being a plurality of protrusions of low height, with tall protrusions spaced between each successive pair thereof? What you have prepared will be presented. Are the protrusions a virtually continuous spanwise row? It is desirable to form. Also, a large protrusion with a pointed external shape and a small protrusion? It is also desirable to form them together. The small-height protrusions of the shape according to the invention correspond to the globlets of recent researchers. They serve to ensure that the turbulent eddy movements in the boundary layer penetrate deeply into all parts of the surface, especially into the grooves formed by adjacent replets, so that the turbulent movements cannot be displaced from the walls. Depending on their geometry, they can also suppress the spanker-directed gradient associated with the formation of longitudinal vortices or "streaks" within the boundary 1 - secondary small-scale longitudinal vortices that take energy from the large-scale streaks. It also has some effect on starting the process. However, such replets have hitherto had only limited success. This may be because they had little influence on the vortex development itself and functioned only in a wholly or mainly passive manner. In that case, they are largely incapable of mitigating the vortex-facilitated mixing and momentum transfer, which is a major factor in increasing the boundary layer drag of turbulent flows compared to laminar flows. . However, if, in accordance with the present invention, the large-height protrusions are provided with appropriate spacing between a series of small-height 721J plets or provided as bullets (preferably arranged independently), Longitudinal vortices or streaks moving randomly across the surface can not only be restrained in the direction of lateral forces, but can also be moved separately beyond their natural spacing. By measuring the distance between the spanker scale of the streak and that of the small replet, it is possible to blend these small 7Th I from those streaks into a larger one.
The energy transfer to the small-scale secondary vortices induced by the J-bullets can be promoted faster, and they create an effect that penetrates the area above the small-scale vortices, where they increase the activity of the vortices. Improving the effectiveness of these glue bullets by making them smaller. In this sense, both large and small replets can function with positive force. The shape of the present invention includes at least a protrusion with a large height that is inclined at an angle that changes with respect to the height of the protrusion, and has a mirror surface.
Preferably, each of the side surfaces has an intermediate region of lesser slope than its upper and lower adjacent regions, forming the entire lower portion of the concave profile of the associated protrusion. For best results, the transition to the concave cusp should be established by a projection and positioned at or near the effective height of the fc wall. The region below the transition is a series of V-grooves with substantially planar surfaces and steep sides between the protrusions within their lowest extents? It is desirable that it be formed. As already mentioned, these can perform the action of displacing the turbulent flow m:J from the wall surface. The longitudinal vortices displaced on the effective wall are then controlled by the concave cusps projecting into this region, which by virtue of their