JP2015108452A - 気流制御装置および気流制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】流体変動センサなどを備えることなく、変動する気流を容易かつ的確に制御することができる気流制御装置および気流制御方法を提供する。【解決手段】実施形態の気流制御装置１０は、表面を流れる気流を流れ方向に渦流として放出する渦流放出構成部２０と、渦流放出構成部２０の下流側に誘電体を介して配置された、第１の電極４０および第２の電極４１とを備える。第１の電極４０と第２の電極４１との間に電圧を印加して気流の流れ方向に誘起流を発生させ、渦流放出構成部２０の下流側の気流の流れを制御する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、気流制御装置および気流制御方法に関する。

流体機器などにおいて、流体機器内を流れる流体の流れを制御して、流体機器の効率向上や、振動および騒音の低減を図ることは重要である。

流れ制御手段として、流体の一部をプラズマ化してプラズマ誘起流を発生させる技術が進められている。この気流発生装置によれば、平板上に薄い層状の流れを発生させることが可能であり、流れの境界層の速度分布を変化させることができる。そのため、層流から乱流への遷移を強制的に引き起こしたり、渦流を発生させたり、消滅させたりすることにより、流体機器内を流れる流体の流れを制御して、流体機器の空力特性などを改善することができる。

また、２次元対称翼に、上記した気流発生装置を備え、気流発生装置に印加する電圧を間歇的に増減または入切させるパルス変調制御を行うことにより、効率的な気流制御が可能となる。特に、パルス変調の周波数を、翼後流で検出した流速変動の卓越周波数付近に設定した場合に、大規模剥離流れが翼面に引き寄せられる効果が現れることがわかっている。

特開２００７−３１７６５６号公報

松田ら、日本機械学論文集（Ｂ編）７４巻７４４号ｐ１６６７

上記した卓越周波数は、機器の大きさや構造、物体に対する流体の相対速度、流体の粘性などによって変化する。そのため、円柱後流のカルマン渦列のような限られた場合を除いて、その卓越周波数を予測することは困難である。そこで、流体の流速や流入角が変化する動的な流れの場合には、パルス変調制御の周波数を決めるための流体変動センサの設置が必須となり、装置の製作コストを増大させる原因となっている。

本発明が解決しようとする課題は、流体変動センサなどを備えることなく、変動する気流を容易かつ的確に制御することができる気流制御装置および気流制御方法を提供することにある。

実施形態の気流制御装置は、表面を流れる気流を流れ方向に渦流として放出する渦流放出構成部と、前記渦流放出構成部の下流側に誘電体を介して配置された一対の電極とを備える。そして、前記一対の電極間に電圧を印加して気流の流れ方向に誘起流を発生させ、前記渦流放出構成部の下流側の気流の流れを制御する。

第１の実施の形態の気流制御装置の斜視図である。 第１の実施の形態の気流制御装置における、図１のＡ−Ａ断面を示す図である。 第１の実施の形態の気流制御装置の他の構成を示す図であり、図１のＡ−Ａ断面に相当する断面を示す図である。 第１の実施の形態の気流制御装置を備えないときの翼における気流の流れを模式的に示した図である。 第１の実施の形態の気流制御装置を翼の前縁部に備えたときの気流が流れる状態を模式的に示した図である。 図５に示した状態における第１の実施の形態の気流制御装置の表面の気流の流れを拡大して示した図である。 第１の実施の形態の気流制御装置を備え、気流制御装置を作動さていないときの、翼における気流の流れを模式的に示した図である。 第１の実施の形態の気流制御装置を翼の前縁部に備え、気流制御装置を作動さていないときの、気流制御装置の表面の気流の流れを拡大して示した図である。 第１の実施の形態の気流制御装置を翼の前縁側の背側に備え、気流制御装置を作動さていないときの、気流制御装置の表面の気流の流れを拡大して示した図である。 第１の実施の形態の気流制御装置を備え、気流制御装置を作動させたときの、翼における気流の流れを模式的に示した図である。 第１の実施の形態の気流制御装置の他の構成の断面を示す図であり、翼に備えたときの状態を模式的に示している。 第１の実施の形態の気流制御装置のさらに他の構成の断面を示す図であり、図１のＡ−Ａ断面に相当する断面を示す図である。 図１２に示した第１の実施の形態の気流制御装置における、交縁部の近傍に設けられた第１の電極と第２の電極との間に印加される交番電圧の印加タイミングと、下流側構造部に設けられた第１の電極と第２の電極との間に印加される交番電圧の印加タイミングを示す図である。 第２の実施の形態の気流制御装置における、図１のＡ−Ａ断面に相当する断面を示す図である。 第２の実施の形態の気流制御装置における、図１のＡ−Ａ断面に相当する断面において、交縁部を拡大して示す図である。 第３の実施の形態の気流制御装置の斜視図である。 第３の実施の形態の気流制御装置における、図１６のＢ−Ｂ断面を示す図である。 第３の実施の形態の気流制御装置の他の構成の、図１６のＢ−Ｂ断面に相当する断面を示す図である。 第３の実施の形態の気流制御装置における、図１６のＢ−Ｂ断面に相当する断面において、突出部を拡大して示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態の気流制御装置１０の斜視図である。図２は、第１の実施の形態の気流制御装置１０における、図１のＡ−Ａ断面を示す図である。なお、以下の実施の形態において、同一の構成部分には同一の符号を付して、重複する説明は、省略または簡略する。

第１の実施の形態の気流制御装置１０は、表面を流れる気流を流れ方向に断続的に渦流として放出する渦流放出構成部２０を備えている。この渦流放出構成部２０は、図１および図２に示すように、気流が表面３２を流れ、気流の流れ方向に延設された上流側構造部３０と、表面３３が上流側構造部３０の表面３２からステップ状に窪んで気流の流れ方向に延設される下流側構造部３１との境界に形成される段差部２１で構成されている。また、気流制御装置１０は、渦流放出構成部２０の下流側に、一対の電極である、第１の電極４０と第２の電極４１とを備えている。

