JP2005513385A - 渦輪発生器 - Google Patents

Abstract

流体流れを受ける本体（１２）に結合されるようにした渦輪発生器（１１）であって、渦輪の形で流体流れを生じさせて、その流体流れを、渦輪発生器（１１）から本体上に移動させるようにする渦輪発生器（１１）。

Description

本発明は、流体力学の分野に関し、具体的には、本体に対する流体の流れに関する。さらに具体的に言えば、本発明は、流体に対する本体の相対的運動の間に、本体または胴体への抗力を減らそうと努めている。

本発明は、例えば弾丸、ミサイル、魚雷、潜水艦、航空機を含め（ただし、それらには限定されない）、任意の移動する本体または胴体への利用を参照して、本明細書に述べられている。しかしながら、本発明は、移動する胴体には限定されず、水路、航空路、または他の流体流れフィールドにおける建造物、橋の杭、固定障害物などの固定した本体への抗力を減らすためにも利用されることがある。このような用途は、本明細書には具体的に述べられてないが、本発明の範囲内にあるつもりである。

最適な効率で、胴体を流線形にすることに対する最大の障害は、表面摩擦である。これは、いくつかの形態を取ることもあるが、ただし、通常、境界層の抗力、表面摩擦、粘性、表面張力、キャビテーション、乱流のうちの１つ、あるいは、それらを組み合わせたものである。

現行技術は、上記の抗力を減らし、また、移動する本体または胴体の表面を、できる限り突起をなくして、できるだけ滑らかになるように改めて、その本体または胴体のエネルギー効率を最大限に利用しようと努めるか、あるいは、別法として、滑らかな表面をざらざらにして、サメ、イルカ、またはゴルフボールのものと同様なウェーブ付きの表面を、その本体または胴体に施すように努めている。

この目的は、そばを流れる流体からの抗力の影響を最小限に抑えることである。

抗力をカットしようとする他の試みは、小形の渦発生器を、翼および胴体の他の部分に取り付けることを含んでいる。

さらなる試みは、流体中に胴体が進行する方向に前方に延びている大釘（スパイク）状の突起を取り付けることであった。

一般に、これらの試みの目的は、本体または胴体上に、まっすぐな層流を維持し、また、できる限り分離または乱流を抑制することであった。別法として、くぼみがあるか、または、ざらざらにされた表面、および渦発生器の利用を通じて、この目的は、境界層を崩壊させるために、胴体表面のすぐ近くに、無数の渦を発生させることであった。

本来、これらの手法はすべて、最小限の摩擦で、流体が本体のそばを滑動するのに役立つように設計されている。

本発明の目的は、本体に対して移動する流体の抗力を減らすことである。本発明のさらなる目的は、渦輪（vortex ring）の並はずれた効率を本体が利用できるようにすることである。

この目的のために、本体、例えば魚雷またはロケットは、その本体の突出部に、かつ／または、本体の周りに、本発明による渦輪発生器（vortex ring generator）が付いている。

この目的は、流体流れを本体越しに伝える渦輪を、本体の突出部に作り出し、同時に、この突出部のすぐ前に低圧領域を発生させることである。この低圧領域は、実際は、リング渦のコア（core）である。

発生した渦輪は、その渦輪を構成している流体に対して移動し、また、その渦輪は、断面では、滑動するのではなくて、車輪とそっくりに転がる。有名な流体力学者であるレイノルズは、かって、リング渦に関して、「自然界は、滑動するよりも転がる方を好む」と公言した。

リング渦の効率に大いに寄与しているのが、この機能である。

現在用いられている渦発生器は、航空機上の翼の前縁の上にあるものなど、直線材料または曲線材料の小さなタブから成っている。これらの渦発生器は、翼の表面を横切って流れる渦の乱流場（turbulence field）を発生させる。

本発明は、本体を取り巻く渦輪を発生させて、本体のそばを流れる流体が、この発生した渦輪の中で、そのような機能を果たせるように、とりわけ設計されている。好ましくは、このような発生器は、とりわけ「黄金分割」すなわちＰｈｉ幾何形状（Phi geometry）に基づいて設計されている。Ｐｈｉ幾何形状は、自然界において、抵抗、摩擦、または抗力がもっとも小さい進路を表わすことが判明されている。Ｐｈｉ幾何形状はまた、自然に発生する渦の形状でもある。

よって、本発明は、本体上で流体流れを受ける本体に結合されるようにした渦輪発生器であって、渦輪の形で流体流れを生じさせて、その流体流れを、渦輪発生器から本体上に移動させるようにした渦輪発生器に備わっている。