different contours exert a strong effect on the vortices. The transition to the concave surface can have a substantially sharp edge, but it is also possible to have a rounded or chamfered fc transition. It is preferable that the concave surface has a relatively sharp edge and a continuous curve at the tip, but they can also be made up of straight and/or curved sections, with the tip itself being flat or rounded for convenience. You can put it on. [Example] The present invention will be described below with reference to the drawings. In Figure 1, the wall surface is ribbed continuously in the span direction in a regular pattern consisting of parallel groups of eight uniform small riblets (r) between individual large replets R, and the ribs are formed by a turbulent boundary layer. Starting from the transition region of the flow on the surface runs in the flow direction on the surface within the region. flow direction
【延びるパターンは表
面の乱流境界層全体にわたって続くことが望ましい。リ
プレットが流体の流れと正確に整合していることは重要
ではなく、10〜15に及ぶ距離は許される。リプレッ
トは全て三角形の外形をつけているがその池の外形も使
用することができ、別の外形としては第2図においてリ
プレットR/ 、 r/ i モって描かれているよう
に1!続する尖頭間に凹形の谷を有する鋭い尖頭形(頂
点は約20°に超えない角度をなすことが望ましい。)
?有することが望ましい。更に、第1図はベース幅がそ
の高さに等しいりプレット?示しているが、ベース幅を
各リプレットの高さの約2倍まで大きくすることが望ま
しい。このことは特に第2図に示したカスプ形外形に関
していえる。
リプレットの望ましい寸法と寸法関係は実際の距離値が
以下の如く定義される「壁単位」スカラー量により乗ぜ
られるいわゆる「壁の法則」変数の無次元形で表現され
る。
ν
但し、τは壁せん断芯カ
ーpは流体密度
νは流体動粘度
例えば、小さいリブレッ)rは15単位の無次元高さh
2有し、同様に15単位のピッチS+に設定される。太
きいりブレラ)Rはこの寸法の3倍で、45単位の高さ
り、、と幅WL k有し、135単位のピッチ3L
f与える。小さいリブレッ)rが存在するため、壁面自
体を超えるそれらの高さの約4分の6の境界乱流に対す
る有効表面が確立される。それ故、大きいリプレットR
の有効高さくb+、e)、即ち、有効表面を超えるそれ
らノ高すはほぼ36単位である。大きいリプレットは有
効表面を超える領域でそれらの無作為のスパンカ向運動
を抑止しそれらの自然なスパン方向間隔を大きくし、更
にストリークから小さなリプレットによシ誘起された小
規模二次渦流へのエネルギーを伝達を促進することによ
って境界層内に形成する流れ方向渦流もしくはス) I
J−りの長い領域を制御する作用を行う。この流れのメ
カニズムのばあい、二つの形のリプレットの作用は大き
なリプレットが境界層に影響を及ぼして抗力の本来的な
低下と関連すると同時に小さなリプレットによる操作に
より適した流れパターンをつくシだす一力、後者は境界
層乱流とその高さを幾分超えて運動させることによって
スキン層摩擦の低下にそれ自身で寄与する点で互いに補
強しあう。小さいリプレットの存在は有効壁部分?変化
させることによってストリークが弱まり、従ってより制
御しやすくなるほど壁せん断応力金小さくすることが可
能である。
第5図ハ継起する大きなりブレットRどうしの間に唯一
対の小さ721Jプレツトを有し、その内部に継起的q
IJプレットが平坦な谷によって隔離された別のリプ
レット模様?示す。第6図の特殊列のばあい、小さなリ
プレットはそれぞれ15の壁単位のhとS を有する。
大きいりプレットは30単位の高さhr、 k有し、勿
論パターン反復であるそれらのピッチS、は45単位で
ある。
第2図と第6図の如き丸いもしくは平坦な底をした谷の
形を用いるばあいには、特に、それらのピッチに対して
小さなリプレットの高さ金小さくする方が望ましいかも
しれない。第4図は継起した大きなりプレン)Hの間に
7つの小さなリブし・+−1+
ットrf有し、h−,5=3.5i単位、hL=i。
単位、および5L=49単位の一列金示し友ものである
。
リプレットの寸法と外形のその他の多くの変形は発明の
範囲内で可能である。比h:3は小さなリプレットに関
してFi12より小さくなくもなく2:1よりも大きく
もないことが望ましい。但し、大きいりプレットについ
てはそれらに刃状の外形?与える範囲でもつと大きなア
スペクト比h:wも容易に許容することができる。寸法
に関する限り、低速流のばあい無次元壁単位においては
以下のものが望ましい寸法範囲である。
小さなリプレットrのばあい
2(h (20、但し、5(h(15が望ましい。
6(s(40、但し10(s (20が望ましい。
大キナリブレットRのばあい、
8 (h+、 e (45、但し15(hLe (35
40<れく240、但し80くれく13〇一般的にいっ
て大きなりプレットのベース幅WL+は60壁単位より
小さく維持されることになろう。
上記範囲内の変更はそれぞれのノ(ラメータについて独
立に行うことができるが大きいりプレットは小さなリプ
レット上部に突き出なければならないことはいうまでも
なく、8壁単立の最小限の突出が望ましい。更に、S
O8+、に対する関係は常に少なくとも2つの小さなリ
プレットヲ継起する大きなリブレット間に差込むことが
可能にするようなものでなければならない。
第5図はりプレットの外形全変化させた本発明の範囲内
にあるもう一つの壁表面リプレットパターンを示す。第
1図列と同様に、本例の小さなリプレットrは壁面を超
える15単位の無次元高さh+を有し、同様に15単位
のピッチS+に設定される。大きなりプレットRはそれ
らのピッチ3L+が135単位となるような45単位の
高さ+
ht、 と幅WL 全盲する。
小さ71]プレツ)rは境界層乱流に対して壁面6+
自体をほぼ■h 上部る有効表面を確立し、その水準以
下ではりプレットは全て平面状の傾斜側面?有する。有
効表面の水準忙おいては小さな傾斜への移行部tが存在
し、リプレットは第2図に示したりプレットの凹形に類
似して凹形の側面を有する変曲点から鋭い尖頭形先端へ
と上部方向に連続している。有効壁面上部において太き
いりプレットRは63の壁亀位の高さくhLe )を
有するが、小さいリプレットのそれに対応する高さくh
e )は6単位である。
異なった外形領域は異なる作用を行うためのものである
。有効壁面下部の領域は乱流渦運動の浸透をより良く抑
止することのできる比較的深いV溝を形成するが、−力
、有効壁面を超える凹面は境界層乱流内の大きなストリ
ークからエネルギーを排出する非常に小規模の長手方向
渦流とより効果的に促進することができる。その機能?