上流側構造部３０は、気流の流れ方向に行くに伴い気流側に突出する表面３２（傾斜面）を備えている。この傾斜面である表面３２に沿って下流側（下流側構造部３１側）に気流が流れる。

下流側構造部３１は、表面３３が上流側構造部３０の表面３２からステップ状に窪んで気流の流れ方向に延設するように構成されている。すなわち、下流側構造部３１の表面３３は、段差部２１の端部から気流の流れ方向に延設されている。

このように段差部２１は、上流側構造部３０と下流側構造部３１との境界に形成される。段差部２１と上流側構造部３０との境、すなわち、上流側構造部３０と段差部２１との交わる交縁部２２は、角部で構成されている。

ここでは、段差部２１の表面と下流側構造部３１の表面３３とのなす角θがほぼ９０度となるように段差部２１が構成されている一例を示しているが、この構成に限られるものではない。段差部２１の表面と下流側構造部３１の表面３３とのなす角θが、例えば、３０〜９０度の範囲となるように、段差部２１を構成してもよい。

渦流放出構成部２０において、上流側構造部３０の表面を流れてきた気流が交縁部２２を通過すると、交縁部２２と平行な方向に軸を持った渦（横渦）が、流れ方向に断続的に渦流として放出される。この渦流を放出する放出周波数は、卓越周波数ｆｓを中心とするピークを有する分布となる。この卓越周波数ｆｓは、次に示す式（１）により、渦流放出構成部２０の段差部２１の高さＨ、気流制御装置１０の表面を流れる気流の主流速度Ｕの関数で示すことができる。

ｆｓ＝Ａ×Ｕ／Ｈ …式（１）

ここで、Ａは定数である。渦流放出構成部２０の段差部２１の高さＨは、交縁部２２から表面３３またはこれと同一平面上に引いた垂線の長さである。

段差部２１の高さＨは、気流制御装置１０が適用される流体現象の代表長（翼の前縁剥離の場合は翼弦長）の０．１％以下、好ましくは０．０１％以下程度に設定されることが好ましい。または、段差部２１の高さＨは、レイノルズ数が１×１０^４〜１×１０^７の範囲内で実際の寸法が５μｍ以上５００μｍ以下、または１０×Ｕ/ν以下（Ｕは主流速、νは動粘度）に設定されることが好ましい。

これらの範囲が好ましいのは、気流制御装置１０の機能が必要でない場合に、その構造が流体抵抗の原因にならない程度の段差にする必要があり、摩擦抵抗を支配する乱流境界層の粘性低層の厚さ以下にする必要があるからである。

第１の電極４０および第２の電極４１は、下流側構造部３１に配置されている。第１の電極４０は、一方の表面４０ａが下流側構造部３１の表面３３と同一面となるように下流側構造部３１に設置されている。なお、第１の電極４０は、一方の表面４０ａを露出しないように、下流側構造部３１内に埋設されてもよい。

第２の電極４１は、第１の電極４０から気流の流れ方向にずらして離間され、下流側構造部３１内に埋設されている。第２の電極４１は、第１の電極４０よりも下流側構造部３１の表面３３から深く埋設されている。

第１の電極４０および第２の電極４１は、図１に示すように、ケーブル５０を介して第１の電極４０と第２の電極４１との間に電圧を印加する放電用電源５１と接続されている。

放電用電源５１は、第１の電極４０と第２の電極４１との間に交番電圧を印加することができる。また、放電用電源５１は、第１の電極４０と第２の電極４１との間に、交番電圧の周期と異なる周期で、間歇的に電圧を増減または入切して印加するパルス変調機能を備えてもよい。

放電用電源５１によって印加される交番電圧の周波数、またはパルス変調周波数は、渦流放出構成部２０から断続的に放出される渦流の卓越周波数ｆｓに近い周波数とすることが好ましい。具体的には、これらの周波数は、卓越周波数ｆｓの±１０％に制御されることが好ましい。この範囲が好ましいのは、後述するように、この範囲内であれば放電のエネルギで効率的に渦流の放出現象を共鳴させ、渦流を強化することができるからである。

ここでは、第１の電極４０および第２の電極４１が下流側構造部３１に直接備えられた構成を示している。そのため、下流側構造部３１は、誘電材料で構成される。誘電材料は、特に限定されるものではなく、公知な固体の誘電材料で構成される。例えば、電気的絶縁材料である、アルミナやガラス、マイカなどの無機絶縁物、ポリイミド、ガラスエポキシ、ゴムなどの有機絶縁物などが挙げられ、用途に応じて最適な誘電材料を選択して使用する。

ここでは、上流側構造部３０と下流側構造部３１とを一体的に形成した一例を示しているため、上流側構造部３０も下流側構造部３１と同じ材料で構成されている。なお、上流側構造部３０と下流側構造部３１は、それぞれ別個に形成されてもよい。この場合、上流側構造部３０は、誘電材料で構成される必要はなく、下流側構造部３１と異なる材料で構成することができる。別個に形成された上流側構造部３０と下流側構造部３１は、例えば、双方の接合部に接合構造を備えることで接合されたり、接着材料などにより接合される。

なお、第１の電極４０および第２の電極４１は、下流側構造部３１に直接備えられる構成に限られるものではない。図３は、第１の実施の形態の気流制御装置１０の他の構成を示す図であり、図１のＡ−Ａ断面に相当する断面を示す図である。

図３に示すように、一対の電極は、誘電材料で構成される誘電構造体６１に第１の電極４０および第２の電極４１を備えた、取り外し可能な電極ユニット６０として構成されてもよい。この場合には、下流側構造部３１を誘電材料で構成する必要はなく、用途に応じた任意の材料で構成することができる。

