JPH0968208A - 圧力抵抗減少構造体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 後流領域を縮小させて、流れを受ける物体の
受ける圧力抵抗を減少させること。 【解決手段】 流れを受ける物体２の横断面形状が正方
形であって、その前方両角部に正方形状の切欠小凹部
３，３を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は圧力抵抗減少構造体
に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に飛行機・自動車・新幹線列車等の
高速乗物に於て、空気から受ける圧力抵抗を減少させる
には、凹凸のできるだけ少ない流線型が最も好ましいと
信じられてきた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来のように流線型に
物体を製作することは、曲面加工等の製作に困難を伴
い、製造コストも高くついていた。

【０００４】本発明者は上述の流れを受ける物体の形状
は流線型でなければならないという既成観念を打破し、
角張った物体であっても十分にその圧力抵抗を減少さ
せ、あるいは、流線型にあっては、さらにその圧力抵抗
を一層小さくすることを、本発明の目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明に係る圧力抵抗減
少構造体は、流れを受ける物体に於ける流体はく離位置
乃至その直前位置に、切欠小凹部を形成した。あるい
は、はく離した外部流れを引き寄せる強い渦を生じさせ
るための切欠小凹部を形成した。

【０００６】また、流れを受ける物体が角張った立体形
状であって、該物体の前面側の稜に切欠小凹部を形成し
た。あるいは、物体の前面側の稜及び後面側の稜に、切
欠小凹部を形成した。

【０００７】また、流れを受ける物体の横断面形状が矩
形であって、その前方両角部に矩形状の切欠小凹部を形
成した。あるいは、流れを受ける物体の横断面形状が正
方形であって、その前方両角部に正方形状の切欠小凹部
を形成した。

【０００８】そして、流れを受ける物体の横断面形状の
正方形の一辺長さをＤとすると共に、切欠小凹部の横断
面形状の正方形の一辺長さをｄとした場合、（Ｄ−２
ｄ）／Ｄの値を、 0.6〜0.95に設定した。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づき詳説する。

【００１０】図１は一様流中に、流れを受ける物体41と
して横断面形状が正方形の角柱を、設けた場合の流体の
流れ（流線）を示し、その前方（流れの上流側を言う）
の両角部Ａ，Ａを、はく離位置１，１として大きくはく
離する。Ｂは流れを受ける物体41の後流（ｗａｋｅ）で
あり、後流領域Ｂ₀ は大である。

【００１１】本発明の実施の一形態を図２（イ）に例示
する。即ち、流れを受ける物体２としてその横断面形状
が正方形であって、図１に示したはく離位置１，１に、
切欠小凹部３，３を形成する。つまり、正方形の前方両
角部Ａ，Ａに、正方形状の切欠小凹部３，３を段付き状
に形成する。さらに言い換えると、この流れを受ける物
体２は四角柱であり、その前面４側の稜に切欠小凹部３
を形成する。

【００１２】また、図２（ロ）に示すように、後方両角
部Ｃ，Ｃにも横断面正方形の切欠小凹部３，３を形成し
ても良い。つまり、流れを受ける物体の前面４側の稜及
び後面５側の稜に、（合計４箇所に）切欠小凹部３…を
形成している。

【００１３】図３と図４は、このような形状の物体を一
様流れの中へ配置した場合を示し、切欠小凹部３の大き
さを適切に設定すれば、切欠小凹部３の前縁部６から一
旦はく離した流れ───流線Ｆで示した───は後縁部
７に再付着する。つまり、前縁部６からはく離する流れ
はせん断層(shear layer) で、このはく離流線Ｆがすぐ
近くの後縁部７と干渉してせん断層の渦の一部が切欠小
凹部３に集まり、次第に強い渦Ｇを形成する。この渦部
は外部流れＨに比べると大変圧力が低いため、流れの半
径方向の圧力勾配と遠心力との釣合により、流れの曲率
半径が小さくなるように曲げられ、はく離流線Ｆが後縁
部７付近に再付着する。従って、外部流れＨも物体２の
側面８に近づくように曲げられ、切欠小凹部３のはく離
流線Ｆに引続いて、側面８に沿うように流れる。

【００１４】なお、図５に示す如く流線Ｆの再付着点
は、後端線７よりも切欠小凹部３内側となったり、図６
に示す如く、少し側面８側にずれることもあるが、いず
れにせよ、はく離流線Ｆは流れを受ける物体に再付着す
る。