本発明の好ましい特徴により、渦輪発生器は、「黄金分割」すなわちＰｈｉ幾何形状に基づいて設計されている。

本発明の好ましい特徴により、渦輪発生器は、その作用が向心力によるものである。

さらに他の面により、本発明は、本体に結合されて、本体上を通る流体流れに影響を及ぼすようにした要素であって、「黄金分割」の少なくとも１つの対数曲線に一致する形状を呈する、その流体流れに影響を及ぼすようにした作用面を含む要素から成る渦輪発生器に備わっている。

好ましい実施形態により、渦輪発生器は、本体に結合されていて、作用面を有する１つまたは複数のベーン（vane）から成っており、また、それらのベーンの進路が、本体の周りに、また本体に沿って螺旋状に進行している。

好ましい実施形態により、渦輪発生器は、本体の前方に延びている。

好ましい実施形態により、これらのベーンは渦巻の形を取っている。

本発明の好ましい特徴により、これらのベーンの作用面は、「黄金分割」に従うように設計されている。

好ましい実施形態により、これらのベーンの進路は、「黄金比」に従うように設計されている。

好ましい実施形態により、渦輪発生器は、本体に結合された１つまたは複数の溝を含み、かつ、それらのベーンの進路が、本体の周りに、また本体に沿って螺旋状に進行している。

好ましい実施形態により、これらの溝の進路は、「黄金比」に従うように設計されている。

好ましい実施形態により、渦輪は、流体中に、本体および渦輪発生器を移動させることで、発生する。

好ましい実施形態により、渦輪は、本体に結合された渦輪発生器越しに流体を移動させることで、発生する。

好ましい実施形態により、渦輪発生器は、本体に対して固定される。

好ましい実施形態により、渦輪発生器は、本体に対して移動できるようにしている。

好ましい実施形態により、渦輪は、渦輪発生器の移動により発生する。

好ましい実施形態により、渦輪が発生し、また、動力で渦輪発生器を回転させることで推進がもたらされる。

本発明は、いくつかの特定の実施形態の下記説明に照らして見れば、より完全に理解されよう。

これらの実施形態はそれぞれ、本体に結合され、かつ、本体に対して移動する流体中に渦輪を発生させるようにした渦輪発生器を含む。それぞれの実施形態において、渦輪発生器は、流体の流れに影響を及ぼして、本体のそばを流れる渦輪を形成するようにした作用面を有する流体通路を含む。

前述のように、あらゆる流体は、自然界の自然力の影響のもとに移動しているときに、螺旋状に、または渦状に移動しがちである。これらの螺旋または渦は、一般に、「黄金比」すなわちフィボナッチ数列として知られている数列に従う。

本明細書に述べられるそれぞれの実施形態の作用面の割合が高い表面は、一般に、大部分において「黄金分割」または「黄金比」に基づいて設計され、それゆえ、これらの作用面が、螺旋形を呈する形状であり、かつ少なくとも大部分において、「黄金分割」または「黄金比」の特性に従うことが、これらの実施形態のそれぞれの特徴である。このような「黄金分割」の特性は、図１に示されている。図１は、「黄金分割」または「黄金比」による螺旋曲線の展開を示すものである。この螺旋が展開するときに、等角半径（例えば、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊ）で測定された螺旋曲線の半径の成長オーダ（order of growth）は一定である。これは、ａ：ｂ＝ｂ：ａ＋ｂの公式に従う各シーケンス間のそれぞれの半径を三角形で表現することから図示できる。この公式は、ほぼ１：０．６１８の比に一致し、しかも、この曲線全体にわたって終始一貫している。

これらの実施形態の特徴は、Ｘ軸とＹ軸が「黄金分割」幾何形状に従うだけでなく、Ｚ軸すなわち深さも「黄金分割」幾何形状に従うこと、すなわち、上記のベーンが、三次元において「黄金分割」に従うことである。

これらの実施形態の目的は、リング渦（ring vortex）中に見出される渦度ライン（渦度線、line of vorticity）を２つ作ることである。その目的のために、作用面は、等角の「黄金分割」螺旋で、任意の方向に対数的に膨脹または収縮する。これらの作用面の表面上で任意の２つの点を取る場合に、これらの点は、ほぼ１：０．６１８という相対的な比率を持つことになる。これらの作用面は、任意の回転長さまたは回転数であってもよい。これらの作用面は、渦の内部層流渦度ラインに一致するように、とりわけ設計されている。