次に、第１の実施の形態の気流制御装置１０の動作について説明する。

ここでは、翼７０の前縁部に気流制御装置１０を備えたときの気流が流れる状態について説明するが、比較のため、まず、気流制御装置１０を備えないときの翼７０における気流の流れについて説明する。

図４は、第１の実施の形態の気流制御装置１０を備えないときの翼７０における気流の流れを模式的に示した図である。なお、図４には、翼７０の前縁部の表面における流れを拡大して示している。

図４に示すように、翼７０の前縁付近のよどみ点７０ａ付近において、境界層が不安定により、微細な横渦が発生する。これらは下流に流下するにつれ、合体、成長し、剥離点Ｓにおいて大規模な剥離泡として放出される。このときの大規模な剥離渦の放出周波数は、主に、翼型および主流速度に依存するが、剥離渦の種ともいえる微細な横渦の放出周波数は、主流の乱れ状態や翼表面の状態によって依存され、正確に予測することが難しい。

気流制御装置１０において発生させるプラズマをパルス変調で制御する場合は、パルス変調周波数をこの微細な横渦に同調させることが必要であるが、その周波数の予測が難しい。そのため、表面圧力センサなどのセンサによって周波数を検出する必要が生じ、装置のコストを増加させる。

次に、第１の実施の形態の気流制御装置１０を翼７０の前縁側の背側に備えたときの動作について説明する。

まず、翼７０の迎角が小さいときの流れについて説明する。

図５は、第１の実施の形態の気流制御装置１０を翼７０の前縁側の背側に備えたときの気流が流れる状態を模式的に示した図である。図６は、図５に示した状態における第１の実施の形態の気流制御装置１０の表面の気流の流れを拡大して示した図である。

ここで、気流制御装置１０は、例えば、図５に示すように、上流側構造部３０の傾斜する表面３２を構成する部分のみが、翼７０の表面から突出した状態となるように、翼７０に設置される。すなわち、翼７０の表面を流れてきた気流が、段差などを通過することなくスムーズに上流側構造部３０の表面３２上を流れるように構成されている。

図５および図６に示すように、翼７０の迎角が小さいときには、気流は、翼７０の表面に沿って流れる。翼７０の前縁から背側に流れる気流は、気流制御装置１０上を通過して、後縁側に流れる。この際、大規模な剥離は生じない。

図５に示すように、気流が渦流放出構成部２０の交縁部２２を通過する際、小規模な剥離とその下流側での再付着が生じる。このように、渦流放出構成部２０から剥離に伴うスケールの小さな、交縁部２２に並行な軸を持った渦流（横渦）が流れ方向に断続的に放出される。この渦流の放出周波数は、卓越周波数ｆｓを中心とするピークを有する分布となり、上記した式（１）に示したように、渦流放出構成部２０の段差部２１の高さＨおよび気流制御装置１０の表面を流れる気流の主流速度Ｕの関数で示される。翼厚や翼弦長に対して、段差部２１の高さＨを小さくすることで、渦流放出構成部２０を通過する際に生じる剥離や再付着の翼の揚力特性に及ぼす影響は無視できる程度となる。

次に、翼７０の迎角が大きいときの流れについて説明する。

図７は、第１の実施の形態の気流制御装置１０を備え、気流制御装置１０を作動さていないときの、翼７０における気流の流れを模式的に示した図である。なお、図７には、翼７０の前縁部の背側の表面における流れを拡大して示している。図８および図９は、第１の実施の形態の気流制御装置１０を翼７０の前縁側の背側に備え、気流制御装置１０を作動さていないときの、気流制御装置１０の表面の気流の流れを拡大して示した図である。

図１０は、第１の実施の形態の気流制御装置１０を備え、気流制御装置１０を作動させたときの、翼７０における気流の流れを模式的に示した図である。なお、図１０には、翼７０の前縁部の表面における流れを拡大して示している。

図７に示すように、翼７０の迎角を大きくすると、気流が渦流放出構成部２０の交縁部２２を通過する際に横渦が発生し、この横渦が流れ方向に断続的に放出される。この横渦は、交縁部２２の下流側において、図８に示した付着した状態と、図９に示した剥離した状態を交互に繰り返す、非定常な状態となっている。

そして、この横渦が、下流に流下するにつれ、合体、成長し、境界層厚さが厚くなり、剥離点Ｓにおいて大規模な剥離泡として放出され、流れが大規模に剥離する。剥離点Ｓの位置は、翼７０の形状や主流速度などによって定まる。

この大規模な剥離を生じる場合に、気流制御装置１０を作動させる。第１の電極４０と第２の電極４１との間に放電用電源５１によって交番電圧を印加して、表面上にプラズマを生じさせる。プラズマ中のイオンが電界から受ける力が気体に伝達されることで、プラズマ誘起流が発生する。

なお、プラズマ誘起流は、気流の流れ方向に流れるように発生させることが好ましい。プラズマ誘起流が発生すると、プラズマ誘起流により気流の境界層の低速度部分が加速され、速度分布に有効な影を与える。

例えば、交番電圧を印加した場合、プラズマは交番電圧の周波数によって断続的に発生するため、プラズマ誘起流は交番電圧の周期に合わせて断続的に発生する。また、交番電圧を印加する際、電圧の印加を断続的に制御するパルス変調制御を行った場合、プラズマ誘起流は、このパルス変調制御の周波数に対応して断続的に発生する。

交縁部２２の下流側における横渦の状態は、前述したように非定常な状態ではあるが、例えば、交番電圧を印加する周波数またはパルス変調の周波数ｆｃ、つまり断続的に発生するプラズマ誘起流の周波数を、渦流放出構成部２０から放出される渦流の卓越周波数ｆｓに同調させると、交縁部２２から放出されていた横渦が共鳴してエネルギが注入され、横渦が強化される。

