(57)【要約】【課題】  流体・表面境界における境界層内の流体の流れを制御する方法の提供。【解決手段】  流体接触面から境界層内に突出する複数のブレード１１を設ける工程であって、使用時に該ブレード１１が、該境界層における流体の流れ１４を制御する方向に該複数のブレード１１が設けられる工程を有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体・表面境界（３）における境界層（８）内の流体の流れ（４、６、１４）を制御する方法であって、
流体接触面（３）から境界層（８）内に突出する複数のブレード（１１）を設ける工程であって、使用時に該ブレード（１１）が、該境界層（８）における流体の流れ（４、６）を制御する方向に該複数のブレード（１１）が設けられる工程を有することを特徴とする流体の流れを制御する方法。
【請求項２】
該ブレード（１１）は、該流体の流れ（４、５、１４）を真っ直ぐにする（１６）方向に設けられることを特徴とする請求項１記載の流体の流れを制御する方法。
【請求項３】
該ブレードは、該流体の流れを真っ直ぐにするように、流体の流れの方向と略一致した方向に設けられることを特徴とする請求項１又は２記載の流体の流れを制御する方法。
【請求項４】
該ブレードは、該流体接触面における抗力又は表面摩擦を低減する方向に設けられることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一記載の流体の流れを制御する方法。
【請求項５】
該ブレード（１０１）は、該流体の流れ（１０３）に乱流又は渦（１０５）を発生させる方向に設けられることを特徴とする請求項１記載の流体の流れを制御する方法。
【請求項６】
該ブレードは、該流体の流れに乱流又は渦を発生させるように、流体の流れの方向と交差する方向に設けられることを特徴とする請求項１又は５記載の流体の流れを制御する方法。
【請求項７】
該流体接触面は、乗り物又は流体搬送導管の流体接触面であることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一記載の流体の流れを制御する方法。
【請求項８】
表面（１３）と、該表面（１３）から突出する複数のブレード（１１）とを備え、
該表面上を流体（１４）が流れて境界層を形成し、
該ブレード（１１）は、使用時に、該境界層内の流体の流れを制御することが可能なように構成されていることを特徴とする境界層流れ制御装置。
【請求項９】
該ブレード（１１）は、該流体の流れ（１４）の予想される方向に整列し、使用時に、該境界層内の該流体の流れ（１６）を真っ直ぐにすることが可能であり、もって、流れ制御装置が設けられていない同じ表面と比較して、表面摩擦又は抗力を低減することを特徴とする請求項８記載の境界層流れ制御装置。
【請求項１０】
該ブレードは、該流体の流れの予想される方向と交差する角度に設けられ、使用時に、該境界層内の流体の流れに乱流又は渦を発生させることが可能であり、もって、流れ制御装置が設けられていない同じ表面と比較して、表面摩擦又は抗力を増大させることを特徴とする請求項８記載の境界層流れ制御装置。
【請求項１１】
該ブレードは、該表面から略真っ直ぐに延びるように設けられることを特徴とする請求項１乃至７の何れか一記載の流体の流れを制御する方法、又は、請求項８乃至１０の何れか一記載の境界層流れ制御装置。
【請求項１２】
該ブレードは、（ａ）平板要素として構成される、（ｂ）略矩形状である、（ｃ）略平行である、（ｄ）略一定の高さを有する、（ｅ）略一定の幅を有する、（ｆ）略一定の弦を有する、（ｇ）略一定の間隔を有する、（ｈ）略一定の向きを有する、（ｉ）略一定の寸法を有する、又は、（ｊ）寸法が表面にわたって異なる、という特徴のうち少なくとも一の特徴を備えることを特徴とする請求項１乃至７、若しくは１１の何れか一記載の流体の流れを制御する方法、又は、請求項８乃至１１の何れか一記載の境界層流れ制御装置。
【請求項１３】
該ブレードは、該境界層内に、１００乃至２００壁面量だけ突出することを特徴とする請求項１乃至７、１１、若しくは１２の何れか一記載の流体の流れを制御する方法、又は、請求項８乃至１２の何れか一記載の境界層流れ制御装置。
【請求項１４】
該ブレードの向きは、流体の流れの方向に対して調整可能であることを特徴とする請求項１乃至７、若しくは、１１乃至１３の何れか一記載の流体の流れを制御する方法、又は、請求項８乃至１３の何れか一記載の境界層流れ制御装置。
【請求項１５】
該ブレード（１１’、１１’’）は、複数の繰り返し列のアレイ（１７’、２９）として配列されることを特徴とする請求項１乃至７、若しくは、１１乃至１４の何れか一記載の流体の流れを制御する方法、又は、請求項８乃至１４の何れか一記載の境界層流れ制御装置。
【請求項１６】
該ブレードはＸ：Ｙ：Ｚの高さ、幅、弦の比を有し、Ｘは１から６の値を有し、Ｙは１から６の値を有し、Ｚは１から６の値を有することを特徴とする請求項１乃至７、若しくは、１１乃至１５の何れか一記載の流体の流れを制御する方法、又は、請求項８乃至１５の何れか一記載の境界層流れ制御装置。
【請求項１７】
該流体接触面から突出する流れマニピュレータブレードを有さない航空機を含む乗り物と比較して、
ａ）表面抗力の低減、
ｂ）騒音レベルの低減、