【００１５】これによって、流れを受ける物体２の後流
Ｂの領域Ｂ₄ ，Ｂ₅ ，Ｂ₆ は（図１に比べて）著しく減
少（縮小）し、圧力抵抗（抗力）は大幅に減少すると考
えられる。

【００１６】さらに、図２（ロ）と図７に示すように、
流れを受ける物体２の前面４及び後面５側の稜に、４個
の切欠小凹部３…を形成すれば、同様に切欠小凹部３内
の渦Ｇ…によって外部流れＨが引き寄せられ、後流Ｂの
領域Ｂ₇ が一層縮小して抗力が減少する。

【００１７】上述の如く、本発明は流れを受ける物体２
の周りに流れのはく離を生成させることによって流れを
制御し、圧力抵抗を減少させる構造体であるといえる。
即ち、物体の周りに流れのはく離が生じたとき、多くの
場合、物体の抵抗は増加する。しかし、流れのはく離
を、図３〜図７の如く適切に生成させると、そのはく離
流れの流線Ｆによって、物体２の周りの流れを制御し、
後流（ｗａｋｅ）の幅を縮小させて圧力抵抗を減少させ
ることができる。

【００１８】角柱に段付け───切欠小凹部３の形成─
──を行うことによる抵抗減少の風洞実験結果を、図８
に示す。図８（ハ）に本発明の実施品の流れを受ける物
体の横断面形状と寸法を示し、正方形の一辺をＤとする
と共に、切欠小凹部（正方形）の一辺をｄとした場合に
於ける（Ｄ−２ｄ）／Ｄの値を、図８（イ）のグラフ図
の横軸にとる。

【００１９】または、図８（ロ）は比較のために一辺が
Ｄなる正方形横断面の角部にアール（丸味）ｒを形成し
た場合に於ける（Ｄ−２ｒ）／Ｄの値を、図８（イ）の
グラフ図の横軸にとっている。

【００２０】図８（イ）に於て、縦軸には、角部に切欠
小凹部もアールもとらない元の正方形横断面の場合の圧
力抵抗Ｃｄ₀ に対する、図８（ハ）又は（ロ）の場合の
圧力抵抗Ｃｄの値───「抵抗係数」と呼ぶ───をと
っている。そして、実線が図８（ハ）の場合の実測値で
あり、破線は図８（ロ）の場合であり、各々のレイレズ
ル数Ｒｅは、８×10⁴ ，10⁵ である。但し、図８（イ）
の破線は、「Hoerner,S.F., Fluid Dynamic Drag, p3-1
3, (1958), Published by the Author」のデータによっ
た。

【００２１】この図８（イ）のグラフ図から、（Ｄ−２
ｄ）／Ｄの値を、 0.6〜0.95に設定するのが好ましいこ
とが分かる。特に望ましい範囲は、 0.8〜 0.9の範囲で
あって、抵抗係数Ｃｄ／Ｃｄ₀ が約 0.5となり、圧力抵
抗が半分となることが分かる。

【００２２】図８（ロ）の場合を示した図８（イ）中の
破線に於て、約 0.5の抵抗係数を達成するには、極めて
大きなアールｒをとる必要がある（円柱とせねばならな
い）。即ち、本発明のように切欠小凹部を形成すると、
大きな丸味（アールｒ）の横断面形状のものに相等しい
小さな抵抗係数が、簡単に得られたことを示している。

【００２３】この抵抗の減少は、角柱───流れを受け
る物体２───の後流幅（詳しくは運動量）の減少によ
るものと推定できるが、もっと直接的な表現として角柱
（流れを受ける物体２）の後面（背面）の圧力の変化で
説明することができる。

【００２４】即ち、流れの衝突する正面の圧力は正圧
（＋）であまり変動しないと考えられる。他方、背面
（後面）の圧力は負圧であり、その負圧の値が、抵抗変
化に大きなウェイトを占める。

【００２５】図９（イ）の横軸は、（Ｄ−２ｄ）／Ｄの
値（図９の（ロ）参照）を示しており、縦軸は平均背圧
係数Ｃpbを示している。この平均背圧係数Ｃpbは次の数
式１に示す。

【００２６】

【数１】

【００２７】この図９から明らかなように、（Ｄ−２
ｄ）／Ｄの値を、 0.8〜 0.9の範囲にとると、切欠小凹
部の無い角柱の場合（横軸の値が１の場合）に比較し
て、負圧が約半分にまで減少している。（この傾向は図
８（イ）に対応している。）