そして、強化されて断続的に放出された横渦どうしの干渉で縦渦が生じ、その縦渦構造によって境界層内の高速部分と低速部分の運動量の交換が進み、境界層の低速部分が顕著に加速される。

そのため、図１０に示すように、大規模な剥離が抑えられ、気流の流れは翼表面に沿って付着するように流れる。これにより翼の場合、揚力が向上するなどの効果が得られる。なお、大規模な剥離が完全に抑えられない場合でも、気流の流れが翼側に引き寄せられることで圧力分布が改善され、揚力が向上するなどの効果が得られる。

ここで、上記した交番電圧を印加する周波数またはパルス変調の周波数ｆｃは、前述した式（１）の関係式から算出された、渦流の放出周波数における卓越周波数ｆｓに基づいて設定される。なお、周波数ｆｃは、卓越周波数ｆｓと完全に等しくなくとも、卓越周波数ｆｓに対して±１０％の範囲の値であれば気流制御の十分な効果が得られる。渦流の卓越周波数ｆｓと、交番電圧を印加する周波数またはパルス変調の周波数ｆｃとが等しくない場合には、卓越周波数ｆｓが周波数ｆｃに収斂する。

渦流の放出周波数における卓越周波数ｆｓは、前述した式（１）の関係式から、渦流放出構成部２０の段差部２１の高さＨ、気流制御装置１０の表面を流れる気流の主流速度Ｕに基づいて算出することができる。そのため、例えば、段差部２１の高さＨ、気流の主流速度Ｕの様々な組み合わせに基づく卓越周波数ｆｓをデータベース化しておくことで、運用時には主流速度のみを定めることで卓越周波数ｆｓを決めることができる。そのため、交番電圧の周波数制御を容易に行うことができる。

上記したように、第１の実施の形態の気流制御装置１０によれば、交番電圧を印加する周波数またはパルス変調の周波数ｆｃを制御することで、流体変動センサなどを備えることなく、変動する気流を容易かつ的確に制御することができる。また、交番電圧を印加する周波数またはパルス変調の周波数ｆｃは、渦流の放出周波数における卓越周波数ｆｓに基づいて設定することができる。また、この卓越周波数ｆｓは、渦流放出構成部２０の幾何学的形状などで定めることができるため、気流の乱れ度や気流が流れる物体表面の状態などを考慮することなく、卓越周波数ｆｓを容易に設定することができる。

ここで、第１の実施の形態の気流制御装置１０の構成は、上記した構成に限られるものではない。図１１は、第１の実施の形態の気流制御装置１０の他の構成の断面を示す図であり、翼７０に備えたときの状態を模式的に示している。

図１１に示すように、上流側構造部３０の表面３２を気流の流れに平行に沿う平面としてもよい。この場合には、翼７０の表面を流れてきた気流が、翼７０の表面から突出する部分を有さないように、気流制御装置１０全体が翼７０に埋設されている。これによって、気流が、段差などを通過することなくスムーズに上流側構造部３０の表面３２上を流れる。

翼７０の表面に繋がる下流側構造部３１の端部側の表面は、下流側構造部３１の表面上を通過した気流が、段差などを通過することなくスムーズに翼７０の表面上を流れるように構成されている。

なお、上流側構造部３０の表面３２は、気流の流れに平行に沿う平面以外にも、例えば、気流の流れ方向に下方に傾斜する傾斜面で構成されてもよい。

このように上流側構造部３０を構成した場合においても、上記した、上流側構造部３０の表面３２が、気流の流れ方向に行くに伴い気流側に突出する傾斜面で構成された場合と同様の作用効果を得ることができる。なお、いずれの場合においても、渦流放出構成部２０の段差部２１の高さＨは、前述した範囲に設定される。

また、ここでは、下流側構造部３１のみに、プラズマ誘起流を発生させるための第１の電極４０および第２の電極４１を備えた一例を示したが、この構成に限れるものではない。図１２は、第１の実施の形態の気流制御装置１０のさらに他の構成の断面を示す図であり、図１のＡ−Ａ断面に相当する断面を示す図である。

図１２に示すように、例えば、交縁部２２の直上流側の上流側構造部３０に、さらに第１の電極４０および第２の電極４１を備えてもよい。これによって、交縁部２２の直上流側の上流側構造部３０の表面３２に、プラズマ誘起流を発生させることができる。なお、第１の電極４０を交縁部２２の直上流側の上流側構造部３０の表面に設け、第２の電極４１を交縁部２２の直下流側の段差部２１の表面に近い位置に埋設してもよい。

交縁部２２の近傍に設けられた第１の電極４０と第２の電極４１との間に交番電圧を印加する電源は、放電用電源５１と別個に設けてもよいし、放電用電源５１を併用してもよく、第１の電極４０と第２の電極４１との間に、交番電圧の周期と異なる周期で、間歇的に電圧を増減または入切して印加するパルス変調機能を備えてもよい。

このように、交縁部２２の近傍にもプラズマ誘起流を発生させることで、渦流放出構成部２０における渦流を放出する卓越周波数ｆｓの調整機能を高めることができる。

卓越周波数ｆｓは、前述したとおり、基本的には、主流速度Ｕおよび段差部２１の高さＨの関数となるが、翼表面の汚損や雨滴などの影響を受けてずれる場合がある。交縁部２２の近傍に設けられた第１の電極４０と第２の電極４１との間に印加する交番電圧の周波数をｆｃｕとすると、周波数ｆｃｕが卓越周波数ｆｓにほぼ等しい場合、渦流の卓越周波数ｆｓはｆｃｕの影響を受けてｆｃｕに収斂する。そのため、汚損や雨滴の影響を受けずに、周波数ｆｃｕで渦を放出することができる。

この渦放出に対して、これより下流にある下流側構造部３１に設けられた第１の電極４０と第２の電極４１との間に印加される交番電圧の周波数ｆｃｄを同調させることで、上記したような剥離抑制効果が得られる。すなわち、周波数ｆｃｄは、周波数ｆｃｕと同じ、または、周波数ｆｃｕの±１０％の範囲にすることが好ましい。