ｃ）燃料消費の低減、又は、
ｄ）速度の向上
において、少なくとも、２％、５％、１０％、又は、１５％の改善が認められることを特徴とする請求項７記載の流体の流れを制御する方法。
【請求項１８】
請求項８乃至１６の何れか一記載の境界層流れ制御装置が取り付けられることを特徴とする表面。
【請求項１９】
胴体、翼、及び尾部を有し、請求項８乃至１６の何れか一記載の境界層流れ制御装置が該胴体、翼、及び／又は尾部上に取り付けられることを特徴とする航空機。
【請求項２０】
請求項８乃至１６の何れか一記載の境界層流れ制御装置が取り付けられる内面を有することを特徴とするパイプ。
【請求項２１】
外表面を有する航空機の表面抗力を低減する方法であって、
多数の、好ましくは少なくとも５００個の流れマニピュレータ制御ブレードを、該外表面に固着する工程を有し、
該ブレードは、該航空機外板を通過する流体の流れが予想される方向に整列するように設けられることを特徴とする航空機の表面抗力を低減する方法。
【請求項２２】
内面を有するパイプ又は導管の表面抗力を低減する方法であって、
流れマニピュレータ制御ブレードを該内面に固着する工程を有し、
該ブレードは、該表面を通過する流体の流れが予想される方向に整列するように設けられることを特徴とするパイプ又は導管の表面抗力を低減する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体・表面境界における境界層内の流体の流れの制御に関し、特に、乱流の制御に関する。
【０００２】
境界層内の流体の流れの制御は、流体・表面境界における摩擦又は表面抗力を低減する、又は、増大させる作用がある可能性がある。特に、本発明は、境界層内の乱流の制御に関する。
【０００３】
本発明は、自動車、道路車両、列車、航空機、ボート、船、潜水艦、ホバークラフト、バルーンなどの、流体を通って進む任意のクラフトを意味する乗り物、特に、航空機の流体・表面境界において、また流体の流れ及び付随する摩擦又は表面抗力の制御が問題となる、空気、油、又は、他の流体を搬送するパイプ又は導管について特に使用される。しかしながら、本発明は、風タービンブレード、ガスタービンブレード、又は水泳着などの流体・表面境界が存在する任意の状況に使用可能である。
【背景技術】
【０００４】
流体の境界層は、空中の航空機、あるいは、ガス又は液体を搬送するパイプなどの、接触する流体に対して相対的に移動する、任意の固体物体又は表面を囲む。より具体的には、境界層は、表面と、表面上のメインストリーム流体流との間の流体層である。表面と流体・表面境界における流体の相対速度はゼロである。流体が表面から離れてメインストリーム流体流の方に移動し、遂には、メインストリーム流体流速度に達するため、表面に隣接する境界層を通して速度の移行が存在する。
【０００５】
境界層内の流体の流れの性質は、固体表面における表面摩擦又は抗力の程度を決定する。乱流は、境界層における流体の流れが層流である時の２倍を超える可能性がある、大きな表面摩擦又は抗力を生ずる。
【０００６】
物体が、粘性のある媒体中を進行する、あるいは実際に粘性のある媒体が物体を通って、又は物体上を進行するときは常に、抗力がシステムの機械的な効率を低下させる。こうしたシステム（航空機、流体力学的乗り物又はパイプライン）が効率よく動作するには、かかる抗力ができる限り小さいことが必要である。
【０００７】
表面に作用する全体の抗力は、複数の成分、すなわち、圧力抗力、誘導抗力、及び、高いマッハ数の場合、造波抗力に分けられることができる。音速以下の速度における流線型物体の場合、抗力の主成分は外板摩擦による。
【０００８】
例えば、航空機において、抗力又は表面摩擦を低減するために、境界層内の乱流を低減すること、及び、層流をより多くすることを促進することが望ましい。航空機の外表面にかかる表面摩擦の低減によって、例えば、外板摩擦を克服するために用いられる商用航空機で燃焼する燃料の５０％までの燃料効率の改善が可能になる。燃料効率の上昇によって、乗客／積荷の容量が増え、飛行が速くなり、より短い滑走路を使用することさえでき、騒音レベル及び構造疲労も低下する場合がある。通常、これらの利点の間のバランスがとられる。
【０００９】
抗力又は表面摩擦の低減はまた、流体・表面境界における熱伝達を低減するのに用いられることができ、構造が過度の温度から守られる。
【００１０】
他の状況において、抗力又は表面摩擦を増大させることが望ましい場合がある。例えば、ある航空機は、離陸中の揚力を増すための、渦インデューサ又は発生器として知られる装置を使用する。
【００１１】
境界層内の流体の流れの操作に対処するために、特に、航空機の表面摩擦又は抗力を低減するために多くの研究が行われてきた。この研究は、おおまかに、２つの分野、すなわち、受動制御と能動制御に分けることができる。受動技法は、全体的な外板摩擦低減を得るために、エネルギー入力なしで、乱流境界層に対して、大規模な大域制御を課そうと試みる。能動制御は、局所レベルで、乱流を検知し、次に、乱流と相互作用することによっており、その目的は、おそらく、全体の再生機構に対してより広い作用を与えながら、局所外板摩擦を低減することである。本発明者等が知る従来技術のいくつかを以下に列挙する。
【００１２】
