(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流れ場に存在する断面形状が筒状の円柱部材によって発生するカルマン渦を低減するカルマン渦低減装置であって、
前記円柱部材の表面の最大幅部から接線方向に、この円柱部材の内部に流入した空気を上流側から下流側に向かって噴射する空気噴射部を備え、
前記空気噴射部は、前記流れ場の空気の速度と略同じ速度で空気を噴射すること、
を特徴とするカルマン渦低減装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、流れ場に存在する断面形状が筒状の円柱部材によって発生するカルマン渦を低減するカルマン渦低減装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両の集電装置は、沿線騒音低減の点から集電舟から発生する空力音が小さいことが重要視されている。集電舟のような鈍頭な断面形状を有する柱状部材から生じる空力音の主たる原因として、部材背後に生じるカルマン渦からの圧力変動であることが知られている。このカルマン渦は、強い渦が物体後流のスパン方向に位相が揃って放出されることで、大きな圧力変動が生じ、それが遠方へ伝搬して強い空力音となる。このようなカルマン渦が原因で生じる空力音は特にエオルス音と呼ばれ、カルマン渦の放出周期に応じた狭帯域音を生ずる。エオルス音の低減には、カルマン渦自体を発生しないようにする対策が有効である。このようなエオルス音を低減する方法としては、流れの剥離そのものを抑制する方法が提案されており、流れの剥離そのものを抑制する方法としては、物体表面からの流れの剥離そのものを抑制することで、カルマン渦の発生自体を低減する方法がある。
【０００３】
従来の流体流れに置かれる鈍頭物体は、流れに対して交差して配置されている円柱状物体と、この円柱状物体の後流側に取り付けられて流れを阻害する板部材とを備えている（例えば、特許文献１参照）。このような従来の流体流れに置かれる鈍頭物体は、円柱状物体の後流側表面に沿って、この円柱状物体の境界層剥離を起こした部分に流れ込もうとする流れの発生を板部材によって阻害して、カルマン渦の発生を阻害している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2005-003206号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の流体流れに置かれる鈍頭物体は、境界層外部の流体流れが板部材に不必要に乱されることがないように、この板部材の寸法を円柱状部材の投影幅の範囲内に収めている。しかし、従来の流体流れに置かれる鈍頭物体では、円柱状物体の最大厚さ部分よりも下流側の領域において、主流方向とは逆向きの流れが生じるため、この領域では強い速度勾配が生じて強い渦が放出されてしまう問題点がある。
【０００６】
この発明の課題は、簡単な構造によってカルマン渦の発生を抑制することができるカルマン渦低減装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明は、以下に記載するような解決手段により、前記課題を解決する。
なお、この発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、この実施形態に限定するものではない。
請求項１の発明は、図３に示すように、流れ場に存在する断面形状が筒状の円柱部材（１）によって発生するカルマン渦（Ｆ11）を低減するカルマン渦低減装置であって、前記円柱部材の表面（１ａ）の最大幅部（１ｂ）から接線方向に、この円柱部材の内部に流入した空気を上流側から下流側に向かって噴射する空気噴射部（３）を備え、前記空気噴射部は、前記流れ場の空気（Ｆ1）の速度と略同じ速度で空気（Ｆ2）を噴射することを特徴とするカルマン渦低減装置（２）である。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によると、簡単な構造によってカルマン渦の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】この発明の実施形態に係るカルマン渦低減装置の構成を概略的に示す斜視図である。
【図２】この発明の実施形態に係るカルマン渦低減装置の空気噴射部の一部を省略して示す平面図である。