また、この効果は、断続的に発生するプラズマ誘起流の周波数を制御した結果得られるものである。そのため、パルス変調制御によってプラズマ誘起流を断続的に発生させる場合には、パルス変調周波数も同様に、交縁部２２の近傍に設けられた第１の電極４０と第２の電極４１との間に印加されるパルス変調周波数を、下流側構造部３１に設けられた第１の電極４０と第２の電極４１との間に印加されるパルス変調周波数に近い周波数とすることが好ましい。具体的には、交縁部２２の近傍に設けられた第１の電極４０と第２の電極４１との間に印加されるパルス変調周波数を、下流側構造部３１に設けられた第１の電極４０と第２の電極４１との間に印加されるパルス変調周波数の±１０％の範囲に制御することが好ましい。

図１３は、図１２に示した第１の実施の形態の気流制御装置１０における、交縁部２２の近傍に設けられた第１の電極４０と第２の電極４１との間に印加される交番電圧の印加タイミングと、下流側構造部３１に設けられた第１の電極４０と第２の電極４１との間に印加される交番電圧の印加タイミングを示す図である。

図１３に示すように、交縁部２２の近傍に設けられた第１の電極４０と第２の電極４１との間に印加される交番電圧の印加タイミングと、下流側構造部３１に設けられた第１の電極４０と第２の電極４１との間に印加される交番電圧の印加タイミングとに、位相差を設けることが好ましい。

このように、交番電圧の印加タイミングをずらすことで、同時に印加する場合に比べて電源回路の最大電流を小さく抑えることができ、電源の小型化や使用コストの低減を図ることができる。電圧の印加を断続的に制御するパルス変調制御においても印加のタイミングをずらすことで、同様の効果が得られる。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態の気流制御装置１１は、渦流放出構成部２０の交縁部２２の形状が異なる以外は第１の実施の形態の気流制御装置１０の構成と同じである。ここでは、この異なる渦流放出構成部２０の交縁部２２の構成について主に説明する。

図１４は、第２の実施の形態の気流制御装置１１における、図１のＡ−Ａ断面に相当する断面を示す図である。

第２の実施の形態の気流制御装置１１は、表面を流れる気流を流れ方向に断続的に渦流として放出する渦流放出構成部２０を備えている。この渦流放出構成部２０は、図１４に示すように、気流が表面３２を流れ、気流の流れ方向に延設された上流側構造部３０と、表面３３が上流側構造部３０の表面３２からステップ状に窪んで気流の流れ方向に延設される下流側構造部３１との境界に形成される段差部２１で構成されている。

このように段差部２１は、上流側構造部３０と下流側構造部３１との境界に形成される。段差部２１と上流側構造部３０との境、すなわち、上流側構造部３０と段差部２１との交わる交縁部２２は、凸状の曲面で構成されている。

ここで、段差部２１は、図１４に示すように、交縁部２２を構成する曲面と、この曲面の端部から下流側構造部３１の表面３３に至る平面とで構成されている。なお、段差部２１は、平面部を有さず、交縁部２２を構成する曲面で構成されてもよい。

なお、渦流放出構成部２０の段差部２１の高さＨは、図１３に示すように、交縁部２２の最も上方に突出する点から表面３３またはこれと同一平面上に引いた垂線の長さである。

段差部２１の高さＨは、気流制御装置１１が適用される流体現象の代表長（翼の前縁剥離の場合は翼弦長）の０．１％以下、好ましくは０．０１％以下程度に設定されることが好ましい。または、段差部２１の高さＨは、レイノルズ数が１×１０^４〜１×１０^７の範囲内で実際の寸法が５μｍ以上５００μｍ以下、または１０×Ｕ/ν以下（Ｕは主流速、νは動粘度）に設定されることが好ましい。

これらの範囲が好ましいのは、気流制御装置１１の機能が必要でない場合に、その構造が流体抵抗の原因にならない程度の段差にする必要があり、摩擦抵抗を支配する乱流境界層の粘性低層の厚さ以下にする必要があるからである。

渦流放出構成部２０において、上流側構造部３０の表面を流れてきた気流が交縁部２２を通過すると、流れ方向に断続的に渦流として放出される。この渦流を放出する放出周波数は、卓越周波数ｆｓを中心とするピークを有する分布となる。この卓越周波数ｆｓは、後述する式（２）により、渦流放出構成部２０における剥離点Ｓ１における境界層厚さをδｓ、気流制御装置１１の表面を流れる気流の主流速度Ｕの関数で示すことができる。

第２の実施の形態の気流制御装置１１の動作は、第１の実施の形態の気流制御装置１０の動作と基本的に同様であるので、図７〜図１０を参照して説明する。

図７に示すように、翼７０の迎角を大きくすると、気流が渦流放出構成部２０の交縁部２２を通過する際に横渦が発生し、この横渦が流れ方向に断続的に放出される。この横渦は、交縁部２２の下流側において、図８に示したような付着した状態と、図９に示したような剥離した状態を交互に繰り返す、非定常な状態となっている。

そして、この横渦が、下流に流下するにつれ、合体、成長し、境界層厚さが厚くなり、翼面上の剥離点Ｓにおいて大規模な剥離泡として放出され、流れが大規模に剥離する。剥離点Ｓの位置は、翼７０の形状や主流速度などによって定まる。

この大規模な剥離を生じる場合に、気流制御装置１１を作動させる。第１の電極４０と第２の電極４１との間に放電用電源５１によって交番電圧を印加して、表面上にプラズマを生じさせる。プラズマ中のイオンが電界から受ける力が気体に伝達されることで、プラズマ誘起流が発生する。

なお、プラズマ誘起流は、気流の流れ方向に流れるように発生させることが好ましい。プラズマ誘起流が発生すると、プラズマ誘起流により気流の境界層の低速度部分が加速され、速度分布に有効な影響を与える。