特許文献１には、表面にかかる空気力学的及び流体力学的な外板摩擦の低減をもたらす流れ制御の受動システムが記載されている。表面摩擦又は抗力は、２つの装置、すなわち、（ｉ）壁表面に近い流体の流れの中の擾乱を減らすこと、特に、壁渦及び乱流バーストの規模を低減するための、０．０５〜０．５ｍｍの寸法を有する一連のリブレット、すなわち流れに整列する小さなｖ字状の微小溝、ならびに、（ｉｉ）大規模な渦を分裂させるための、約７．５〜１５ｍｍである境界層の厚みの５０〜８０％にわたって空気流に平行に、又は、空気流をスパン方向に横切って延びる、小さな翼型又は平板リボンとして構成された、大渦粉砕（ＬＥＢＵ）装置、の組み合わせによって減少する。特許文献２及び特許文献３にも、リブレットとして構成された表面摩擦又は抗力低減装置が記載されている。
【００１３】
非特許文献１には、７．６２ｃｍの４つの垂直要素によって支えられる１つ、２つ、又は３つの水平要素の２２．８６ｃｍスパン方向アレイを用いた試験が記載されている。確認の目的のためだけに提供されると考えられる垂直要素のパラメータ解析は行われなかった。
【００１４】
非特許文献２には、表面に平行に延びる水平要素として構成されるＬＥＢＵ装置を用いる調査について記載されている。ＬＥＢＵ装置は、積み重ねた、また、縦列の、種々の高さ及び弦で試験した。
【００１５】
非特許文献３には、５０％のｃｆ（外板摩擦）低減をもたらす、ほぼ境界層の高さの小さなハニカムフェンスとして構成されるＬＥＢＵ装置が記載されている。しかしながら、正味の抗力は、数百パーセント増加することが認められる。
【００１６】
ＬＥＢＵ装置は、飛行中の抗力又は表面摩擦を低減するために、航空機に使用されてきた。こうした装置は一般に、航空機外側フレームから懸垂保持され、航空機の表面に平行に延び、流体の流れの方向を横切るように方向づけられる小さな翼型又は水平装置として構成される。一般に、ＬＥＢＵ装置は、大渦を分裂させるために境界層の縁部の近くに配置される。
【００１７】
【特許文献１】米国特許第４７０６９１０号明細書（ウォルシュ他）
【特許文献２】米国特許第５８４８７６９号明細書（フロネック他）
【特許文献３】国際公開第８９／１１３４３号パンフレット（チョイ）
【非特許文献１】へフナー、ウェインスタイン、及びブシュネル著、「宇宙飛行士と操縦士７２」、（Ｈｅｆｎｅｒ，  Ｗｅｉｎｓｔｅｉｎ  ＆  Ｂｕｓｈｎｅｌｌ  （１９７９）  Ｐｒｏｇ．  Ａｓｔｒｏｎａｕｔ  Ａｅｒｏｎａｕｔ  ７２）、ｐ１１０−１２７
【非特許文献２】サビル及びマムフォード著、「流体力学１９１」（Ｓａｖｉｌｌ  ＆  Ｍｕｍｆｏｒｄ  （１９８８）  Ｊ．  Ｆｌｕｉｄ  Ｍｅｃｈ．  １９１）、ｐ３８９−４１８
【非特許文献３】ヤジュニック及びアチャリャ著、「乱流の構造とメカニズム、物理学講義ノート第７６巻」（Ｙａｊｎｉｋ  ＆  Ａｃｈａｒｙａ  （１９７７）  ｉｎ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ａｎｄ  Ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ  ｏｆ  Ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ，  Ｌｅｃｔｕｒｅ  Ｎｏｔｅｓ  ｉｎ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，  ｖｏｌ：  ７６）、ｐ２４９−２６０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
ＬＥＢＵ装置は表面から懸垂保持されることが必要であるため、装置の剛性及び安全性の問題が生ずる。薄いシートとして構成される場合、ＬＥＢＵ装置は、十分に支持されないとフラッタリングする傾向がある。しかしながら、より多くの支持部材を導入すると、又は装置の厚みが増加すると、装置の抗力（ドラッグ）が悪化する。実際、高いレイノルズ数では、ＬＥＢＵ装置の好ましい設計形状は翼型断面（抗力が小さく、高い剛性構造）に変わり、プロファイル形状、迎え角、及び、弦Ｒｅ数に敏感であるという複雑な問題が生じる。
【００１９】
レイノルズ（Ｒｅ）数は、Ｒｅ＝Ｕｘ／νとして規定され、ここで、Ｕは流速であり、ｘは物体の長さであり、νは流体の動粘度である。風洞又は研究所の実験と比較して、航空機の上の境界層のレイノルズ数は大きい。それは、Ｕ（航空機速度）及びｘ（物体長さ）が、航空機に関して大きいためである。
【００２０】
弦レイノルズ数は、ｘがブレードがその上に配置される物体の長さではなく、ブレードの翼弦長であることを除いて、上述した通りである。
【００２１】
英国特許庁は、本発明に関し新規性調査を行い、渦形成を引き起こして、流体・表面境界における抗力を低減すると主張される装置及び方法に関する米国特許第５９８８５６８号、独国特許第３５３４２６８号、独国特許第３６０９５４１号、米国特許第４４２５９４２号、米国特許第４８３６４７３号、米国特許第５７３４９９０号、及び英国特許第１０３４３７０号を特定した。
【００２２】
