JP6714925B2 - リブレット構造及び物体 - Google Patents

Description

本発明は、流体が流れる表面を有する物体及びそのような物体に適用されるリブレット構造に関する。

航空機の表面やパイプライン壁面等にリブレットパターンを設けることで、これらの表面を流れる気体や液体の乱流摩擦抵抗が低減することが知られている。

リブレットパターンは、典型的には、流体が流れる表面を有する物体の表面に断面三角形状で流体の流れ方向に延びる微細なリブレットを所定の間隔をもって多数配置して構成される。

リブレットの開発当初は、その稜線は流体の流れ方向（長さ方向）に対して直線状であったが、近年では正弦波状のものが提案されている（特許文献１、非特許文献１参照）。このような正弦波状のリブレットは、直線状のリブレットより更に抵抗が低減すると報告されている。

ＷＯ ２００９/０００７０３ Ａ１

Ｐｅｅｔ ｅｔ ａｌ., "Ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ Ｄｒａｇ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ Ｕｓｉｎｇ Ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ Ｒｉｂｌｅｔｓ ｗｉｔｈ Ｔｉａｎｇｕｌａｒ Ｃｒｏｓｓ−Ｓｅｃｔｉｏｎ", Ｐｒｏｃ. Ｏｆ ｔｈｅ ３８ｔｈ ＡＩＡＡ Ｆｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｘｈｉｂｉｔ, Ｎｏ. ＡＩＡＡ−２００８−３７４５, ２００８.

正弦波状のリブレットは、正弦波状となった稜線の振幅を大きくとれば表面を流れる流体の乱流摩擦抵抗をより大きく低減する効果が得られる。しかしながら、そのように稜線の振幅を大きくすると、リブレットに対する流体の圧力抵抗が大きくなる。つまり、流体の乱流摩擦抵抗と流体の圧力抵抗とは、正弦波状のリブレットの振幅の大きさに対してトレードオフの関係になる。従って、正弦波状のリブレットにおいて、リブレットに対する流体の全抵抗、つまり乱流摩擦抵抗と圧力抵抗とを加算した抵抗をある程度以上は低減できないという問題がある。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、乱流摩擦抵抗と圧力抵抗とを加算した抵抗をより低減することができる波状リブレットを有するリブレット構造及び物体を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係るリブレット構造は、稜線と流体の流れ方向とがなす角度が大きいほど低い高さとされた複数の波状リブレットを有する。

ここで、各前記波状リブレットの稜線は、第１の波長の正弦波状であり、各前記波状リブレットの高さは、前記流体の流れ方向に前記第１の波長の半波長の第２の波長の正弦波状に高低することが好ましい形態である。
また、前記第２の波長の振幅ａは、前記波状リブレットの基準高さをｈとしたとき、０＜ａ≦０．２ｈであることがより好ましい形態である。
本発明の別形態に係る物体は、稜線が波状で、高さが流体の流れ方向に対して周期的に変化する波状リブレットパターンを表面に有するものである。

本発明では、典型的には、波状リブレットにおいて、圧力抵抗が高くなる原因となる位相（リブレットの稜線と流体の流れ方向のなす角度が大きくなる位相）でリブレットの山の高さを低くして圧力抵抗の発生を緩和することで、従来の直線状や波状よりも乱流摩擦抵抗と圧力抵抗とを加算した抵抗を低減することができる。

本発明によれば、乱流摩擦抵抗と圧力抵抗とを加算した抵抗をより低減することができる。

本発明の一実施形態に係る物体の斜視図である。 図１に示した波状リブレットの高さの流体の流れ方向（ｘ方向）の変化を説明するための図である。 図３は波状リブレットの基準高さの流れ方向（ｘ方向）に垂直な断面図である。 風洞試験で得られた各種リブレットの抵抗増加率の曲線を示すグラフである。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る物体の斜視図である。
図１に示すように、物体１は、表面２に波状リブレットパターン３を有する。
物体１は、例えば航空機やプラント、パイプライン等の流体が流れる表面を有するものである。

表面２は航空機でいうと外側の表面である。また、物体１は、シート状の形態であって、それを航空機の所望の位置に張り付け等をするように構成しても良い。パイプラインでいうと、表面２は液体が流れる内側の壁部をいう。
波状リブレットパターン３は、稜線３１が波状で、高さｈが流体の流れ方向Ｄに対して周期的に変化する多数の波状リブレット３０から構成される。

ここで、稜線３１は、典型的には頂角が３０°程度の断面三角形状の頂点がなす線であるが、頂点が角により構成されず頂上が例えば平面や曲面であってもこれらも含まれ、例えばこれらの面がなす長い面を実質的に稜線とみなす。勿論、断面形状も三角形状以外の例えば四角形状などであっても良い。また、波状は、典型的には正弦波状であるが、正弦波状以外の曲面がある程度連続するようであればそれも含む意味である。本発明では、表面２のリブレットパターンのすべてが波状リブレットパターン３であっても良いが、表面２のリブレットパターンの一部の領域が波状リブレットパターン３であっても良い。

図２は図１に示した波状リブレット３０の高さの流体の流れ方向（ｘ方向）の変化を説明するための図である。図２（ａ）は物体１の表面２を上面（ｙ方向）から見た図であり、図２（ｂ）は物体１の表面２を横方向（ｚ方向）から見た図である。図２（ａ）と図２（ｂ）とではｘ方向の位相を一致させている。また、図３は波状リブレット３０の基準高さの流れ方向（ｘ方向）に垂直な断面図である。
図２及び図３に示すように、波状リブレット３０は、稜線３１と流体の流れ方向Ｄとがなす角度θが大きいほど低い高さｈ_ｘとされている。

