(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
抗力減少物質を、第１の表面に対して流れる第１流体（５）の境界層における実質的に壁近傍領域のみに放出する方法であって、次記のステップ、
（ａ）溶液としてのまたは流体を含む混合物としての抗力減少物質を、一つまたはそれ以上の数のスロットを介して排出し、各スロットは、溶液または混合物が第１流体の流路に入るように上を流れ且つ壁と直接隣接するスロットに対して下流側に位置するコアンダ表面を含むこと、
を含む方法。
【請求項２】
ステップ（ａ）に先立って、境界層は、前記コアンダ表面を夫々含む一つまたはそれ以上の数のスロットの上流側に位置するスロットを介して、付着流と直接隣接して存在する縦向きゲルトラー渦によって特徴付けられる流れを排出することによって、厚く調整される、請求項１記載の方法。
【請求項３】
ステップ（ａ）に先立って、前記抗力減少物質を含む混合物または溶液としての第２流体（９）を窪み穴（１５）若しくは溝を有する表面間に流通させ、それにより前記第２流体中の抗力減少分子を前記第２流体中で解きほぐす、延長させる、または伸張させることによって、抗力減少物質が調整される、請求項１記載の方法。
【請求項４】
抗力減少物質は、ポリマーである又はポリマーを含むものである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
ステップ（ａ）に先立って、第２流体（９）は、前記第１の表面に隣接する前記流体（５）の境界層に低圧領域を形成するペアの渦を形成するように、凹面上を流され、それによって、抗力減少物質を、前記第１の表面と直接隣接する近傍位置に前記渦が作用する間は滞留させる、請求項１記載の方法。
【請求項６】
さらに次のステップ、
（ｂ）第２流体を窪み穴または溝を有する表面上を流して、前記渦の作用時間を延長させること、
を含む請求項５記載の方法。
【請求項７】
流れのある流体中に物質を排出する装置であって、
上流側に凹面を有する第１スロット（III）を有し、この第１スロットの下流側にコアンダ表面を有し、前記第１スロットはコアンダ表面上に窪み穴（３３）または溝を有する、
装置。
【請求項８】
上流側に凹面を有する第２スロット（IV）を更に有し、この第２スロットの下流側にコアンダ表面を有し、前記第２スロットはコアンダ表面上に窪み穴または溝を有する、請求項７記載の装置。
【請求項９】
前記第１スロット（III）に対して上流に位置するスロット（II）を有し、このスロットはその上流側に凹面を及びその下流側にコアンダ表面（２６）を有する、請求項７または８記載の装置。
【請求項１０】
前記第１スロット（III）に対して下流に横向き溝（４０）を有し、これによって横向き溝（４０）内に静止横向き渦がつくり出される、請求項７〜９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１１】
前記第１スロット（III）に対して下流側に横向き溝を有する固体物質を含み、その材料または位置が、前記第１スロットに対して下流の横向き溝内に静止横向き渦を形成するように、あるいは流れに伴って下流に逃げ出し移動する一連の横向き渦リングを前記第１スロットに対して下流に形成するように、変化できるようになっている、請求項７〜１０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１２】
一連の横向き渦リングが放出される振動数に制御する手段を更に有する、請求項７〜１１のいずれか１項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
技術分野
本発明は、管と水との相対的な移動の双方およびパイプラインへの応用において著しい表面摩擦抗力の減少を示す、ポリマー等の高分子量物質を流体の流れの境界層内へ注入するための方法及び装置に関する。
【０００２】