外板摩擦の低減は、壁近傍構造を阻止するために、ポリマー鎖を流体の流れの中に注入することによって、又は、マイクロバブルを液体流に注入することによっても実現された。あるいは、スパン方向に表面を振動させること、さらに、例えば、海水のローレンツ力制御を用いて、スパン方向に流れを振動させることによって、外板摩擦が減少する場合がある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明は、流体・表面境界における境界層内の流体の流れを制御する方法であって、流体接触面から境界層内に突出する複数のブレードを設ける工程であって、使用時に該ブレードが、該境界層における流体の流れを制御する方向に該複数のブレードが設けられる工程を有する方法を提供している。
【００２４】
好ましくは、ブレードは自立型である。
【００２５】
好ましくは、ブレードは、流体の流れを真っ直ぐにするように方向づけられ、それに応じて、流体の流れの方向と全体が整列した状態で方向づけられる。この構成において、ブレードは、境界層内の乱流を取り除き、真っ直ぐにする流れマニピュレータブレードを備える。結果として、ブレードの下流の流体の流れは、ブレードの上流よりも乱流が少なくなり、ブレードなしの同じ表面と比べて、流体・表面境界の乱流によって生成される摩擦又は表面抗力は減少する。
【００２６】
あるいは、ブレードは、流体の流れの中で乱流を発生させるか、又は、渦を生成するように方向づけられてもよい。より具体的には、これは、流体の流れの中で乱流又は渦を発生させるように、ブレード、特に、翼及び／又は安定板の上のブレードを、流体の流れの方向を横切る角度に向けることによって達成されてもよい。これは、表面における表面摩擦又は抗力を増す場合がある。
【００２７】
好ましい方法において、ブレードは、航空機などの乗り物の流体接触面、又は、パイプなどの流体搬送導管の流体接触面に使用される。
【００２８】
好ましくは、表面抗力又は摩擦の減少は、空気力学的騒音を減らし、構造疲労を減らし、ならびに重量を軽減する。通常、熱伝達は、表面摩擦又は抗力が減少する結果として生じ、したがって、ブレードが使用される構造／表面が過度の温度からある程度保護される。好ましくは、流体接触面から突出する流れマニピュレータブレードなしの、航空機を含む乗り物と比べて、表面抗力の低減、騒音レベルの低減、燃料消費の低減、又は、速度の向上において、少なくとも、２％、５％、１０％、又は、１５％の改善が認められる。
【００２９】
少なくとも１００個のブレードを用いてもよい。あるいは、少なくとも１，０００個のブレードを用いてもよい。あるいは、少なくとも１０，０００個のブレードを用いてもよい。
【００３０】
また本発明は、表面と、該表面から突出する複数のブレードとを備え、該表面の上において境界層内を流体が流れることができ、該ブレードは、使用時に、該境界層内の流体の流れを制御することが可能なように構成されている境界層流れ制御装置を提供している。
【００３１】
好ましくは、該ブレードは、該流体の流れの予想される方向に整列し、使用時に、該境界層内の該流体の流れを真っ直ぐにすることが可能であり、もって、流れ制御装置が設けられていない同じ表面と比較して、表面摩擦又は抗力を低減する。
【００３２】
あるいは、該ブレードは、該流体の流れの予想される方向と交差する角度に設けられ、使用時に、該境界層内の流体の流れに乱流又は渦を発生させることが可能であり、もって、流れ制御装置が設けられていない同じ表面と比較して、表面摩擦又は抗力を増大させる。
【００３３】
好ましくは、ブレードは、表面上にほぼ垂直に取り付けられ、ほぼ矩形である平板要素として構成されてもよい。好ましくは、ブレードは、ブレードの長さ、及び／又は、幅にわたって一定断面を有する。さらに、ブレードは、全体が平行に取り付けられ、一様な高さ、及び／又は、幅、及び／又は、弦、及び／又は、間隔、及び／又は、向き、及び／又は、寸法、及び／又は、使用時の剛性を有する。あるいは、ブレードの寸法は、表面にわたって変わってもよい。
【００３４】
好ましくは、ブレードは、例えば、境界層の深さの約２５％〜約５０％で、１００〜２００壁面量だけ境界層内に突出する。壁面量は、局所内部流れ条件ｈ＋＝ｈｕ＊／νに基づく無次元単位であり、ここで、ｈ＋は無次元ブレード高さであり、ｈは実際の高さであり、ｕ＊は摩擦速度であり、νは動粘度である。ブレードは、高さが１ｍｍであり、１ｍｍの弦を有し、１ｍｍの間隔で配置されてもよい。好ましくは、ブレードの高さ対幅対弦の比は、以下の一覧から選択される。
【００３５】
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【００３６】
ブレードの高さ、弦、又は、間隔は、２〜１０ｍｍであってもよい。ブレードの幅は、約０．１ｍｍであってよく、あるいは、ブレードは、厚みが０．２〜１０ｍｍであってもよい。ブレードの高さは０．５ｍであってもよい。あるいは、ブレードの高さは、０．６〜１０ｍｍであってもよい。
【００３７】
ブレードは、０．５ｍｍの弦を有してもよい。あるいは、ブレードは、０．６〜１０ｍｍの弦を有してもよい。ブレードは０．３ｍｍの間隔で配置されてもよい。あるいは、ブレードは０．４〜１０ｍｍの間隔で配置されてもよい。
【００３８】
ブレードの高さ、及び／又は、弦、及び／又は、間隔は、ブレードが取り付けられている表面上で異なっていてもよい。
【００３９】