【００２８】次に、図10に於て、他の実施の形態を示
し、切欠小凹部───段付け───の縦横寸法を相違さ
せた場合（矩形の切欠小凹部とした場合）、抵抗は約４
割にまで減少できることを示している。このＣｄ／Ｃｄ
₀ の値が約 0.4ということは、円柱の場合（約 0.5）よ
りも小さい。このように断面形状が矩形の切欠小凹部を
形成することは、大きな圧力抵抗減少という優れた作用
効果を示す。

【００２９】図11（イ）は他の実施例を示し、流れを受
ける物体２の断面形状が台形の場合であってその前面４
側の角、及び、後面５側の角に、切欠小凹部３…を形成
している。また、図11（ロ）では、断面形状が円形の場
合であって、切欠小凹部３…が無いときの流体はく離位
置１乃至その直前位置に、切欠小凹部３，３を前面４側
に形成している。（かつ、後面５側にも切欠小凹部３，
３を形成している。） この切欠小凹部３は直角三角形状である。

【００３０】さらに、図11の（イ）では、断面楕円の場
合を示している。また、この場合、切欠小凹部３をＶ字
型としている。

【００３１】この図11の他にも、横断面形状は種々のも
のが考え得るが、要するに、切欠小凹部３が無いと仮定
したときの流れを受ける物体２に於ける流体はく離位置
乃至その直前に、切欠小凹部３，３を形成することが重
要である。なお、後面５側には、必要に応じて切欠小凹
部３，３を形成すればよい。

【００３２】次に、図12は切欠小凹部３の形状を例示す
る要部断面図であって、（イ）〜（ヘ）は流れを受ける
物体２が角張った立体形状である場合を、（ト）〜
（オ）は流れを受ける物体２が流線型の（角張らない）
立体形状の場合を示している。

【００３３】また、図13に示す如く、流れを受ける物体
２としては、中空のもの───中空棒（管・筒）や殻状
体───であってもよい。応用例としては、自転車や自
動二輪車等のフレームやハンドル部に、図13（イ）
（ロ）（ハ）のような横断面の管（パイプ）が用い得
る。あるいは、水中翼船等の支柱部や、高速船のスクリ
ュー保持ケーシングや舵等にも用い得る。

【００３４】図14は、トレーラ、貨物トラック、貨車、
電車等の箱型走行物の場合を例示しており、その前面４
側の稜に切欠小凹部３が切欠形成されている。なお、後
面５側にも切欠小凹部３を形成しても良い（同図参
照）。

【００３５】また、図15のように、貨物トラックのキャ
ブ上面に切欠小凹部３を有する抵抗減少装置９を付設す
るも好ましい。また、図16（イ）は新幹線等の列車の天
井に突設された集電装置10を側面図で示す。この集電装
置10のケーシング（カバー）11を本発明の流れを受ける
物体と考えて、切欠小凹部３…を形成することも有望で
ある。

【００３６】さらに、図17は自動車のサイドミラー12の
断面図であって、矢印のように風を受ける前面４側の周
縁に切欠小凹部３を形成している。この他、自動車や船
や飛行機等の乗物から飛出した部分に、本発明を応用す
ることもできる。

【００３７】また、図18（イ）に示す煙突13、同図
（ロ）の塔（タワー）14、あるいは同図（ハ）のような
橋脚15等、又は、建物の柱等であって、強風時の抵抗を
低減したり、海流や河川流の抵抗を減少したい箇所に、
本発明を応用するも好ましい。

【００３８】また、図19（イ）に示すように小径管路16
から大径管路17に急拡大する部位18に、切欠小凹部３を
形成して、流れの抵抗を減少させるも好ましい。若しく
は、図19（ロ）のように、大径管路17から小径管路16に
急縮小する部位19に切欠小凹部３を形成するも、好まし
い。即ち、本発明を、内部流れに適用することもでき
る。

【００３９】次に、図20は、（内部流れと外部流れの中
間的な場合であって、）ダクト20内の格子21を示し、そ
の断面形状を上述の図２〜図７、図13等のようにしても
良い。あるいは、空気取入れ口や空気吹出し口の格子に
適用するも好ましい。

【００４０】さらに、図21（イ）に示す熱交換器22に適
用して、そのパイプ横断面形状を、図21（ロ）や（ハ）
のように切欠小凹部３…を有する十字型パイプとしても
好ましい。

【００４１】

【発明の効果】本発明は上述の構成により次のような著
大な効果を有する。

【００４２】 （請求項１によれば、）切欠小凹部３
によって流れのはく離を積極的に生じさせ、そのはく離
流れによって流れを受ける物体の周りの流れを制御し、
圧力抵抗を減少させることができる。この凹部３は小さ
くて済み、製造（加工）も容易である。また、はく離位
置が安定するので、騒音又は振動を生じない利点もあ
る。