例えば、交番電圧を印加する際、電圧の印加を断続的に制御するパルス変調制御を行った場合、プラズマ誘起流は、この制御に対応して断続的に発生する。交縁部２２の下流側における横渦の状態は、前述したように非定常な状態ではあるが、例えば、交番電圧を印加する周波数ｆｃを、渦流放出構成部２０から放出される渦流の卓越周波数ｆｓに同調させると、交縁部２２から放出されていた横渦が共鳴してエネルギが注入され、横渦が強化される。

そして、強化されて断続的に放出された横渦どうしの干渉で縦渦が生じ、その縦渦構造によって境界層内の高速部分と低速部分の運動量の交換が進み、境界層の低速部分が顕著に加速される。

そのため、図１０に示すように、大規模な剥離が抑えられ、気流の流れは翼表面に沿って付着するように流れる。これにより翼の場合、揚力が向上するなどの効果が得られる。なお、大規模な剥離が完全に抑えられない場合でも、気流の流れが翼側に引き寄せられることで圧力分布が改善され、揚力が向上するなどの効果が得られる。

図１５は、第２の実施の形態の気流制御装置１１における、図１のＡ−Ａ断面に相当する断面において、交縁部２２を拡大して示す図である。なお、図１５では、流れに対して気流制御装置１１が負の傾斜角（図１５では、左下方に傾いて傾斜する角度）を有するように設置された場合を示している。

図１５に示すように、気流制御装置１１が負の傾斜角（図１５では、左下方に傾いて傾斜する角度）を有するように設置された場合、流れが交縁部２２の曲面部分を流下するとともに境界層が厚くなり、ある境界層厚さになった時点で剥離して微細な横渦が放出される（剥離点Ｓ１）。

このように、気流制御装置１１が負の傾斜角（図１５では、左下方に傾いて傾斜する角度）を有するように設置された場合、剥離点Ｓ１が渦流放出構成部２０における下流部に位置する。そのため、渦流放出構成部２０における下流部を曲面で構成された本実施の形態の気流制御装置１１の適用が有効となる。

このときの境界層厚さをδｓとすると、気流制御装置部分から微細な横渦の放出周波数は、卓越周波数ｆｓを中心とするピークを有する分布となる。この卓越周波数ｆｓは、次に示す式（２）により、境界層厚さをδｓ、気流制御装置１０の表面を流れる気流の主流速度Ｕの関数で示すことができる。

ｆｓ＝Ｂ×Ｕ／δｓ …式（２）

ここで、Ｂは定数である。

迎角がさらに負に大きくなり、気流制御装置１１の負の傾斜角が大きくなった場合においても、剥離は境界層厚さがδｓに達した時点で発生するが、剥離点Ｓ１の位置は、図１５に示した位置とは異なる位置となる。しかし、剥離時の境界層厚さがδｓとなるので、渦の放出周波数は、上記した式（２）で示される卓越周波数ｆｓとなり、迎角が変化しても渦放出周波数は変化しない。

例えば、気流制御装置１１において、交番電圧を印加する周波数またはパルス変調制御の周波数ｆｃを、渦流放出構成部２０から放出される渦流の卓越周波数ｆｓに同調させると、第１の実施の形態で説明したように、渦流の卓越周波数ｆｓが交番電圧を印加する周波数またはパルス変調制御の周波数ｆｃに収斂する。

気流制御装置１１の周波数は、運用時の主流速度Ｕに対応させてデータ化された卓越周波数ｆｓを用いればよく、迎角の変化に対しての対応が良好である。

上記したように、第２の実施の形態の気流制御装置１１によれば、交番電圧を印加する周波数またはパルス変調制御の周波数ｆｃを制御することで、流体変動センサなどを備えることなく、変動する気流を容易かつ的確に制御することができる。また、交番電圧を印加する周波数またはパルス変調制御の周波数ｆｃは、渦流の放出周波数における卓越周波数ｆｓに基づいて設定することができる。また、この卓越周波数ｆｓは、渦流放出構成部２０の幾何学的形状などで定めることができるため、気流の乱れ度や気流が流れる物体表面の状態などを考慮することなく、卓越周波数ｆｓを容易に設定することができる。

（第３の実施の形態）
図１６は、第３の実施の形態の気流制御装置１２の斜視図である。図１７は、第３の実施の形態の気流制御装置１２における、図１６のＢ−Ｂ断面を示す図である。

第３の実施の形態の気流制御装置１２は、表面を流れる気流を流れ方向に断続的に渦流として放出する渦流放出構成部２０を備えている。この渦流放出構成部２０は、図１６および図１７に示すように、気流が流れる構造部１００の表面から、気流の流れ方向と垂直な方向に半円状に突出する突出部１１０で構成されている。なお、突出部１１０の形状は、半楕円状に構成されてもよい。また、気流制御装置１２は、渦流放出構成部２０の下流側に、一対の電極である、第１の電極４０と第２の電極４１とを備えている。

構造部１００は、例えば、直方体または立方体からなる構造体で構成されている。構造部１００を構成する材料は、第１の電極４０および第２の電極４１が構造部１００に直接備えられた場合には、前述した誘電材料で構成される。また、電極部は、前述した取り外し可能な電極ユニット６０として構成されてもよい。この場合には、構造部１００を誘電材料で構成する必要はなく、用途に応じた任意の材料で構成することができる。

なお、渦流放出構成部２０は、気流が流れる構造部の表面から、気流の流れ方向と垂直な方向に、少なくとも上流側が曲面を有して突出する突出部で構成されていればよく、図１７に示した構成に限られるものではない。図１８は、第３の実施の形態の気流制御装置１２の他の構成の、図１６のＢ−Ｂ断面に相当する断面を示す図である。