効果的に果すために凹面は比較的鋭いエッヂをした尖頭
?形成すべきである。
上述の効果は図示された変形傾斜側面のばあい、少なく
とも実質上達成できる点が理解されよう。
特に、実際的な理由からりプレット面の変曲点もしくは
尖頭?鈍くすることが望ましいかもしれない。すなわち
、これらの面は上記機能に対して要求される外形の一般
的性格ケ不当に変化させずに有効壁面の下部と上部の双
方に真直ぐな(もしくば)彎曲し九部分?備えることも
できる。
継起する大きなりプレット間の小さなリプレットの数は
図の8の群よりも大きくすることも小さくすることもで
きるーが1両一連のりプレ7)の外形は変更することが
できる。もし大きいリブレノトがス) IJ−りを所定
位置に配置するだけの動きしかもたないならば、それら
の尖頭は平坦もしくは丸めてそれらの動きを損なわずに
それらの固有抗力を小さくすることができる。しかしな
がら。
もしそれらがストリークの力を小さくするために使用さ
れるばあいには、頂部尖頭は保持され、形を別の形に変
更することによって更に強調してもよい。同様にして、
小さなリプレットの外形はそれらの働きに従って変更す
ることができる。
もしその前縁部でリプレットが切り立った前縁部と会合
する流れと関連した抗力増分を避けるために壁面内へフ
ェアリングされるばあいには、そのことによって性能が
改善されよう。濡れ惣領域金小さくするためにはりブレ
ットにより与えられる利点?犠牲にせずに2δの流れ方
向の長さよりもそれ自体大きなりブレット領域どうしの
間の流れ方向に境界層厚さδより小さな短いスパンカ向
に延びる隙間を有することも同様に可能である。
ここでは我々の同時特許出願(事fす1l−r境界層流
の制御」ならびに事例1−r境界層流の制御」)の主題
についてふれたい。なぜなら、これらの他の形状は本特
許出願(事flJ I )のそれと組合せて共同もしく
は別個に使用することができるからである。事flJ
[のばあい、乱流境界層のスキン層摩擦の低下は各パタ
ーン中の隣接突起が異なった高さに突出たスパンカ向へ
の反復パターンに配置された一連の長い突起を使用する
ことによって得られる。かかる形状は第6図に示したよ
うに本発明と共に使用することができ、継起する大きな
突起Rどうしの間の高さの小さい突起rl+r2 の
群は大きな突起間の内側境界層領域により効果的に作用
し該大きな突起の存在によるそれに加えてスキン層摩擦
の減少を得るように所与の異なる高さをすることができ
る。この着想は2つの異なった高さの突起どうしの間に
隣接した均一な高さの突起群が存在し、例えば第6図の
列におけるように全突起r2 が小さな突起r、
により取替えられるパターンにおいて中心の突起を省略
したりブレットパターンにおいても実現することができ
、この最後の構成は湿潤した領域が小さくなるという利
点を有する。その効果を維持するために、中間高さ17
) U フレットの排除は50壁ユニット以上のスパン
?有する最小リプレットの群を残さない程度に限定すべ
きである。
その他の用途列に説明される如く異なった高さの小さな
突起群の役割は均一な高さの小突起のばあいに可能なよ
りも更に有効壁面を変位することである。変化する高さ
の小さな突起群と交代する大きな突起は上述のス) I
J−り制御機能全行使するためである。その目的のため
にそれらは高さの低い突起の何れよりも有効壁面より相
当上部に延びなければならない。我々の事例■では交互
になった2つの高さのv溝すブレlトと、大きなりブレ
ラ)r2 の有効高さてとって与件である有効壁位置
を確立する高さh の小さZ IJプレットr。
の列が示されている。もしリブレJ トr2の有効高さ
をこのばあい本出願において先に述べた高さの大きいり
ブレットRの有効高さh+、e と区別して+
h4e と名づけるならば、新しい有効壁位置H+は
o、75h、 の領域の高さにあることになる。
すなわち、
0.75(b4e +0.75h )(H((0,
75hIe +0.75h )
高さの大きいリプレットのり、、、 の実質的壁位置
以上の有効高さは少なくとも8壁単位大きい、すなわち
、最初の壁面からのそれらの高さり、、は)8+0.7
5(hle +0.75h ) となる。
事例】のばあい、乱流境界層を変更するために壁面上に
設けられた長い突起が与えられて第7図に示したように
流体の流れ方向に壁面に沿う距離と共に高さを累進的に
大きくする。このことはそれらが継起する大きな突起間
に複数の均一な高さの低い突起から構成されているにせ
よ、あるいは小さな突起が流れ方向に任意の特定ステー
ションでそれ自体具なる高さであるにせよ上記突起形状
について行なうことができる。
上述の記載において直接ふれてはいないが我々の事しリ
■および■に開示された他の特徴は異なる形状を任意に
組合せて組込むことが可能なこと?理解されたい。それ
らの出願の主題の更に詳細については我々の事例11.