【００４３】 （請求項２によれば、）請求項１と同
様の効果の他に、さらに、切欠小凹部３内の渦Ｇによっ
て、一旦はく離させた流れを物体側へ引き寄せて、後流
の幅（後流領域Ｂ）を減少させて、圧力抵抗を減少させ
得る。

【００４４】 （請求項３によれば、）角張った物体
の稜にアール（丸味）を取る加工は困難又は高価につく
場合が多いが、これに代わって、小さな切欠小凹部３を
加工することは容易であり、安価である。そして、上述
の請求項１と同様の効果が得られる。

【００４５】 （請求項４によれば、）上記請求項３
と同様の効果が得られると共に、一層、後流領域を小さ
くできる。

【００４６】 （請求項５又は６によれば、）最も加
工が容易なシンプルな形状をもって圧力抵抗を減少でき
る。

【００４７】 （請求項７によれば、）（Ｄ−２ｄ）
／Ｄの値が 0.6よりも小さいと、切欠小凹部３の加工が
面倒となり、アール（丸味）を加工する場合の手間と変
わらなくなってしまう。逆に、0.95を越えると、切欠小
凹部３が余りに小さくて、後流領域Ｂを小さくする作用
が小さく、圧力抵抗の減少効果が余り期待できなくな
る。従って、 0.6〜0.95が圧力抵抗低減効果が大きくか
つ切欠加工が少しで済むというという利点が得られて好
都合である。

【図面の簡単な説明】

【図１】作用説明図である。

【図２】本発明の簡略説明断面図である。

【図３】要部拡大断面図である。

【図４】流れ説明図である。

【図５】他の流れ説明図である。

【図６】別の流れ説明図である。

【図７】変形例とその流れ説明図である。

【図８】風洞実験（実測）結果を示すグラフ図と説明図
である。

【図９】平均背圧係数の実測結果のグラフ図と説明図で
ある。

【図10】切欠小凹部の形状を変えた場合の抵抗係数を示
すグラフ図と説明図である。

【図11】種々の他の実施例を示す説明図である。

【図12】さらに別の種々の実施例を示す要部説明図であ
る。

【図13】他の実施の形態を示す断面図である。

【図14】適用例を示す斜視図である。

【図15】他の適用例を示す側面図である。

【図16】別の適用例の説明図である。

【図17】さらに別の適用例の断面図である。

【図18】他の応用例を示す説明図である。

【図19】別の応用例を示す説明図である。

【図20】さらに別の応用例を示す説明図である。

【図21】他の応用例の説明図である。

【符号の説明】

１ はく離位置 ２ 流れを受ける物体 ３ 切欠小凹部 ４ 前面 ５ 後面 Ａ 角部 Ｄ 一辺長さ ｄ 一辺長さ

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流れを受ける物体２に於ける流体はく離
   位置１乃至その直前位置に、切欠小凹部３を形成したこ
   とを特徴とする圧力抵抗減少構造体。
2. 【請求項２】 流れを受ける物体２に於ける流体はく離
   位置１乃至その直前位置に、はく離した外部流れＨを引
   き寄せる強い渦Ｇを生じさせるための切欠小凹部３を形
   成したことを特徴とする圧力抵抗減少構造体。
3. 【請求項３】 流れを受ける物体２が角張った立体形状
   であって、該物体２の前面４側の稜に切欠小凹部３を形
   成したことを特徴とする圧力抵抗減少構造体。
4. 【請求項４】 流れを受ける物体２が角張った立体形状
   であって、該物体２の前面４側の稜及び後面５側の稜
   に、切欠小凹部３…を形成したことを特徴とする圧力抵
   抗減少構造体。
5. 【請求項５】 流れを受ける物体２の横断面形状が矩形
   であって、その前方両角部Ａ，Ａに矩形状の切欠小凹部
   ３を形成したことを特徴とする圧力抵抗減少構造体。
6. 【請求項６】 流れを受ける物体２の横断面形状が正方
   形であって、その前方両角部Ａ，Ａに正方形状の切欠小
   凹部３，３を形成したことを特徴とする圧力抵抗減少構
   造体。
7. 【請求項７】 流れを受ける物体２の横断面形状の正方
   形の一辺長さをＤとすると共に、切欠小凹部３の横断面
   形状の正方形の一辺長さをｄとした場合、（Ｄ−２ｄ）
   ／Ｄの値を、 0.6〜0.95に設定した請求項６記載の圧力
   抵抗減少構造体。