図１８に示すように、渦流放出構成部２０は、気流が流れる構造部１００の表面から、気流の流れ方向と垂直な方向に、上流側が曲面１１０ａで、下流側が平面１１０ｂとなる突出部１１０で構成されてもよい。なお、流れが剥離して微細な横渦が放出される剥離点Ｂ１は、曲面１１０ａ上に存在する。すなわち、少なくとも、流れの剥離点Ｂ１よりも上流側は、曲面１１０ａで構成される。

図１９は、第３の実施の形態の気流制御装置１２における、図１６のＢ−Ｂ断面に相当する断面において、突出部１１０を拡大して示す図である。なお、図１９では、流れに対して気流制御装置１２が正の傾斜角（図１９では、右下方に傾いて傾斜する角度）を有するように設置された場合を示している。また、突出部１１０としては、図１８に示したものを例示して説明する。

図１９に示すように、気流制御装置１２が正の傾斜角（図１９では、右下方に傾いて傾斜する角度）を有するように設置された場合、流れが突出部１１０の曲面１１０ａを流下するとともに境界層が厚くなり、ある境界層厚さになった時点で剥離する（剥離点Ｓ１）。

このように、気流制御装置１２が正の傾斜角（図１９では、右下方に傾いて傾斜する角度）を有するように設置された場合、剥離点Ｓ１が突出部１１０における上流部に位置する。そのため、突出部１１０における上流部を曲面で構成された本実施の形態の気流制御装置１２の適用が有効となる。

このときの境界層厚さをδｓとすると、剥離時の渦の放出周波数は、卓越周波数ｆｓを中心とするピークを有する分布となる。この卓越周波数ｆｓは、次に示す式（３）により、境界層厚さをδｓ、気流制御装置１０の表面を流れる気流の主流速度Ｕの関数で示すことができる。

ｆｓ＝Ｃ×Ｕ／δｓ …式（３）

ここで、Ｃは定数である。

迎角がさらに正に大きくなり、気流制御装置１２の正の傾斜角が大きくなった場合においても、剥離は境界層厚さがδｓに達した時点で発生するが、剥離点Ｓ１の位置は、図１９に示した位置とは異なる位置となる。しかし、剥離時の境界層厚さがδｓとなるので、渦の放出周波数は、上記した式（３）で示される卓越周波数ｆｓとなり、迎角が変化しても渦放出周波数は変化しない。

渦流放出構成部２０の突出部１１０の高さＨは、突出部１１０の最も上方に突出する点から表面３３またはこれと同一平面上に引いた垂線の長さである。突出部１１０の高さＨは、気流制御装置１２が適用される流体現象の代表長（翼の前縁剥離の場合は翼弦長）の０．１％以下、好ましくは０．０１％以下程度に設定されることが好ましい。または、突出部１１０の高さＨは、レイノルズ数が１×１０^４〜１×１０^７の範囲内で実際の寸法が５μｍ以上５００μｍ以下、または１０×Ｕ/ν以下（Ｕは主流速、νは動粘度）に設定されることが好ましい。

これらの範囲が好ましいのは、気流制御装置１２の機能が必要でない場合に、その構造が流体抵抗の原因にならない程度の突出部にする必要があり、摩擦抵抗を支配する乱流境界層の粘性低層の厚さ以下にする必要があるからである。

第１の電極４０、第２の電極４１、ケーブル５０および放電用電源５１については、第１の実施の形態の気流制御装置１０のそれぞれの構成と同じである。

次に、第３の実施の形態の気流制御装置１２の動作について説明する。

第３の実施の形態の気流制御装置１２の動作は、第１の実施の形態の気流制御装置１０の動作と基本的に同様であるので、図７〜図１０を参照して説明する。

図７に示すように、翼７０の迎角を大きくすると、気流が突出部１１０を通過する際に横渦が発生し、この横渦が流れ方向に断続的に放出される。この横渦は、突出部１１０の下流側において、図８に示したような付着した状態と、図９に示したような剥離した状態を交互に繰り返す、非定常な状態となっている。

そして、この横渦が、下流に流下するにつれ、合体、成長し、境界層厚さが厚くなり、翼面上の剥離点Ｓにおいて大規模な剥離泡として放出され、流れが大規模に剥離する。剥離点Ｓの位置は、翼７０の形状や主流速度などによって定まる。

この大規模な剥離を生じたときに、気流制御装置１２を作動させる。第１の電極４０と第２の電極４１との間に放電用電源５１によって交番電圧を印加して、表面上にプラズマを生じさせる。プラズマ中のイオンが電界から受ける力が気体に伝達されることで、プラズマ誘起流が発生する。

なお、プラズマ誘起流は、気流の流れ方向に流れるように発生させることが好ましい。プラズマ誘起流が発生すると、プラズマ誘起流により気流の境界層の低速度部分が加速され、速度分布に有効な影を与える。

例えば、交番電圧を印加する際、電圧の印加を断続的に制御するパルス変調制御を行った場合、プラズマ誘起流は、この制御に対応して断続的に発生する。突出部１１０の下流側における横渦の状態は、前述したように非定常な状態ではあるが、例えば、交番電圧を印加する周波数またはパルス変調制御の周波数ｆｃを、渦流放出構成部２０から放出される渦流の卓越周波数ｆｓに同調させると、突出部１１０から放出されていた横渦が共鳴してエネルギが注入され、横渦が強化される。

そして、強化されて断続的に放出された横渦どうしの干渉で縦渦が生じ、その縦渦構造によって境界層内の高速部分と低速部分の運動量の交換が進み、境界層の低速度部分が顕著に加速される。

そのため、図１０に示すように、大規模な剥離が抑えられ、気流の流れは翼表面に沿って付着するように流れる。これにより翼の場合、揚力が向上するなどの効果が得られる。なお、大規模な剥離が完全に抑えられない場合でも、気流の流れが翼側に引き寄せられることで圧力分布が改善され、揚力が向上するなどの効果が得られる。