Iの仕様に直接ふれることができる。
先にふれたりプレスト寸法は相対的に低い自由な流速(
U)で約0.3以下のマツ・・数(M)について行われ
た実験結果から適当なように思われる。
しかしながら、寸法の変更、殊にリプレットの高さはよ
り高い速度とマツハ数については望ましいということが
判った。突起の流れ方向長さは殊に約0.4M以上のマ
ツハ数のばあいに最適寸法に重要な影響を有するように
思われるであろう。約1mの流れ方向長さを有する単一
高さのV溝すプレットの均一な配列を有する風胴試験は
高速で最適の結果?与えるために要求される壁単位によ
る寸法の変更の同圧である。リプレットの前縁部でリプ
レット寸法全与える次の表は0.1 Mの範囲の先の低
速結果II) 、 +21との関連において0.4〜0
.9Mの範囲のマツハ数によるこれらの試験131 、
+41 、 +51からのデータ?示したものである
。
リプレット高さ/スパン
h Is ReL
壁単位
flll 3 0.8 x 10’
12)15 3x10’
f3N 7 5x 10’
(4)20 10x10’
(512515x10’
L
Ret、’d長さレイノルズ数=−t LUリプν
レットの長さである。
これらの結果は最適の結果を得るには、低速リブレット
の@縁部ではROL = 1 X I Q における低
速リブレットに比し10倍のRe+、の増加に対して約
50cl)の壁単位のリプレット高さの増加が必要であ
ることを示すものである。すなわち、所与の自由流れの
速度に対してリプレットの長さが10倍増加するととも
にリプレットの高さが504増加しなければならないと
いうことである。
最適度を決定する要素は数多く複合的である。
は断続を有する伏在する本体の形と、リブレット列の範
囲に対する非均−U値の可能性とはそれ以上の影響全導
入し、最適リブレット寸法の経験的な評価が必要となる
かもしれない。しかしながら、リプレットの前録高さお
よび多分その間隔を増加することによ、りReLの補償
が得られるならば、−般的な目的のためには上記列を論
する上で提示した低速値に関してReL(h+a Re
b ) に対する壁単位でのリプレットの前献高さの
適当な計数逓減率は1:2Q〜1:乙の範囲になければ
ならないことが示唆される。同様にしてそれと同時に出
願の我々のもう一つの特別出願の事例1によジ詳細に論
じられている如く、Re L にかかわりなく列の長
さに沿ってリプレット高法の増加全目盛ることが望まし
い。
〔発明の効果〕
本発明は一般的にいってスキン層摩擦の減少が求められ
る機体の壁面に適用することができる。
それ故、それは航空機、陸上運輸手段、水上飛行機を含
む車両の外側表面に対する抗力を小さくするための手段
全提供することができる。それはまたターボ機の回転お
よび固定羽根の如き機械やパイプや導管の内側表面に対
して使用することができる。
本発明は関係する機体と一体に表面突起を形成し、同時
にその上部に必要な表面形状?与えるために機体に装着
される突起を有するシートもしくはテープの如き表面部
材を提供する可能性を含むものである点?理解されたい
。[The extending pattern preferably continues throughout the turbulent boundary layer at the surface. It is not critical that the replets be precisely aligned with the fluid flow; distances ranging from 10 to 15 are permissible. All replets have a triangular outline, but the outline of the pond can also be used, and another outline is 1! Sharp cusps with concave valleys between successive cusps (apexes preferably form an angle of no more than about 20°).