この実施形態に係る波状リブレット３０の稜線３１は波長λの正弦波状である（図２（ａ）参照）。従って、波状リブレット３０の高さｈ_ｘは流体の流れ方向Ｄに上記正弦波の半波長の波長λ／２の正弦波状に高低（変化）する（図２（ｂ）参照）。例えば、図２（ａ）の稜線３１におけるｘ_１点では稜線３１と流体の流れ方向Ｄとがなす角度θは０であるので、この位置に対応する波状リブレット３０の高さｈ_ｘ１は最大となる（図２（ｂ）のｘ_１点参照）。一方、図２（ａ）の稜線３１におけるｘ_２点では稜線３１と流体の流れ方向Ｄとがなす角度θは最大であるので、この位置に対応する波状リブレット３０の高さｈ_ｘ２は最小となる（図２（ｂ）のｘ_２点参照）。
ここで、波状リブレット３０の稜線３１の振幅Ａは、典型的には
ｔａｎ^−１（２π・λ／Ａ）＝１０°
を満たす値が好ましい形態である。

また、図３に示すように、波状リブレットパターン３における波状リブレット３０のピッチである波状リブレット３０間隔をｓとしたとき、波状リブレット３０の基準高さｈは、
ｈ＝ｓ／２
を満たす値が好ましい形態である。
波状リブレット３０の高さの変化に相当する波長の振幅ａは、上記の基準高さｈに対して、
０＜ａ≦０．２ｈ
を満たす値が好ましい形態である。

ｓ＋＝２０に固定して検討を行った結果、振幅ａが０．２ｈ以下であれば、圧力抵抗が低減し、かつ、摩擦抵抗が低減することが確認できた。
次に、本発明の効果を確認するために行った試験結果を示す。
図４は風洞試験で得られた各種リブレットの抵抗増加率の曲線を示している。
ここでの抵抗増加率は、リブレットの山間隔（上記の間隔ｓに相当）の壁指標ｓ+に対するものである。

図４において、符号４０１は直線状リブレットの抵抗増加率、符号４０２は従来の波状リブレット（高さが一定の波状リブレット）の抵抗増加率、符号４０３は本発明に係る波状リブレットの抵抗増加率を示している。

ここで、直線状リブレットのパラメータは、高さｈ＝ｓ／２（変動値）である。従来の波状リブレットのパラメータは、稜線の波長λ＋＝１１３１（固定値）、振幅Ａ＝０．０３λ（固定値）、高さｈ＝ｓ／２（変動値）である。本発明に係る波状リブレットは、稜線の波長λ＝１１３１（固定値）、振幅Ａ＝０．０３λ（固定値）、基準高さｈ＝ｓ／２（変動値）、振幅ａ＝０．１ｈ（変動値）である。上記のλ，Ａ，ｈは、従来の波状リブレットで最も抵抗低減効果の高い稜線の波長と振幅の組み合わせと考えられるものである。
抵抗増加率（図４のｙ軸）の定義は、
抵抗増加率＝｛（リブレット面での全抵抗）−（滑面での全抵抗）｝／（滑面での全抵抗）
である。滑面とはリブレットがない面である。

計測した範囲（図４のｘ軸）のｓ+においては、直線状リブレットより従来の波状リブレット及び本発明に係る波状リブレットの方が、抵抗低減効果がより高いことがわかる。最も抵抗増加率が小さくなるのはｓ+＝１７〜１８であり、この付近を設計点としてリブレット山間隔の実スケールを決定するのが通常である。図４から、設計点のｓ+＝１７〜１８付近では従来の波状リブレットと本発明に係る波状リブレットではほとんど差はない。しかし、ｓ+が設計点より大きくなるに従って、本発明に係る波状リブレットは従来の波状リブレットと比較すると抵抗低減効果が改善していくことがわかる。

例えば航空機にリブレットを実装する際には、必ずしも設計点付近で飛行できるとは限らないため、設計点以外のｓ+の値に対するロバストネスは重要である。つまり、本発明によって、従来の波状リブレットよりも抵抗低減効果のロバストネスが改善されたといえる。
以上のとおり、本発明によって抵抗低減効果のロバストネスが改善されることが風洞試験によって確認された。

例えば航空機において、抵抗低減率が約１％向上することは、燃料消費削減量にしておよそ３％に相当する。ＣＯ_２排出に換算すると、エアバスＡ３２０（１５０〜１８０席）では１機あたり年間およそ７００トンの削減になり、地球温暖化対策に大きく貢献する。
本発明は様々な技術分野に適用することが可能である。
例えば本発明をプラント、パイプラインに適用することでの流体輸送効率等を改善することが可能である。
また、本発明を流体機械の分野に適用することで、摩擦抵抗を低減することが可能である。

１ 物体
２ 表面
３ 波状リブレットパターン
３０ 波状リブレット
３１ 稜線
Ｄ 流体の流れ方向
ｈ 高さ

Claims (4)

1. 複数の波状リブレットを有し、
   前記複数の波状リブレットのそれぞれは、稜線と流体の流れ方向とがなす角度が大きいほど低い高さとされた
   リブレット構造。
2. 請求項１に記載のリブレット構造であって
   前記複数の波状リブレットのそれぞれの稜線は、第１の波長の正弦波状であり、
   前記複数の波状リブレットのそれぞれおの高さは、前記流体の流れ方向に前記第１の波長の半波長の第２の波長の正弦波状に高低する
   リブレット構造。
3. 請求項２に記載のリブレット構造であって、
   前記第２の波長の振幅ａは、前記波状リブレットの基準高さをｈとしたとき、
   ０＜ａ≦０．２ｈ
   であるリブレット構造。
4. 請求項１、２又は３に記載のリブレット構造を表面に有する物体。