更に他の実施形態においては、ブレードの方向は流体の流れの方向に対して調整可能であってもよく、実際、ブレードの方向は流体の流れの方向に対して一定の向きを維持するように調整可能であってもよい。
【００４０】
好ましくは、ブレードは、その位置が正（流体の流れと一致する方向）及び負（流体の流れに対して交差する方向）の迎え角の間で変化することができるように積極的に制御されてもよい。航空機上でのブレードの逆回転を用いて、境界層を付勢し、航空機の高い入射における失速剥離など、フライトエンベロープにおけるある点で起こる剥離を防止することができる。剥離制御が必要とされない時、ブレードは、外板摩擦を減少させるために、流れに対して再整列することができる。ブレードの回転を可能にするために、流れ方向の間隔の調整が必要とされる場合がある。
【００４１】
積極的に調整可能なブレードはまた、流体の流れの局所的又は選択的な方向制御を可能にする指向性制御を提供する。例えば、航空機に関し、一方の翼上での外板摩擦を減らし、他方の翼上での外板摩擦を増大させることによって、局所的なヨーイングモーメントを生成することができる。同様に、安定板のまわりの空気流の操作により、ピッチングモーメントを生成することができる。
【００４２】
上述した好ましい配置構成において、ブレードは、表面から真っ直ぐに延びて取り付けられる薄い矩形要素として構成されるが、種々のブレード形状及び突出角度を備える別の構成が考えられる。
【００４３】
本発明の別の実施形態において、平行ブレードの少なくとも１つの列を有する、ブレードのアレイが考えられる。しかしながら、流体の流れの境界層に与えるブレードの整流作用は、一時的に過ぎないため、流体がブレードの列を通過してかなりの距離を流れた後、乱流が、流れの中に再び現れ始める場合がある。そのため、流体の流れの中に大きな乱流が再出現するのを防止するように離間した、繰り返しのブレード列が採用されてもよい。好ましいブレードアレイにおいて、この間隔は、ブレード高さの約５０〜１００倍である。あるいは、ブレードの列は、流れ方向に、８０ｍｍ〜２００ｍｍの間隔で配置されてもよい。
【００４４】
好ましくは、ブレードのアレイは少なくとも２列のブレードを備える。第１列は、流体の流れの方向に整列した複数の平行ブレードを備え、第２列もまた、流体の流れの方向に整列した複数の平行ブレードを備える。好ましくは、２列のブレード間の間隙にはブレードが存在しない。好ましくは、第１列のブレードは、第２列のブレードと共通の長手方向軸を共有する。
【００４５】
これは、抗力又は表面摩擦の低減が求められる全表面にわたって使用されなければならない米国特許第４７０６９１０号に記載されるリブレットとは著しく異なる。さらに、（０．０５〜０．５ｍｍの）小さなｖ字状溝としてのリブレットの構成は、その中に溜まるようになる廃物又は汚れの問題を生じ、高いメンテナンス要求をもたらす。
【００４６】
本発明の更なる態様によれば、境界層流れ制御装置が取り付けられる表面を提供する。
【００４７】
好ましくは、表面は、飛行機などの乗り物又はパイプ上にあるものである。
【００４８】
本発明の更なる実施形態において、ストリップ又はパッチ上に取り付けられた、流れマニピュレータブレード要素が設けられ、ストリップ又はパッチは、製品又は表面の製造中に表面上に組み込まれることができるか、又は、既存の表面に使用することができる。例えば、ブレードは、乗り物上又はパイプ内の表面に後付けされてもよい。特に、ブレードは、航空機の表面に使用されてもよい。あるいは、ブレードは、パイプの流体・表面境界、又は、任意の流体搬送導管に使用されてもよい。
【００４９】
胴体、翼、及び尾部を有する航空機に関し、境界層流れ制御装置は、胴体、翼、及び／又は、尾部上に取り付けられてもよい。
【００５０】
パイプにおいて、境界層流れ制御装置は、内面上に取り付けられてもよい。好ましくは、パイプは、中心軸を有し、それを中心に流れマニピュレータブレードが半径方向に配置され、中心軸に向かって内側に延びる。ブレードは、パイプの内面上で、１つの個別のバンド又は複数の別々のバンドとして配置されてもよい。
【００５１】
更なる態様によれば、本発明は、本発明による境界層流れ制御装置が表面上に取り付けられる航空機を提供し、ブレードが境界層の流体の流れを真っ直ぐにする方向に設けられる第１の構成と、ブレードが境界層内に乱流を発生させる方向に設けられる第２の構成の間で移動可能である。
【００５２】
また本発明は、外表面外板を有する航空機の表面抗力を低減する方法であって、多数の、好ましくは少なくとも５００個の流れマニピュレータ制御ブレードを、該表面外板に固着する工程を有し、該ブレードは、該航空機外板を通過する流体の流れが予想される方向に整列するように設けられる航空機の表面抗力を低減する方法を提供している。
【００５３】
あるいは、少なくとも１０００個のブレードが、表面外板に固着されるか、少なくとも１００００個のブレードが、表面外板に固着されてもよい。
【００５４】
また本発明は、内面を有するパイプ又は導管の表面抗力を低減する方法であって、流れマニピュレータ制御ブレードを該内面に固着する工程を有し、該ブレードは該表面を通過する流体の流れが予想される方向に整列するように設けられるパイプ又は導管の表面抗力を低減する方法を提供している。
【００５５】