大きなポリマー分子は、壁近傍領域においては、エネルギーの吸収ならびにバースト（高エネルギー流体の壁からの離間移動）及びスイープ（壁近傍領域における高エネルギー流体の低エネルギー流体による置換）サイクルの繰返し回数の減少をともない、乱れた動きで相互に作用する。バースト繰返し回数の減少によって、壁からのエネルギー散逸がより少なくなり、表面摩擦抗力が最大８０％まで減少する。実験によって、抗力減少のためのポリマー分子の効果は、それらの分子量、それらの境界層内の位置及びそれらがどの程度伸張または“調整”されているか、と密接に関係していることが判明している。
【０００３】
背景技術
従来、ポリマー混合物イジェクターは、ポリマー及び流体の混合物／溶液を壁に対してある角度をなして排出する単純なスロットであった。この排出アプローチに対して適当な距離下流において抗力の減少を高めるためには、大量且つ高濃度のポリマーが、境界領域全体を満たし、「ポリマー広がり」作用が奏せられるように、排出されねばならない。これらのシステムにおいてポリマー消費速度が高いことは、多くの抗力減少の応用にとって、それらを非現実的なものとする。
【０００４】
現実的な応用に役立てるためには、抗力を減少させるポリマー混合物の排出のためのより効率的な方法を発明することが必要とされている。
【０００５】
発明の開示
本発明は、流体の流れる境界層の壁近傍領域に対して混合物／溶液を効率的に排出できるようにするものである。本発明のイジェクターは、本発明の第１の目的として、排出に先立ってポリマーを調整し、ほぼすぐに続く排出の抗力減少を発生させるものである。本発明の第２の目的は、境界層領域にのみポリマーを放出し、そこに著しい抗力減少を与え得ることにある。本発明の第３の目的は、最も抗力減少に効果的な領域である、境界層の壁近傍領域にポリマーを可能な限り長い時間滞留させることにある。
【０００６】
本発明のイジェクターシステムは、抗力減少効果を改善するために、流れ領域を制限する独特な構成を用い、また窪み穴、溝および弾性材料も用いて、ポリマー混合物／溶液を予め調整するものである。流体の流れに対して排出された後の最適な抗力減少を与える、最適なポリマー分子の調整（延長、解きほぐし、若しくは伸張）のために、窪み穴、溝及び流れ領域の制限は、互いに対して及び流れのレイノルズ数に対して調整される。さらに、本発明のイジェクターは、ポリマーが壁近傍領域から離れるように移動／散逸するのを減少させるために、流れを構成するための新規なアプローチを用いる。これは独特なスロットのシステムにより達成される。各スロットは、慎重に設計された表面カーブと、縦向き（すなわち流れ方向において）のゲルトラー渦からなるダクトに似たシステムを形成する表面特性を有する。ゲルトラー渦は、凹面により角速度が与えられる流体流れの遠心作用によって形成される。本発明により形成されるゲルトラー渦のダクトに似たシステムは、境界層において自然に発生する準縦向き渦のペアの間隔と良く似ているが、反対向きのペアである。自然発生の準縦向き渦のペアの組合せは、それらが壁から移動し、流体力学的抗力の大部分を占めるバースト及びスイープの発達に寄与するものと考えられる。本発明の組合せによりつくり出される渦は、それらがつくる圧力差によって壁の近くにその渦を滞留させる。これによって、都合よく、境界層に排出されたポリマーが壁近傍領域に滞留されるようになる。
【０００７】
発明実施の最良の形態
本発明は、水・ポリマー混合物／溶液を境界層の壁近傍領域に放出すること、ならびに混合物／溶液が壁近傍領域に滞留するように混合物／溶液の流動特性を調整することによって、より効果的なポリマー混合物／溶液の排出を達成するものである。壁に付着する流動特性を有する混合物／溶液を製造することによって、イジェクターは、ポリマーが周囲の水に拡散するまでの、壁近傍領域におけるポリマー滞留時間を延長し、もって抗力減少システムにおけるポリマー消費を減少させる。
【０００８】
ゲルトラー渦は、凹面に沿って角速度が与えられる流体流動の遠心力作用によって形成される。図１は、矢印５で示される流体の流れによって、凹面２上の抗力により発生する遠心力によって形成される、自然発生のゲルトラー渦１を示している。本発明に係るイジェクターの表面特性は、境界層において自然に発生する準縦向き渦のペアの間隔に似たゲルトラー渦を創出するが、それらは反対方向のペアとなる。自然な準縦向き渦のペアの組合せによって、それらが壁から移動し、またそれらが流体力学的抗力の大部分を占めるバースト及びスイープの発達に寄与すると考えられる。