? It is desirable to have one. Furthermore, in Figure 1, the base width is equal to its height, or is it a pret? Although shown, it is desirable to increase the base width to approximately twice the height of each replet. This is particularly true with respect to the cusp profile shown in FIG. The desired dimensions and dimensional relationships of the replets are expressed in dimensionless form in a so-called "wall law" variable in which the actual distance value is multiplied by a "wall units" scalar quantity defined as follows. ν where τ is the wall shear core car p is the fluid density ν is the fluid kinematic viscosity
2, and is similarly set to a pitch S+ of 15 units. R is three times this dimension, has a height of 45 units, width WLk, and a pitch of 3L of 135 units.
f give. Due to the presence of small riblets) r, an effective surface for boundary turbulence of about six quarters of their height above the wall surface itself is established. Therefore, the large replet R
The effective heights of b+, e), i.e. their heights above the effective surface, are approximately 36 units. Larger replets inhibit their random spanwise motion in the area beyond the active surface, increasing their natural spanwise spacing, and also transfer energy from the streaks to small-scale secondary vortices induced by small replets. A streamwise vortex or s) that forms in the boundary layer by promoting the transmission of
It acts to control the long region of J-ri. In this flow mechanism, the action of the two types of ripples is one in which the large ripplets influence the boundary layer and are associated with an inherent reduction in drag, while at the same time creating a flow pattern more suitable for operation by the smaller ripplets. forces, the latter reinforcing each other in that they themselves contribute to the reduction of the skin layer friction by moving the boundary layer turbulence and somewhat above its height. Is the existence of small replets an effective wall part? By varying the wall shear stress, it is possible to reduce the wall shear stress so that the streak becomes weaker and therefore more controllable. Fig. 5 has only one pair of small 721J plates between successive large bullets R, and there is a successive q plate inside it.
Another ripple pattern with IJ prets separated by flat valleys? show. In the case of the special column of FIG. 6, the small replets each have h and S of 15 wall units. The large plets have a height hr, k of 30 units and their pitch S, which is of course the pattern repetition, is 45 units. Particularly when using rounded or flat bottomed valley shapes such as those of FIGS. 2 and 6, it may be desirable to reduce the height of small replets relative to their pitch. In Figure 4, there are seven small ribs between the successive large planes H, h-,5=3.5i units, and hL=i. units, and 5L = 49 units in one row. Many other variations in the size and outline of the replets are possible within the scope of the invention. Preferably, the ratio h:3 is neither less than Fi12 nor greater than 2:1 for small replets. However, for large oriplet, do they have a blade-like outline? A large aspect ratio h:w can be easily tolerated within the given range. As far as dimensions are concerned, the following is a desirable dimension range for a dimensionless wall unit in the case of low-velocity flow. In the case of a small replet r, 2(h (20, but 5(h (45, but 15 (hLe (35
40<240, but 80+130 Generally speaking, the base width WL+ of large plets will be kept smaller than 60 wall units. Variations within the above ranges can be made independently for each parameter, but it goes without saying that the large replets must protrude above the small replets, and a minimum protrusion of the 8-wall single is desirable. Furthermore, S
The relationship to O8+ must always be such that at least two small replets can be inserted between successive large replets. FIG. 5 shows another wall surface riplet pattern within the scope of the present invention in which the profile of the beam plets is completely changed. As in row 1, the small replet r in this example has a dimensionless height h+ of 15 units above the wall and is also set at a pitch S+ of 15 units. The large platelets R have a height of 45 units + ht, and a width WL such that their pitch 3L+ is 135 units. Small 71] Pret) r establishes an effective surface that extends above the wall surface 6+ itself for boundary layer turbulence, and below that level, all of the beam prets are planar inclined sides? have At the level of the effective surface there is a transition t to a small slope, and the replet has a sharp pointed tip from the point of inflection with concave flanks, similar to the concave shape of the replet shown in Figure 2. It continues upwards. At the upper part of the effective wall surface, the thick replet R has a wall height hLe ) of 63, but the corresponding height hLe of the small replet
e) is 6 units. Different contour areas are intended to perform different functions. While the region below the effective wall forms a relatively deep V-groove that can better suppress the penetration of turbulent eddy motion, the concavity beyond the effective wall can absorb energy from large streaks within the boundary layer turbulence. The discharge can be promoted more effectively with a very small-scale longitudinal vortex. Its function?