【図３】図２のIII-III線で切断した状態を示す断面図であり、（Ａ）は空気を噴射しているときの状態を示す断面図であり、（Ｂ）は空気を噴射していないときの状態を示す断面図である。
【図４】実施例及び比較例に係る円柱模型の外観を示す写真であり、（Ａ）は  実施例に係る円柱模型の写真であり、（Ｂ）は比較例に係る円柱模型の写真であり、（Ｃ）は実施例に係る円柱模型の吹出し口の写真である。
【図５】実施例及び比較例に係る円柱模型の風洞試験の実施状況を示す写真である。
【図６】実施例に係る円柱模型の吹出し風量の測定結果を示すグラフである。
【図７】実施例に係る円柱模型から発生する音と吹出し風速との測定結果を示すグラフである。
【図８】実施例に係る円柱模型の後流の渦度の瞬間値（吹出し用送風機の制御インバータの周波数=0Hz）の測定結果を示す図である。
【図９】実施例に係る円柱模型の後流の渦度の瞬間値（吹出し用送風機の制御インバータの周波数=20Hz）の測定結果を示す図である。
【図１０】実施例に係る円柱模型の後流の渦度の瞬間値（吹出し用送風機の制御インバータの周波数=40Hz）の測定結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、この発明の実施形態について詳しく説明する。
図１〜図３に示す円柱部材１は、流れ場に存在する断面形状が筒状の部材である。円柱部材１は、空気が流れる箇所にこの空気の流れＦ1を遮るように、水平方向、垂直方向又は斜め方向に配置されている。円柱部材１は、図３に示すように、中心軸に対して垂直な平面で切断したときの断面形状が円形である。円柱部材１は、図３に示すように、上流側に位置して空気の流れＦ1を受ける半円状の前面部分と下流側に位置する半円状の後面部分とからなる表面１ａと、空気の流れる方向に対して直交する方向であり表面１ａの前面部分と後面部分とが交わる円柱部材１の最大幅となる最大幅部１ｂなどを備えている。円柱部材１は、一方の端部が閉鎖されて他方の端部が開放されており、内部を空気が通過可能である。円柱部材１は、例えば、標識又は看板などを支持する支柱などである。
【００１１】
図１〜図３に示すカルマン渦低減装置２は、流れ場に存在する円柱部材１によって発生するカルマン渦Ｆ11を低減する装置である。カルマン渦低減装置２は、図３（Ａ）に示すように、円柱部材１の表面１ａから空気を吹き出すことによってこの円柱部材１の表面１ａに沿ってまとわりつくような噴流Ｆ2を生成する。カルマン渦低減装置２は、円柱部材１の表面１ａから剥離しようとする流れＦ1を噴流Ｆ2に沿わせて、この円柱部材１の表面１ａからこの流れＦ1が剥離するのを抑制する。カルマン渦低減装置２は、カルマン渦Ｆ11の生成を抑制することによって、このカルマン渦Ｆ11に起因するエオルス音又は振動を低減する。ここで、カルマン渦Ｆ11とは、図３（Ｂ）に示すように、円柱部材１の表面１ａで剥離した流れＦ1が円柱部材１の背後に交互に回り込むときに生じる渦（横渦）であり、エオルス音とはこのカルマン渦Ｆ11が原因となって生ずる空力音である。カルマン渦低減装置２は、図１〜図３に示す空気噴射部３と、図１に示す空気送出部４と、管路５と、制御部６と、設定部７などを備えている。
【００１２】
図１〜図３に示す空気噴射部３は、円柱部材１の表面１ａの最大幅部１ｂから接線方向に、この円柱部材１の内部に流入した空気を上流側から下流側に向かって噴射する部分である。空気噴射部３は、図３（Ａ）に示すように、円柱部材１の表面１ａから気流Ｆ1が剥離する剥離点の近傍（剥離点よりも僅かに下流側）の最大幅部１ｂから接線方向に空気を噴射して噴流Ｆ2を生成し、この噴流Ｆ2によって流れＦ1が円柱部材１の表面１ａから剥離するのを抑制する。空気噴射部３は、図１〜図３に示す吹出し口３ａと、図３に示すノズル部３ｂなどを備えている。
【００１３】
図１〜図３に示す吹出し口３ａは、円柱部材１の表面１ａを貫通する複数のスリット状の開口部である。吹出し口３ａは、図１に示すように、円柱部材１の長さ方向に所定の間隔をあけて形成されている。図３に示すノズル部３ｂは、円柱部材１の内部を流れる空気を吹出し口３ａから接線方向に吹き出すように導く部分であり、この吹出し口３ａに向かって徐々に狭くなるように形成されている。
【００１４】
図１に示す空気送出部４は、空気噴射部３に空気を送出する部分である。空気送出部４は、空気を送り出す送風機などである。管路５は、空気送出部４から空気噴射部３に向かって空気が流れる流路である。管路５は、上流側の端部が空気送出部４の送出口に接続されており、下流側の端部が円柱部材１の開口端部に接続されている。
【００１５】