【０００９】
図２Ａは、準縦向き渦のペアの等角投影図である。一般には、静止面上の流れが、壁４の近傍にヘアピン状渦３に歪められる横断構造をつくり出すものと認められる。流れ方向は矢印５で示されている。各ヘアピン状渦の準流れ方向の「脚部」は、表面から離間する方向に移動する渦のペアをつくる壁面と直交する方向に異なる圧力を生じさせる。図２Ｂは、自身を壁から離れるように移動させる圧力差を誘発する渦ペアの横断面図である。“Ｈ”は、局所的な高圧領域を示しており、“Ｌ”は、局所的な低圧領域を示している。これらの自然発生の渦ペアとは対照的に、本発明のイジェクターによって発生するゲルトラー渦のペアは、それらが生み出す圧力差によってそれらが表面から離れなくなるような組合せ及び間隔を有する。図２Ｃは、渦ペアを壁に近づく方向に追いやり、それによって渦ペアが壁から離れなくなるような圧力差を生み出す、渦ペアの断面図である。そのような渦のペアは壁近傍に滞留し、それらはイジェクターにより壁近傍に排出されたポリマーを保持し、それによってそれらはバースト及びスイープの発生を減少させる。以下では、本発明のイジェクターは、ポリマー混合物及び溶液の散逸を制御するために渦構造を革新的に用いるものであるため、“渦ダクト”イジェクターと呼ぶことにする。
【００１０】
図３は、本発明の渦ダクトイジェクターを示している。ポリマー混合物溶液９は、左側からイジェクターに流入し、スロットＩに近づくように移動する。この例では、ポリマー混合物／溶液が排出される境界層は、渦ダクトイジェクターを覆い、また液体の流れ５方向は右から左へ向かっている。
【００１１】
ちょうど静止媒体中で右側へ移動するボディにイジェクターが搭載されたかのように、ポリマー混合物／溶液はスロットＩＩ, ＩＩＩ, 及びＩＶからイジェクターボディの境界層に排出される。最適な溶液濃度および体積流量率は各応用の要求に応じて決定される。
【００１２】
左側からイジェクターに流入するポリマー混合物／溶液は、ディフューザー１０及びコーン１２によってスロットＩに向かうように方向付けられる。枠組み１４に取り付けられた一つまたはそれ以上の羽根（符号を付していない）の間における相互作用は、流れの不規則性を減少させる。流れがスロットＩを通過する際、コーン１２内の窪み穴及びディフューザー１０内の縦向きのスロットによって準縦向きの渦がつくり出される。
【００１３】
図４は、コーン１２の断面図であり、コーン１２内の窪み穴１５が図示されている。図５はディフューザー１０の断面図であり、ディフューザー１０内の縦向きのスロット１７が図示されている。窪み穴１５及びスロット１７によりつくり出された渦の相互作用は、混合物／溶液中のポリマー分子の更なる混合及び伸張を促す。スロットＩの幅は、コーン１２が取付られたセンターチューブ１８を縦向きにスライドさせることによって調整または変化させることができる。また、ディフューザー１０及びコーン１２の材質及び特性は、渦構造を変えるために変更または修正することができる。絞られた又は調節された流れは、次いでスロットＩを通り抜け、及び枠組み２０の流路系統を通過する。枠組み２０の流路のサイズによって、条件（１）に従い、コーン１２の窪み穴の形状が決定される。
0.25 d passageways20 ≦ d dimples12 ≦ 0.5 d passageways20    ・・・条件（１）
ここで、d passageways20 は枠組み２０内の流路の直径であり、d dimples12 はコーン１２内の窪み穴の直径である。窪み穴の深さ（ｈ）は等式（１）により与えられる。
h dimples12  =  0.25 d dimples12    ・・・等式（１）
ここで、h dimples12 はコーン１２内の窪み穴の深さであり、d dimples12 は上に定義したものである。付け加えると、ディフューザー内の溝は等式（２）及び（３）により定義される。
B grooves10  =  d dimples12    ・・・等式（２）
W grooves10  =  h grooves10  =  0.25 d dimples12    ・・・等式（３）