Is the concave surface a point with a relatively sharp edge to effectively play? should be formed. It will be appreciated that the above-mentioned effects can be achieved, at least substantially, in the case of the deformed sloped sides shown. In particular, for practical reasons, is there an inflection point or cusp on the pret surface? It may be desirable to make it dull. That is, do these surfaces have straight (or even) curved sections on both the bottom and top of the effective wall surface without unduly changing the general character of the external shape required for the above function? You can also prepare. The number of small repeatets between successive large repeatlets can be larger or smaller than the group 8 in the figure, but the outline of the single-car series repeatlets 7) can be varied. If large librenotes only have enough movement to place the IJ-ri in place, their points can be flattened or rounded to reduce their inherent drag without compromising their movement. . however. If they are used to reduce the force of the streaks, the top cusps may be retained and further emphasized by changing the shape to another shape. Similarly,
The external shape of the small replets can be changed according to their function. Performance would be improved if the ripplet at its leading edge was faired into the wall to avoid the drag increments associated with the flow associated with a steep leading edge. Advantages given by beam bullets to reduce wet area gold? It is likewise possible to have a short spanker-extending gap in the machine direction between the bullet regions which is itself larger than the machine direction length of 2δ without sacrificing less than the boundary layer thickness δ. Here we would like to touch on the subject matter of our concurrent patent applications (Case 1-r Control of Boundary Layer Flow and Case 1-R Control of Boundary Layer Flow). Because these other shapes can be used jointly or separately in combination with those of the present patent application (flJ I). Things flJ
[In the case, a reduction in the skin layer friction of the turbulent boundary layer can be obtained by using a series of long protrusions arranged in a repeating pattern towards the spanker, with adjacent protrusions in each pattern projecting to different heights. It will be done. Such a shape can be used with the present invention as shown in FIG. 6, and the group of small height protrusions rl+r2 between successive large protrusions R is more effective in the inner boundary layer region between the large protrusions. Different heights can be given so as to obtain an additional reduction in skin layer friction due to the presence of the large protrusions. This idea is based on the fact that there is a group of adjacent protrusions of uniform height between two protrusions of different heights, and for example, as in the row of FIG. 6, all protrusions r2 are small protrusions r,
The central protrusion can be omitted in the pattern replaced by or can also be realized in a bullet pattern, this last configuration having the advantage of a smaller wetted area. To maintain its effect, the mid-height 17
) Is the U fret eliminated over a span of 50 wall units or more? should be limited to the extent that no group of minimal replets is left. The role of the small protrusions of different heights, as explained in the Other Applications column, is to displace the effective wall surface further than would be possible with protrusions of uniform height. Groups of small protrusions of varying height and alternating large protrusions are as described above.
This is to exercise all the control functions. For that purpose they must extend considerably above the effective wall surface than any of the lower projections. In our case ■, we have two alternating heights of V-groove brackets and a small Z IJ of height h which establishes the effective wall position given the effective height of r2 Pret r. columns are shown. If the effective height of the Libre J Tor2 is in this case called +h4e to distinguish it from the effective height h+,e of the larger Libre Bullet R mentioned earlier in this application, then the new effective wall position H+ is o, 75h, at the height of the area. That is, 0.75(b4e +0.75h)(H((0,
75hIe +0.75h) The effective height above the substantial wall position of the taller replet glues is at least 8 wall units greater, i.e. their height from the first wall surface is)8 + 0.7
5(hle +0.75h). In the case of [Example], a long protrusion is provided on the wall to modify the turbulent boundary layer, and the height is progressive with the distance along the wall in the direction of fluid flow, as shown in Figure 7. Make it bigger. This is true whether they consist of a plurality of low protrusions of uniform height between successive large protrusions, or whether small protrusions are of their own height at any particular station in the flow direction. This can be done for the above protrusion shapes. Although not directly mentioned in the above description, another feature disclosed in our work ① and ② is that different shapes can be incorporated in arbitrary combinations. I want to be understood. For further details on the subject matter of those applications see our Case 11.