本発明のブレードは、自立型であり、したがって、懸垂保持を必要とするＬＥＢＵ装置の制約がかなりなくなるはずである。
【００５６】
ブレードが、表面摩擦又は抗力を低減するように構成され、流れに整列すると、任意の装置抗力が最小になり、装置の厚みが形状抗力を低下させるのに十分に小さくなる。
【００５７】
壁近傍構造に関連する浮揚した長手方向渦の分裂を含むいくつかの作用により、流れに整列する垂直ブレード要素を用いる時に、表面摩擦又は抗力の低減が認められる。また、長手方向渦の近方場分裂が認められる。さらに壁／表面から、ブレード要素は、ヘアピン又は馬蹄渦のヘッド及びネックと相互作用し、渦を打ち消し、ほぐして、表面摩擦又は抗力を低減するようにする。ブレード要素はまた、境界層内のスパン方向乱流動を抑制するプレート作用及びウェーク作用を有し、したがって、壁に垂直でかつ長手方向の渦巻き運動成分を低減する。
【００５８】
本発明の何れかの態様に関連して説明した選択的な特徴は、本発明の全ての態様に適用可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５９】
本発明の実施の形態による流体の流れを制御する方法について図面を参照して説明する。
【００６０】
図１Ａは、境界層の場所を示すために、表面３の上の流体流の流れ４、６を概略図で示す。本質的に、表面３の上に流体４のメインストリームの流れが存在する。表面と接触すると、流れは、流体・表面境界において分裂する。表面３とメインストリームの流れ４の間の、分裂した空気流６のこの層は、境界層８として知られる。境界層の深さは、空気運動の相対速度及び方向、ならびに、流体の粘度に応じて変わる。
【００６１】
図１Ｂは、表面１３上に取り付けられた流れマニピュレータブレード１１のアレイ１７の斜視図を示す。流体１４−表面１３境界における全体の流体の流れ１４の分裂１５が示される。
【００６２】
表面１３は、６つの領域に分けて示され、そのうち３つは表面の一番上に配置され（２１、２２、及び２３）、別の３つは一番下に配置される（２４、２５、及び２６）。領域２１、２２、及び２３は、境界層内で、流れマニピュレータブレード１１が流体の流れ１４に与える作用を示す。比較すると、領域２４、２５、及び２６は、流れマニピュレータブレードなしの、汚れのない平板平坦面の上の流体の流れを示す。
【００６３】
最初に、表面１３（汚れのない表面を表す）の一番下の領域２４、２５、及び２６を考えると、流体の流れ１４は、表面の領域２４内を通ると、境界層内に乱流１５が現れ始める。流体の流れが、領域２５及び２６を通って進行すると、乱流１８が増大する。この増大した乱流１８は、表面摩擦又は抗力の増加を生ずる。
【００６４】
対照的に、一番上の領域２１、２２、及び２３は、境界層内で、流れマニピュレータブレード１１が流体の流れに与える作用を示す。下部領域２４に示すように、流体の流れが、表面１３の領域２１を通る時、流体の流れが分裂し、乱流１５が境界層内で発生し始める。乱流１５は、領域２２内に入り、表面１３上にアレイ１７として取り付けられた、垂直搭載型の平行な薄い矩形ブレード要素１１を通過するため、流れは、真っ直ぐになり、事実上より層流１６になる。
【００６５】
この実施形態において、ブレード１１は、列で位置する平行ブレード１１のアレイ１７として構成され、各ブレード１１は、流体の流れ１４の方向に、すなわち、流体の流れに対してゼロの迎え角で整列する。ブレード１１は、等間隔に配置され、表面１３に直角に位置し、全てが一定の高さ、弦、及び幅を有する。
【００６６】
しかしながら、流れに対して整流作用は、一時的に過ぎず、領域２３に示すように、ブレード１１の下流の一定の距離のところで、乱流が再び発生し始め、乱流１９は、ほぼ層流１６の中に再出現し始める。
【００６７】
図２はさらに、流体の流れ１４’に対する流れマニピュレータブレード１１’の整流作用が一時的であることを示す。流れマニピュレータブレード１１’の第１アレイ又は列１７’は、第１アレイ１７’と平行な、ブレード１１’’の第２アレイ又は列２９と共に示される（図１のアレイ１７と同じである）。この第２アレイ２９は、第１アレイ１７’の下流に配置され、先に真っ直ぐにされた流体の流れ１６’が分裂し、再び乱流１９になり始めるところに位置する。第２アレイ２９は、流体の流れを再び真っ直ぐにするのに役立ち、表面１３’のより長い長さにわたってより層状の流れ１６’’を維持する。例えば、ブレードが、１００〜２００壁面量だけ境界層内に延びる時、ブレードの第２列は、ブレード高さの約５０〜１００倍のところの下流に位置することが予想される。第１ブレード１１’の長手方向軸は、第２ブレード１１’’の長手方向軸とほぼ同じ平面にある。境界層内の流体の流れを真っ直ぐにすることによって、乱流が減り、流体・表面境界における摩擦又は表面抗力が減少する。
【００６８】
境界層流体の流れの乱流の減少、したがって、抗力及び表面摩擦の低減は、長い間、航空機の設計における関心事であった。本発明の流れマニピュレータブレード要素は、摩擦を低減するために、航空機の外表面上に取り付けるのに適することが考えられる。
【００６９】