制御部６は、空気噴射部３が噴射する空気の速度を制御する部分である。制御部６は、空気噴射部３に空気送出部４が送出する空気の流量が変化するようにこの空気送出部４を駆動制御する。制御部６は、例えば、空気送出部４の駆動電流の周波数を制御することによってこの空気送出部４が送出する空気の流量を調整する。
【００１６】
設定部７は、空気噴射部３が噴射する空気の速度を設定する部分である。設定部７は、例えば、空気噴射部３が噴射する空気の流速を手動操作によって選択する選択スイッチなどであり、空気噴射部３が噴射する噴流Ｆ2の流速を任意の速度に設定する。設定部７は、設定された流速に対応する周波数で駆動電流を出力するように制御部６に指令する。
【００１７】
次に、この発明の実施形態に係るカルマン渦低減装置の作用を説明する。
図１〜図３に示すカルマン渦低減装置２の空気噴射部３を円柱部材１が備えていない場合には、図３（Ｂ）に示すように空気が矢印方向に流れると、円柱部材１の最大幅部１ｂよりも僅かに上流側の表面１ａ上の剥離点で流れＦ1が剥離して、この円柱部材１の下流側に空気が交互に回り込む。このため、円柱部材１の表面１ａの剥離せん断層から発生する渦の相互作用によってカルマン渦Ｆ11が発生し、このカルマン渦Ｆ11に起因する騒音や振動が発生する。
【００１８】
一方、図１〜図３に示すカルマン渦低減装置２の空気噴射部３を円柱部材１が備えている場合には、図３（Ａ）に示すようにこの空気噴射部３が円柱部材１の最大幅部１ｂから接線方向に空気を噴射すると、この円柱部材１の表面１ａに沿ってまとわりつくような噴流Ｆ2が生成される。このため、円柱部材１の表面１ａで剥離しようとする流れＦ1が噴流Ｆ2に引き付けられてこの噴流Ｆ2に沿って流れ、流れＦ1が表面１ａから剥離し難くなる。また、円柱部材１の表面１ａで剥離しようとする流れＦ1と噴流Ｆ2とが干渉して、円柱部材１の表面１ａの剥離せん断層を発生源とするカルマン渦Ｆ11の強度がこの干渉作用によって弱められる。その結果、カルマン渦Ｆ11の生成が抑制されて、このカルマン渦Ｆ11に起因する騒音や振動の発生が抑制される。
【００１９】
この発明の実施形態に係るカルマン渦低減装置には、以下に記載する効果がある。
この実施形態では、円柱部材１の表面１ａの最大幅部１ｂから接線方向に、この円柱部材１の内部に流入した空気を上流側から下流側に向かって空気噴射部３が噴射する。このため、空気噴射部３が噴射する噴流Ｆ2によって、円柱部材１の表面１ａから流れＦ1が剥離するのを抑制してカルマン渦Ｆ11の発生を抑制し、このカルマン渦Ｆ11に起因する騒音や振動を低減することができる。
【実施例】
【００２０】
次に、この発明の実施例について説明する。
図４（Ａ）（Ｃ）に示す実施例は、図１〜図３に示す円柱部材１と同様の直径45mmの円柱部材の長さ方向に、隙間0.8mm×長さ30mmの長孔状の吹出し口を左右７段有する吹出し付の円柱模型の供試体である。図４（Ｂ）に示す比較例は、図４（Ａ）（Ｃ）に示す実施例に係る円柱模型の吹出し口がアルミニウムテープによって全て塞がれている円柱模型の供試体である。吹出し口は、図４（Ａ）（Ｃ）に示すように、円筒状部材の長さ方向に間隔をあけて13段のスリットを形成し、このスリットを１段おきにアルミテープで塞ぐことによって、円筒状部材の左右にそれぞれ７段形成されている。図４（Ａ）（Ｂ）に示す実施例及び比較例に係る円柱模型を長さ方向が上下方向と一致するように、図５に示すように風洞試験装置の風洞測定部に垂直に設置した。風洞試験装置は、風洞測定部が開放型である公益財団法人鉄道総合技術研究所の小型低騒音風洞（開放型）を使用した。
【００２１】
次に、風洞試験装置の風洞測定部に気流を流すとともに、実施例に係る円柱模型の吹出し口に向かって吹出し用送風機によって強制的に空気を送り込み、この吹出し口から吹き出す噴流の風速を測定した。図５に示すように、風洞試験装置の風洞測定部に気流を吹き出すノズルと、この風洞測定部を流れる気流を回収するコレクタとの間に、アクリル板と音響通過板とを平行に配置して風洞測定部を形成し、実施例及び比較例に係る円柱模型をこの風洞測定部に配置している。模型円柱の下端開口部には空気配管を通じて吹出し用送風機から空気が送り込まれており、この模型円柱から発生する空力騒音を騒音計によって測定している。風洞測定部を通過する気流には多数の粒子マーカが注入されおり、粒子画像流速計(Particle Image Velocimetry(PIV))のPIV用レーザから風洞測定部にレーザ光を照射し、PIV用CCDカメラによって風洞測定部を撮像して、気流の流速を測定している。