You can directly touch the specifications of I. The tip or presto dimension is relatively low free flow velocity (
This seems to be appropriate based on the experimental results conducted on the number (M) of pine trees with U) of about 0.3 or less. However, changes in dimensions, particularly the height of the replets, have been found to be desirable for higher speeds and Matsuha numbers. The machine direction length of the projections would appear to have an important influence on the optimum dimensions, especially for Matsush numbers of about 0.4M and above. Wind barrel tests with a uniform array of single-height V-groove plets with a streamwise length of approximately 1 m give optimal results at high speeds? It is the same pressure of dimensional change by the wall unit that is required to give. The following table gives the total ripple dimensions at the leading edge of the ripplet: 0.1 M) The lower speed results in the range II), 0.4 to 0 in relation to +21
.. These tests 131 with Matsuha numbers in the range of 9M,
Data from +41, +51? This is what is shown. Replet height/span h Is ReL wall unit flll 3 0.8 x 10' 12) 15 3x10' f3N 7 5x 10' (4) 20 10x10'(512515x10' L Ret,'d length Reynolds number = -t LU These results indicate that for optimal results, for an increase in Re+ of 10 times the @edge of the slow riblet compared to the slow riblet at ROL = 1 This indicates that an increase in replet height per wall of approximately 50 cl) is required. That is, for a given free flow velocity, the length of the replet must increase by a factor of 10 and the height of the replet must increase by 504 times. The factors that determine the degree of optimality are many and complex. The underlying body shape with discontinuities and the possibility of non-uniform U-values on the range of riblet rows may further influence the full introduction and empirical evaluation of optimal riblet dimensions may be required. . However, if compensation of ReL can be obtained by increasing the pre-height of the replets and perhaps their spacing - for general purposes with respect to the low velocity values presented in discussing the above sequences - ReL(h+a Re
b) It is suggested that an appropriate scaling factor of the height of the replet in wall units for (b) should be in the range of 1:2Q to 1:B. Similarly, as discussed in detail in Case 1 of our other special application filed at the same time, it is possible to have an increasing full scale of the replet height along the length of the column, regardless of Re L . desirable. [Effects of the Invention] Generally speaking, the present invention can be applied to the wall surface of an airframe where reduction of skin layer friction is required. Therefore, it can provide a full means of reducing drag on the external surfaces of vehicles, including aircraft, land vehicles and seaplanes. It can also be used on machines such as rotating and stationary blades of turbomachines and on the inside surfaces of pipes and conduits. The present invention forms a surface protrusion integrally with the related fuselage, and at the same time creates a necessary surface shape on the upper part of the protrusion. Does this include the possibility of providing a surface member such as a sheet or tape with protrusions that is attached to the fuselage for the purpose of providing a surface material? I want to be understood.
第1図は本発明によう形成される壁面上の流れ方向に垂
直な壁面の横断面略図、
第2図ないし第7図は独立もしくは任意に組合せて第1
図の形状に適用することの可能な一連の変形断面図。
r・・・小さいリプレット、R・・・大きいリプレット
、十
h ・・・幅、W ・・・幅、SL ・・・ピッチ。
図面の浄書(内容に変更なし)
51./66
手続補正書(於
昭和62年 8月7q日
特許庁長官 小川 邦 夫 殿
1、事件の表示
2、発明の名称
流体力学的壁面
3、補正をする者
事件との関係 出 願 人
住所
名 称 ロールスψロイス・ピーエルシー4、代理人
住 所 東京都千代田区大手帖二丁目2番1号新大手
町ビル 206号室
5、補正命令の日付 昭和62年 7月28日 [有
]送日)3、補正の対象FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a wall surface perpendicular to the flow direction on a wall surface formed according to the present invention; FIGS.