図３は、乱流及び摩擦が問題である場合があり、流体の流れの予想される方向に整列する流れマニピュレータブレード３１が、流体の流れを真っ直ぐにし、摩擦を低減するのに役立つと思われる可能性のある領域３４を強調する概略図の航空機３２を示す。経済的な理由で、流れマニピュレータブレードが、航空機の全表面にわたって取り付けられる可能性はなく、ブレードが、ノーズ、前部胴体、ならびに、翼、尾部、及び安定板の前部などの、主として、層流を受けるエリアの上に取り付けられる可能性はない。むしろ、流れマニピュレータブレード３１は、抗力又は表面摩擦が問題である領域３４に対してのみ使用される。実際に、ブレードは、整流作用の一過性を解決するために、図２で説明したように離間し、それによって、領域３４において、縞模様あるいはリーマーテール（ｌｅｍｕｒ  ｔａｉｌ）効果を生じる可能性がある。拡大図３６は、航空機の表面３７エリアを示し、ブレード３１の２つの離間した列３８、３８’を示す。さらに、ブレードはまた、吸い込み効率を改善するために、空気取り込み口の上流に配置されてもよい。
【００７０】
約１０，０００個の流れマニピュレータブレードが、航空機に使用されることが予想され、ブレードの列は、通常、８０〜２００ｍｍの間隔で配置され、主として、翼、ノーズ、尾部、及び安定板の後ろで、かつ、ノーズ及び最も前方の領域を除く胴体の長さに沿って配置される。多数のブレードが使用されることは、任意の１つのブレードがなくなるか損傷しても、ブレードアレイの総合的な作用に対して大きな影響を与えないと思われることを意味する。
【００７１】
通常、航空機に関して、航空機が航行している時に、ブレードは、流れに整列するように構成される。ほとんどの航空機の場合、航空機の種々の部分にわたる流体の流れの方向に対応する流れベクトルが知られており、それが、実際に、適切な層流／乱流転移点である。
【００７２】
図４Ａ及び図４Ｂは、今述べている流れマニピュレータブレード４１のための別の実用的な使用を示し、流れマニピュレータブレード４１は、パイプ４３の内面４２上に取り付けられる。実際に、流れマニピュレータブレード４１は、開放チャネルなどの、任意の流体搬送導管の流体・表面境界上に配置されることができる。
【００７３】
より詳細には、図４Ａは、流れマニピュレータブレード要素４１（図４Ａでは図示せず）が内面４２に取り付けられたパイプ４３を示す。ブレードは、パイプ内の流体の流れに整列するように方向づけられ、流体・表面境界において境界層内の流体の流れを真っ直ぐにするのに役立つ。ブレードは、パイプ４３の長さに沿って、所定距離の間隔で、一連のバンド４４として配置され、下流のバンドは、大きな乱流が再出現する前に、流体の流れを再び真っ直ぐにするために採用される。１．５ｍ３／ｓの流量を有する直径１．２ｍの水搬送パイプは、１．８ｍｍ間隔で配置される寸法３．６ｍｍのブレードを有することが考えられる。
【００７４】
図４Ｂは、図４ＡのＩＶ−ＩＶ線に沿った断面を示す。流れマニピュレータブレード４１は、パイプ４３の内面４２から流体の流れの中に突出する。より具体的には、ブレードは、パイプの中心軸を中心として半径方向に、中心軸の方に内側に延びるように配置される。ブレード４１は、流体の流れの方向に整列するように方向づけられる。
【００７５】
流れマニピュレータブレードの実用的な使用であるこれらの例は決して網羅的なものではなく、流体・表面境界が存在するあらゆる場所において、摩擦を低減する又は増大させるためにブレードを使用可能である。
【００７６】
図５〜図１１は、流れに整列し（迎え角ゼロ）、表面に垂直に取り付けられる、平板平行矩形ブレード要素列の種々の寸法及び間隔の表面摩擦レベルを変更する時の有効性を調査するために行われた風洞実験の結果を示す。
【００７７】
これらの実験について風洞で用いた対気速度は２．５ｍｓ−１であった。この速度は、飛行中に航空機の上を通過する対気速度より大幅に遅い。
【００７８】
風洞実験における対気速度の低下は、高い流体速度において必要であると思われるよりも大きなブレードを用いることを必要とする。航空機に使用されると、ブレードは、わずか数ミリメートルの弦、高さ、及び間隔を有すると予想される。通常、大型旅客航空機に関し、ブレードは、７０〜１５０壁面量のスパン方向間隔及び１００〜２００壁面量の高さを有するスパン方向アレイで、境界層の始まりから配列される。
【００７９】
そのため、３．５３０３ｅ−５ｍ２ｓ−１の空気粘度で、移行部（乱流空気流が現れ始めるところ）から後縁までの胴体の長さが約５０ｍであり、２６９ｍｓ−１の速度で航行する航空機の場合、高さが、移行部における約０．７ｍｍから胴体の端部での１ｍｍの範囲にあり、固有の間隔が０．３〜０．４ｍｍの範囲にあるブレードを用いることによって、表面摩擦又は抗力が減少する。ブレードは、正確な場所及び最適化に応じて、流れ方向に、約８０〜２００ｍｍごとに繰り返される。これは、高さ及び間隔が通常約５０ミクロンである、かなり小さいリブレット装置、ならびに、前方の位置の壁から２０ｍｍの場所から、胴体の尾部の壁から０．４ｍの範囲にあるかなり大きなＬＥＢＵと著しく異なる。
【００８０】
風洞実験からのデータは、スケーリング則／設計ルールｈ＋＝ｈｕ＊／νを用いて、任意所与の対気速度において適合するようにスケーリングされることができる。
【００８１】
風洞実験で用いられた全てのブレードは、約０．３ｍｍ（０．０１２インチ）のプラスチック又はスチールシムで作られる。厚みは、外板摩擦低減において主要な役割を果たすとは考えられないが、全体の装置抗力を考える時、大きな役割を果たす場合がある。すなわち、装置が薄ければ薄いほど、装置抗力が小さい。