ここで、B grooves10はディフューザー１０内の溝の中心間距離であり、W grooves10 はディフューザー１０内の各溝の幅であり、h grooves10はディフューザー１０内の各溝の深さである。
渦の形成は、次式を満足する特性を有する弾性材料でコーン１２を製作することによって増強される。
( E /ρ)1/2  =  0.5 U∞    ・・・等式（４）
ここで、Eは弾性係数であり、ρは密度、U∞は外部流速である。さらに、渦の増強のために、次のような特性の異方性弾性材料を使用することもできる。
2  ≦  E long / E xverse  ≦  5     ・・・条件（２）
ここで、E longは縦方向の弾性係数であり、E xverseは横方向の弾性係数である。
【００１４】
枠組み２０の流路系統は、４つのグループに分けることができる。第１のグループ２２は、コーン１２内の窪み穴の半分の直径を有するフェアリング２６内にあってスロットＩＩに通じる流路をなす第２のグループ２４を通して、溶液を縦方向に通過させる。スロットＩＩは層流区分イジェクターであり、スロットＩＩＩ及びＩＶの上流における境界層を厚く調整するためのものである。スロットの前部表面の凹面形状は、縦向きゲルトラー渦をつくり出すストッパー２８により形成され、フェアリング２６（図３）により形成される形状はコアンダ表面を与えるスロットＩＩの表面は開口と平行をなす。スロットＩＩからの流れが境界層に入るにつれて、それは下流のコアンダ表面から外れた付着流と特に近接する縦向きゲルトラー渦構造によって特徴付けられる。これらの縦向きゲルトラー渦は、スロットＩＩＩの上流の流れを調整する。境界層を厚く調整するスロットＩＩの作用によって、スロットＩＩＩ及びＩＶにおける排出流によって発生する乱流が減少する。
【００１５】
他のグループの流路３０は、枠組み２０、フェアリング２６及びリング３２，３４，３６及び３８を通して混合物／溶液を斜めに通過させ、スロットＩＩＩから排出させる。スロットＩＩＩの上流側表面のカーブは、ゲルトラー渦システムを生じさせるように凹んでいる。これらの渦は次いでリング３２の弾性下流側表面上の窪み穴によって増幅される。図６は、そのようなリング３２の要部の断面を示している。リング３２の窪み穴３３の寸法及び角度は次のようにして与えられる。
λdimples 33  =  d dimples 33  =  ( ( 7.19×10 5 ) / Re x )  + ( 3.56×10 5 ) ( Re x )  +  1.71    ・・・等式（５）
h dimples 33  ≦  0.5 d dimples 33    ・・・等式（６）
ここで、λdimples 33、d dimples 33及びh dimples 33は、それぞれリング３２の窪み穴の、壁単位y*における角度、直径及び深さであり、Re xは特にスロットＩＶの上流における水流のレイノルズ数である。この分野において良く知られているように、壁単位は壁からの距離の無次元化寸法である。それらは次の等式を用いた長さ次元として説明することができる。
y  =  ( y* v ) / μ    ・・・等式（７）
ここで、yは有次元長さであり、vは流体の動粘度であり、μは流体の摩擦速度である。
【００１６】
弾性材料でリング３２を製作することによって、スロットＩＩＩにおいて形成されるゲルトラー渦をさらに増強させることができる。弾性材料を選択する場合、前述のように等式（４）を満足する特性を有するのが望ましい。さらに効果を増強させるために、前述のように条件（２）に当てはまる異方性弾性材料を用いることができる。
【００１７】
リング３２が図３に示された位置よりも上流に位置しているときには、例えばその横向き溝がリング３６の端部のすぐ下に位置していると、横向き溝４０は、当該横向き溝４０の範囲内に静止横向き渦を生じさせる。生じた低い圧力によって、横向き溝の範囲内に静止横向き渦がつくり出される。この低い圧力は、縦向きゲルトラー渦を含むスロットＩＩＩからの排出流をこの横向き渦が壁に抗して取り込み、スロットＩＩＩからの排出流を安定化させることよってつくり出される。リング３２がリング３６から遠ざけられている場合、横向き溝は一連の横向き渦リングを発生させ、これが流れにともなって下流に逃げ出す又は移動する。これらの横向き渦が放出される繰返し回数は、リング３２及び３４の周期運動によって（すなわち、枠組み１４を通りリング３４を間接的に支持するセンターロッド４８を振動させることによって）、あるいはリング３２の材料の弾性特性を変更することによって、制御することができる。横向き溝の寸法は、次式より与えられる。