図２〜図５に示される第１の実施形態では、渦輪発生器（１１）は、本体（１２）の突出部（１３）の所にある一組のベーンから成っている。本明細書において、突出部という語は、本体のうち、相対的な流体流れが本体に近づく方向に向くようにもくろまれた部分を特定するために使用される。

渦輪発生器（１１）は、渦輪を生み出すやり方で本体に対する流体の流れに影響を及ぼすことで、渦輪を発生させるようにしている。渦輪発生器（１１）を構成するベーンは、本体の突出部から前方に延びており、渦巻の形状を呈している。これらのベーンにはそれぞれ、内部反動面（１４）が設けられている。内部反動面（１４）は、凹面形の形状であり、また、凹面性の三次元彎曲を呈し、それにより、それぞれの方向における彎曲が、「黄金分割」に一致する対数曲線に基づいている。その結果、ベーン（１１）は、共同で、渦輪発生器（１１）の概ね凹面形の内面を画成している。

さらに、それぞれのベーンは、遠い方の反動面（１５）を持っている。遠い方の反動面（１５）は、内部反動面（１４）から遠く離れており、さらに、凹面性の三次元彎曲も呈しており、それにより、それぞれの次元における彎曲が、「黄金分割」による対数曲線に一致しており、また、それにより、それぞれの次元における彎曲が、それぞれの次元における内部反動面（１４）の彎曲と同じ形状である。その結果、遠い方の反動面（１５）は、共同で、これらのベーンの概ね凹面形の表面を画成している。

第１の実施形態を修正変更したものでは、渦輪発生器は、上記突出部には固定状態に取り付けられてはなく、むしろ、本体の軸線と同軸に回転するようにしている。さらに、渦輪発生器を機械的に駆動して回転させ、それにより、本体を推進させ、同時に、渦輪を発生させることがある。

図６と図７に示される第２の実施形態では、渦輪発生器は、本体の表面に、一組の１つまたは複数の溝（２１）を含み、これらの溝（２１）は、本体（２２）の突出部（２３）から、あるいは、突出部（２３）付近で始まって、本体（２２）の尾部（２４）で、あるいは、尾部（２４）付近で終わる。本体に沿った上記溝の進路は、「黄金比」に一致するように設計されたやり方で、本体の周りに螺旋状に進行する。

図８と図９に示される第３の実施形態では、渦輪発生器は、本体の表面から外向きに延びている一組の１つまたは複数のベーン（３１）を含み、これらのベーン（３１）は、本体（３２）の突出部（３３）から、あるいは、突出部（３３）付近で始まって、本体（３２）の尾部（３４）で、あるいは、尾部（３４）付近で終わる。本体に沿った上記溝の進路は、「黄金比」に一致するように設計されたやり方で、本体の周りに螺旋状に進行する。

上記実施形態のそれぞれにおける本体は、理想的には、対数、等角のＰｈｉ螺旋に基づいて設計される。その形状は、あらゆる渦に共通のＰｈｉ渦幾何形状に最適に両立する。言い替えれば、本体は、目に見える渦のキャビテーション・チューブ（cavitation tube）内に見られる空間（スペース）を占有している。

図１１に示されるように、本体１３は、渦１６のコアに納められている。本体の突出部は、上記の実施形態１、実施形態２、または実施形態３を使うことにより、リング渦の幾何形状に厳密に合っている。本体は円錐形であってもよく、その場合、その中空中心により、渦輪に入ってくる流体が、そのコアを通ることができる。

図１０と図１１は、本体に沿って進行／回転するリング渦１６の発生を示している。

運転の際は、流体と本体との相対運動で、作用面１１、作用面２１、または作用面３１と流体が係合して、流体が、対数渦状に回転し始める。流体が、これらの作用面と係合すると、回転運動により、渦輪発生器の基部（渦輪発生器と、本体の突出部との間の境界面）に、低圧エリアが生じる。これにより、本体の境界層抗力が減らされる。リング渦および／または潜在的な渦（ポテンシャル渦）が確立される。図１０に見られるように、リング渦は、本体壁面に沿って、ボールベアリングのように境界層をくるむ。多くの用途では、渦輪は、抜けて、抜け落とされた渦輪の流れを生じさせることになる。本体の背後に残された後流（ウェーク）は、渦輪の形状である。