A series of deformed cross-sectional views that can be applied to the shape shown. r...small replet, R...large replet, 10h...width, W...width, SL...pitch. Engraving of drawings (no changes in content) 51. /66 Procedural amendment (August 7q, 1986) Director General of the Patent Office Kunio Ogawa 1, Case description 2, Name of the invention Hydrodynamic wall 3, Person making the amendment Relationship to the case Applicant address name Name: Rolls ψ Royce PLC 4, Agent Address: Room 206, Room 5, Shin-Otemachi Building, 2-2-1 Otecho, Chiyoda-ku, Tokyo, Date of Amendment Order: July 28, 1988 (Japanese) 3. Subject of correction
Claims (1)
して流体の流れ方向に延びる一連の長い突起を備えた流
体力学的壁面において、該突起が高さの小さな複数の突
起であるその継起的な各対間に間隔をおいて配置された
高さの大きな突起から成ることを特徴とする前記壁面。 2、突起が実質上連続的なスパン方向列を形成すること
を特徴とする特許請求の範囲第1項に記載の壁面。 3、突起が少なくとも乱流境界層領域の長さにわたって
流れ方向に延びることを特徴とする特許請求の範囲第1
項ないし第2項に記載の壁面。 4、小さな突起と(もしくは)大きな突起が鋭い尖頭形
であることを特徴とする特許請求の範囲第1項ないし第
4項の何れか一に記載の壁面。 5、突起がり形の外形を有することを特徴とする特許請
求の範囲第1項ないし第4項の何れか一に記載の壁面。 6、突起が尖頭どうしの間に凹形に彎曲した谷を備える
ことを特徴とする特許請求の範囲第1項ないし第4項に
記載の何れか一に記載の壁面。 7、平坦な底をした谷が突起の少なくとも幾つかの間に
設けられることを特徴とする特許請求の範囲第1項ない
し第6項の何れか一に記載の壁面。 8、大きな突起が小さな突起よりも少なくとも8単位大
きな有効高さを有することを特徴とする特許請求の範囲
第1項ないし第7項の何れか一に記載の壁面。 9、継起する大きな突起間に少なくとも二つの異なった
高さの小さな突起が存在することを特徴とする特許請求
の範囲第1項ないし第8項の何れか一に記載の壁面。 10、突起の高さが流れの方向に大きくなることを特徴
とする特許請求の範囲第1項ないし第9項の何れかに一
に記載の壁面。 11、少なくとも高さの大きな突起が突起の高さに応じ
て変化する角度で傾斜する側面を有し、該側面がそれぞ
れその上下の隣接領域よりも小さな勾配の中間領域を有
し関連する突起の凹形尖頭の下部を形成することを特徴
とする特許請求の範囲第1項ないし第10項の何れか一
に記載の壁面。 12、壁の有効高さを超えて延びる突起が全て中間領域
がほぼ壁の有効高さに位置決めされた形で勾配が変化す
る側壁を有することを特徴とする特許請求の範囲第11
項に記載の壁面。 13、突起の長さどうしの間に少なくとも一つの隙間が
存在し、その隙間の幅が隣接突起の長さの半分よりも大
きくないことを特徴とする特許請求の範囲第1項ないし
第12項に記載の壁面。[Claims] 1. A hydrodynamic wall having a series of long protrusions extending in the direction of fluid flow relative to the wall for modifying the turbulent boundary layer above the wall, the protrusions having a plurality of small heights. said wall surface, characterized in that it consists of protrusions of large height spaced between each successive pair of protrusions. 2. A wall according to claim 1, wherein the projections form a substantially continuous spanwise row. 3. Claim 1, characterized in that the protrusion extends in the flow direction over at least the length of the turbulent boundary layer region.
Wall surfaces described in Items 1 to 2. 4. The wall surface according to any one of claims 1 to 4, wherein the small protrusion and/or the large protrusion have a sharp pointed shape. 5. The wall surface according to any one of claims 1 to 4, which has a protruding outer shape. 6. The wall surface according to any one of claims 1 to 4, wherein the protrusion has a concavely curved valley between the cusps. 7. Wall surface according to any one of claims 1 to 6, characterized in that flat-bottomed valleys are provided between at least some of the projections. 8. A wall according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the larger projections have an effective height that is at least 8 units greater than the smaller projections. 9. The wall surface according to any one of claims 1 to 8, characterized in that there are at least two small protrusions of different heights between the successive large protrusions. 10. The wall surface according to any one of claims 1 to 9, wherein the height of the protrusion increases in the flow direction. 11. At least the projection having a large height has side surfaces that slope at an angle that varies depending on the height of the projection, and each of the side surfaces has an intermediate region having a slope smaller than that of the adjacent regions above and below the associated projection. 11. A wall surface according to any one of claims 1 to 10, characterized in that it forms the lower part of a concave point. 12. Claim 11 characterized in that all projections extending beyond the effective height of the wall have side walls of varying slope such that the intermediate region is positioned approximately at the effective height of the wall.
The wall surface described in section. 13. Claims 1 to 12, characterized in that there is at least one gap between the lengths of the protrusions, and the width of the gap is not larger than half the length of the adjacent protrusions. The wall surface described in.
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