【００２２】
次に、風洞測定部の気流の主流速度を0,10,20,30,40(m/s)の５段階に変化させるとともに、吹出し用送風機の動作を制御する制御インバータの周波数を各主流速度に応じて変化させて、吹出し口からの風速を測定した。図６に示す縦軸は、吹出し風速(m/s)であり、横軸は吹出し用送風機の制御インバータの周波数(Hz)である。図６に示すように、吹出し用送風機の周波数を変化させたところ、風洞測定部の気流が停止している状態だけではなく気流が流れている状態であっても、実施例に係る円柱模型の吹出し口から周波数に応じた風速によって気流を噴射可能であることが確認された。
【００２３】
次に、風洞試験装置の風洞測定部に主流速度30m/sの気流を流し、実施例及び比較例に係る円柱模型から側方に２ｍ離して設置したマイクロホンによって、これらの円柱模型から発生する音を測定した。図７に示す縦軸は、音圧レベル(dB(F)/Hz)であり、横軸は周波数(Hz)である。ここで、図７に示す暗騒音とは、複数の音が同時に存在する場合に、ある特定の音に着目したときのそれ以外の音であり、例えば空力音を対象として考える場合に、この空力音がないときの送風機の騒音などを空力音に対する暗騒音という。図７に示すように、風洞測定部の主流速度が30m/sである場合に、吹出し用送風機の制御インバータの周波数を20Hzに調整して実施例に係る円柱模型の吹出し口から35m/s程度の気流を噴射すると、比較例に係る円柱模型に比べてこの実施例に係る円柱模型から発生する騒音が低下することが確認された。一方、制御インバータの周波数を30,40,50Hzに調整して実施例に係る円柱模型の吹出し口から気流を噴射すると、この円柱模型の吹出し口から噴射される気流の噴射音によって、1000Hz付近の音圧レベルが高くなることが確認された。
【００２４】
次に、風洞測定部の主流速度が30m/sであるときに、PIVを使用して流れ場の流速を測定し、実施例に係る円柱模型の後流の渦度の瞬間値（有効な全データ）を7.5Hz毎に測定した。その結果、図８に示すように、吹出し用送風機の制御インバータの周波数=0Hzの場合であって、実施例に係る円柱模型の吹出し口から気流を噴射していないときには、この円柱模型の後方にカルマン渦が生成されていることが確認された。一方、図９に示すように、吹出し用送風機の制御インバータの周波数=20Hzの場合であって、実施例に係る円柱模型の吹出し口から35m/s程度の気流を噴射したときには、図８に示すカルマン渦が小さくなっていることが確認された。同様に、図１０に示すように、吹出し用送風機の制御インバータの周波数=40Hzの場合であって、実施例に係る円柱模型の吹出し口から60m/s程度の気流を噴射したときにも、図８に示すカルマン渦が小さくなっていることが確認された。以上より、風洞測定部の主流速度と略同じ速度で円柱模型の吹出し口から気流を噴射すると、この円柱模型から発生する騒音を低減可能であることが確認された。
【００２５】
この発明は、以上説明した実施形態に限定するものではなく、以下に記載するように種々の変形又は変更が可能であり、これらもこの発明の範囲内である。
この実施形態では、円柱部材１の断面形状が円形である場合を例に挙げて説明したが、断面形状が楕円形、四角形、多角形又は前後非対称な形状である場合についてもこの発明を適用することができる。また、この実施形態では、円柱部材１の表面１ａの長さ方向に吹出し口３ａを所定の間隔で配置する場合を例に挙げて説明したが、吹出し口３ａの寸法、設置個数及び設置間隔を限定するものではない。例えば、吹出し口３ａの寸法が異なるものを不等間隔で並べて配置したり、種々の寸法、設置個数及び設置間隔に設定したりすることもできる。
【符号の説明】
【００２６】
１  円柱部材
１ａ  表面
１ｂ  最大幅部
２  カルマン渦低減装置
３  空気噴射部
３ａ  吹出し口
３ｂ  ノズル部
４  空気送出部
５  管路
６  制御部
７  設定部
Ｆ1  流れ
Ｆ11  カルマン渦
Ｆ2  噴流
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図７】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
0005843377.tif 000009
【図９】
0005843377.tif 000010
【図１０】
0005843377.tif 000011