図１２は、渦輪１６を生み出す第１の実施形態の渦輪発生器１１を示している。そうするためには、渦輪発生器１１と流体間に、相対運動がなければならない。

このような運動は、渦輪発生器１１を回転させるか、固定した渦輪発生器越しに流体を移動させるか、あるいは、流体中に本体および渦輪発生器を推進させれば、発生させることができる。

本発明の範囲は、上述の実施形態の特定の範囲に限定される必要がないものと理解されよう。

本明細書の全体にわたり、その前後関係から特に求められない限り、「ｃｏｍｐｒｉｓｅ（含む）」の語、あるいは、「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ」または「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」などの変形語は、所定の完全体または完全体グループを含めるが、ただし、他の任意の完全体または完全体グループも除外しないという意味に解される。

説明は、以下の添付図面を参照して行われる。

「黄金分割」の形態を示す。 第１の実施形態による渦輪発生器の側立面図である。 第１の実施形態による渦輪発生器の前端面図である。 第１の実施形態による渦輪発生器の後端面図である。 第１の実施形態により、本体に取り付けられた渦輪発生器の側立面図である。 第２の実施形態により、本体に付けられた渦輪発生器の側立面図である。 第２の実施形態により、本体に付けられた渦輪発生器の前端面図である。 第３の実施形態により、本体に付けられた渦輪発生器の側立面図である。 第３の実施形態により、本体に付けられた渦輪発生器の前端面図である。 第１の実施形態と第３の実施形態により、渦輪発生器を有する本体周囲の渦輪の流れを概略的に表わしたものである。 第２の実施形態により、渦輪発生器を有する本体周囲の渦輪の流れを概略的に表わしたものである。 第１の実施形態により、渦輪発生器による周囲の渦輪発生を概略的に表わしたものである。

符号の説明

なし

Claims (19)

1. 流体流れを受ける本体に結合されるようにした渦輪発生器であって、渦輪の形で流体流れを生じさせて、前記渦輪中の前記流体流れを、渦輪発生器から本体上に移動させるようにすることを特徴とする渦輪発生器。
2. 「黄金分割」すなわちＰｈｉ幾何形状に基づいて設計されていることを特徴とする請求項１に記載の渦輪発生器。
3. 作用が向心力によるものであることを特徴とする請求項１または２に記載の渦輪発生器。
4. 前記本体に結合され、かつ、作用面を有する１つまたは複数のベーンから成ることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の渦輪発生器。
5. 前記本体から前方に延びていることを特徴とする請求項４に記載の渦輪発生器。
6. 前記ベーンが渦巻の形を取っていることを特徴とする請求項４または５に記載の渦輪発生器。
7. 前記ベーンの作用面が、「黄金分割」に従うように設計されていることを特徴とする請求項４ないし６のいずれか１つに記載の渦輪発生器。
8. 前記本体の表面に結合された１つまたは複数のベーンから成っており、かつ、前記ベーンの進路が、前記本体の周りに、また前記本体に沿って螺旋状に進行することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の渦輪発生器。
9. 前記ベーンの進路が、「黄金比」に従うように設計されていることを特徴とする請求項８に記載の渦輪発生器。
10. 前記本体の表面に結合された少なくとも１つまたは複数の溝を含み、かつ、前記溝の進路が、本体の周りに、また本体に沿って螺旋状に進行していることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の渦輪発生器。
11. 前記溝の進路が、「黄金比」に従うように設計されていることを特徴とする請求項１２に記載の渦輪発生器。
12. 本体に結合されて、前記本体上を通る流体流れに影響を及ぼすようにした要素であって、「黄金分割」の少なくとも１つの対数曲線に一致する形状を呈する、前記流体流れに影響を及ぼすようにした作用面を含む要素から成ることを特徴とする渦輪発生器。
13. 前記作用面の彎曲が「黄金分割」に従うことを特徴とする請求項１３に記載の渦輪発生器。
14. 固定した渦輪発生器越しに流体を移動させることで、渦輪が発生することを特徴とする渦輪発生器。
15. 前記本体および渦輪発生器を流体中に移動させることで、渦輪が発生することを特徴とする渦輪発生器。
16. 渦輪発生器を移動させることで、渦輪が発生することを特徴とする渦輪発生器。
17. 渦輪が発生し、また、動力で渦輪発生器を回転させることで推進がもたらされることを特徴とする渦輪発生器。
18. 事実上、本明細書に述べられる通りの渦輪発生器。
19. 添付図面を参照して、事実上、本明細書に述べられる通りの渦輪発生器。

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