w xverse40  =  h xverse40  =  0.5 d dimple 33    ・・・等式（８）
ここで、w xverse40及びh xverse40はそれぞれ横向き溝４０の幅及び深さである。
【００１８】
枠組み２０内における、最後のグループの流路４２は、ポリマー混合物／溶液を調節リング３２，３４，４４及び４６内へ斜めに通過させ、スロットＩＶに通じる流れをなす。スロットＩＩＩと同様に、スロットＩＶの上流側表面のカーブは、リング４４及び４６の窪み穴によって増幅された縦向きゲルトラー渦の系列をつくり出す。これらのゲルトラー渦は、スロットＩＩＩからくる渦と相互に作用し、壁近傍にポリマー溶液を保持させる役割を担う縦向き導波路を形成する。リング４４及び４６の窪み穴の寸法及び間隔は、リング３2及び４の窪み穴の場合と同じ等式により決定される。
【００１９】
スロットＩ、ＩＩＩ及びＩＶの幅は、コーン１２及び／又はリング３２及び３４を縦向きにスライドさせることによって、調節又は振動させることができる。コーン１２はセンターチューブ１８と連結され、リング３２及び３４は、枠組み１４に対するファスナーを通るセンターロッド４８によって連結される。スロット幅を調節することによって、混合物／溶液の排出速度を変化させることができる。最も効果的な抗力減少は、通常の場合、排出速度が自由流速の５％〜１０％の範囲にあるときに発生する。イジェクターボディ５０及びスロットの幅は、混合物／溶液の流速をこの望まれる混合物／溶液の流速の範囲内にするように適合される。リング３２及び３４を取り除くとともにリング４４及び４６を縦向きスロットを特徴とするリングで置き換えることによって、全体的に異なるスロットの構造を得ることができる。縦向きスロットは、自然発生の準縦向きの渦ペアにおける多数の隙間に隣接して配置されるものであり、強力な縦向き渦をつくりだす。
【００２０】
産業上の利用性
当然ながら、本発明のイジェクターは明確に図示された具体例に限定されない。また当然に、ダクト渦イジェクターは非常に多くの変形が可能である。例えば、リング３２，３４，４４及び４６は、異なる材料及び異なる構造的特徴を有するリングにより置き換えることができる。むしろ、本発明の範囲は、後に述べる請求の範囲およびそれらと法的に等しいものによって定義される。当業者が前述の説明を読んだ結果種々の変更を想到するであろうが、そのような当業者にとって明白な変更の全ては、開示された本発明の思想の範囲内であると思われる。
【図面の簡単な説明】
本発明は、後記の詳細な説明及び添付図面（これらは図解の手段としてのみ与えられたものであって本発明を限定するものではない）から、より完全に理解できるだろう。
【図１】  図１は、凹面上の抗力により発生する遠心力に起因する、ゲルトラー渦の形成を示している。
【図２】  図２Ａは、自然発生の準縦向きの渦のペアを示す等角投影図である。
図２Ｂは、自然発生の渦のペアの断面図である。
図２Ｃは、本発明の渦ダクトイジェクターにより形成される、縦向きゲルトラー渦のペアの断面図である。
【図３】  図３は、本発明の渦イジェクターの側面を示している。
【図４】  図４は、図３のイジェクターにおけるコーン要素の断面図である。
【図５】  図５は、図３のイジェクターにおけるディフューザー要素の断面図である。
【図６】  図６は、イジェクターリングの要部断面図である。
【図１】
0003677212.tif 000002
【図２Ａ】
0003677212.tif 000003
【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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