ここで、上記した交番電圧を印加する周波数またはパルス変調制御の周波数ｆｃは、前述した式（３）の関係式から算出された、渦流の放出周波数における卓越周波数ｆｓに基づいて設定される。なお、周波数ｆｃは、卓越周波数ｆｓと完全に等しくなくとも、卓越周波数ｆｓに対して±１０％の範囲の値であれば気流制御の十分な効果が得られる。渦流の卓越周波数ｆｓと、交番電圧を印加する周波数またはパルス変調制御の周波数ｆｃとが等しくない場合には、卓越周波数ｆｓが周波数ｆｃに収斂する。

気流制御装置１２では、上記した形状の突出部１１０を備えることで、翼の迎角が変化しても、境界層の厚さがある一定値を超えたところで剥離するため、ほぼ一定の放出周波数で渦流を放出することができる。

上記したように、第３の実施の形態の気流制御装置１２によれば、交番電圧を印加する周波数またはパルス変調制御の周波数ｆｃを制御することで、流体変動センサなどを備えることなく、変動する気流を容易かつ的確に制御することができる。また、交番電圧を印加する周波数またはパルス変調制御の周波数ｆｃは、渦流の放出周波数における卓越周波数ｆｓに基づいて設定することができる。また、この卓越周波数ｆｓは、渦流放出構成部２０の幾何学的形状などで定めることができるため、気流の乱れ度や気流が流れる物体表面の状態などを考慮することなく、卓越周波数ｆｓを容易に設定することができる。

以上説明した実施形態によれば、流体変動センサなどを備えることなく、変動する気流を容易かつ的確に制御することが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０、１１、１２…気流制御装置、２０…渦流放出構成部、２１…段差部、２２…交縁部、３０…上流側構造部、３１…下流側構造部、３２、３３、４０ａ…表面、４０…第１の電極、４１…第２の電極、５０…ケーブル、５１…放電用電源、６０…電極ユニット、６１…誘電構造体、７０…翼、１００…構造部、１１０…突出部。

Claims (17)

1. 表面を流れる気流を流れ方向に渦流として放出する渦流放出構成部と、
   前記渦流放出構成部の下流側に誘電体を介して配置された一対の電極と
   を備え、
   前記一対の電極間に電圧を印加して気流の流れ方向に誘起流を発生させ、前記渦流放出構成部の下流側の気流の流れを制御することを特徴とする気流制御装置。
2. 前記渦流放出構成部が、
   気流が表面を流れ、気流の流れ方向に延設された上流側構造部と、表面が前記上流側構造部の表面からステップ状に窪んで気流の流れ方向に延設され、前記一対の電極を備える下流側構造部との境界に形成される段差部で構成されていることを特徴とする請求項１記載の気流制御装置。
3. 前記段差部と前記上流側構造部との境が、角部で構成されていることを特徴とする請求項２記載の気流制御装置。
4. 前記段差部と前記上流側構造部との境が、凸状の曲面で構成されていることを特徴とする請求項２記載の気流制御装置。
5. 前記渦流放出構成部が、気流が流れる構造部の表面から、気流の流れ方向と垂直な方向に、少なくとも上流側が曲面を有して突出する突出部で構成されていることを特徴とする請求項１記載の気流制御装置。
6. 前記一対の電極間に印加する電圧が交番電圧であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の気流制御装置。
7. 前記一対の電極間に、交番電圧の周期と異なる周期で、間歇的に電圧を増減または入切して印加可能であることを特徴とする請求項６記載の気流制御装置。
8. 交番電圧の周波数が、前記渦流放出構成部から放出される渦流の卓越周波数であることを特徴とする請求項６または７記載の気流制御装置。
9. 前記一対の電極間に、間歇的に電圧を増減または入切して印加するパルス変調機能の周波数が、前記渦流放出構成部から放出される渦流の卓越周波数であることを特徴とする請求項７記載の気流制御装置。
10. 前記渦流放出構成部が、誘電体を介して配置された一対の電極を備えることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項記載の気流制御装置。
11. 前記渦流放出構成部の一対の電極間に印加する電圧が交番電圧であることを特徴とする請求項１０記載の気流制御装置。
12. 前記渦流放出構成部の一対の電極間に、前記渦流放出構成部の一対の電極間の交番電圧の周期と異なる周期で、間歇的に電圧を増減または入切して印加可能であることを特徴とする請求項１１記載の気流制御装置。
13. 前記渦流放出構成部の下流側に配置された一対の電極間に印加される交番電圧の周波数と、前記渦流放出構成部に配置された一対の電極間に印加される交番電圧の周波数とが等しいことを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか１項記載の気流制御装置。
14. 前記渦流放出構成部の下流側に配置された一対の電極間に、間歇的に電圧を増減または入切して印加するパルス変調機能の周波数と、前記渦流放出構成部に配置された一対の電極間に、間歇的に電圧を増減または入切して印加するパルス変調機能の周波数とが等しいことを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれか１項記載の気流制御装置。
15. 前記渦流放出構成部の下流側に配置された一対の電極間に印加される交番電圧と、前記渦流放出構成部に配置された一対の電極間に印加される交番電圧との間に位相差が設けられていることを特徴とする請求項１３記載の気流制御装置。
16. 前記渦流放出構成部の下流側に配置された一対の電極間に、間歇的に増減または入切して印加する電圧と、前記渦流放出構成部に配置された一対の電極間に、間歇的に増減または入切して印加する電圧との間に位相差が設けられていることを特徴とする請求項１４記載の気流制御装置。
17. 渦流放出構成部で表面を流れる気流を流れ方向に渦流として放出させ、
    前記渦流放出構成部の下流側に誘電体を介して配置された一対の電極間に電圧を印加して気流の流れ方向に誘起流を発生させ、前記渦流放出構成部の下流側の気流の流れを制御することを特徴とする気流制御方法。

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