【００８２】
図５は、流れマニピュレータブレードの幾何学的形状及び間隔を述べる後続の調査で用いられる寸法用語を説明するのに有用である。調査は、
・ブレード高さｈ−表面（壁）に垂直なｙ方向のブレードの高さ、
・ブレード弦ｃ−流れ方向でｘ方向のブレードの長さ、
・ブレード密度−スパン方向でｚ方向のブレード間の間隔
のパラメータを考える。
【００８３】
したがって、３０ｘ１０ｚ２０として記述されるブレードは、
・３０＝３０ｍｍのブレード高さｈ、
・ｘ１０＝１０ｍｍのブレード弦ｃ、
・ｚ２０＝２０ｍｍのブレード間隔、
を有する。
【００８４】
風洞実験において、ブレード５１は、試験表面（図示せず）と同じ高さの溝付き真鍮ペグ５２に取り付けられる。
【００８５】
以下に説明する風洞実験において、流れマニピュレータブレード５１は、流体の流れ５４に整列する。
【００８６】
図６は、後続の実験で用いられる、別の流れマニピュレータブレードの間隔、高さ、及び弦の寸法の例を示す。風洞実験において、ブレード要素は、１０ｍｍのペグ５５上に取り付けられ、したがって、最小１０ｍｍ間隔で配置されることができる。１０ｍｍ（ｚ１０）、２０ｍｍ（ｚ２０）、３０ｍｍ（ｚ３０）、及び６０ｍｍ（ｚ６０）の間隔が示される。種々の弦及び高さ寸法の組み合わせが示される。例えば、６０ｘ１５は、６０ｍｍの高さ及び１５ｍｍの弦を有するブレードを示す。
【００８７】
図７乃至図１１は、外板摩擦レベルに対するブレードの幾何学的形状の作用を調査するために、先に述べた条件に従って風洞において行ったパラメータ調査の結果を示す。調査は、ブレード後縁から下流の７４０ｍｍまでの作用を調べる。下流の場所は、グラフ上でｘ（ｍｍ）として示される。
【００８８】
ブレードのスパン方向密度
図７及び図８は、流体・表面境界において認められる外板摩擦レベルに対するスパン方向密度、すなわち、ブレードの相対的な間隔の作用を考える。
【００８９】
図７は、ブレード高さｈ＝３０ｍｍ及び弦＝１５ｍｍについての、平均化されたｃｆ低減に対するスパン方向流れマニピュレータブレード密度の作用をグラフで示す。
【００９０】
外板摩擦は、ｃｆ測定技法を用いて記録され、それが、±１．５％未満の誤差の外板摩擦の比較結果を示し、ハッチンス及びチョイ著、「米国航空宇宙学会論文２００１−２９１４」（Ｈｕｔｃｈｉｎｓ  ａｎｄ  Ｃｈｏｉ，  ＡＡＩＡ（Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ  ａｎｄ  Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ））に記載されている。Ｃｆは、物体表面近くの速度勾配に比例し、Ｃｆ値は、壁近くにおいて、正確な速度測定を行うことによって求められる。本質的に、ｃｆは外板摩擦の尺度と考えることができ、その項は交換可能に用いられる。
【００９１】
ｃｆ低減（パーセント）は、装置の後縁から下流に７４０ｍｍまで、所定の間隔で求められる。調査エリアの幅は６０ｍｍである。
【００９２】
結果は、外板摩擦（パーセンテージｃｆ）低減が、スパン方向密度の増加（すなわち、ブレード同士がより接近する）につれて大きくなることを示す。スパン方向密度が増加するにつれて、より多くの材料が流れ経路内に置かれる、すなわちより多くの前面エリア、より多くの表面エリア、及びより多くのウェークが境界層内に置かれるため、このことは全く意外なことではない。
【００９３】
例えば、ｚ６０（６０ｍｍブレード間隔）を考える。この場合、６０ｍｍ×７４０ｍｍエリアの上に、単一の３０ｘ１５（３０ｍｍ高さ及び１５ｍｍ弦）ブレード要素があり、ｃｆの約２．６％の低減が認められる。
【００９４】
対照的に、同じ６０ｍｍ×７４０ｍｍエリア内に６個の３０ｘ１５ブレード要素がある、ｚ１０（１０ｍｍブレード間隔）スパン方向密度の場合、ｃｆの２４％の低減（ｚ６０の減少の６倍を大きく超える）が認められる。そのため、スパン方向密度を、単なる加法的プロセスとして考えることはできないが、このように充填されたより密なアレイは、表面摩擦を低減するのに有効である。
【００９５】
図８は、１５ｍｍの一定弦ｃ及び２０ｍｍ（図７の３０ｍｍではなく）の高さｈを有する流れマニピュレータブレードについて、スパン方向密度を１０ｍｍ、２０ｍｍ、及び３０ｍｍの間で変えることがｃｆ（外板摩擦）値に与える作用を、狭い範囲の変数についてグラフで示す。再び、外板摩擦低減の同様な傾向が認められ、ブレードが接近すればするほどｃｆ低減（パーセント）が大きくなる。
【００９６】
ブレード高さ
図９は、表面摩擦レベルに対するブレード高さの作用を示す。一般に、ブレード高さの増加によって表面摩擦の低減がもたらされる。
【００９７】
より詳細には、図９は、ブレード高さを５〜６０ｍｍの間で変えることがｃｆ低減（パーセント）に与える作用をグラフで示す。データは、装置の後縁から下流の７４０ｍｍまで、種々の間隔で採取された。弦ｃは１５ｍｍに固定され、スパン方向密度は１０ｍｍ間隔に固定される。少なくとも最初の７４０ｍｍにわたって、ブレード高さが（ブレード高さ）ｈ＝３０ｍｍの限界まで増加するにつれて、認められるｃｆ低減（パーセント）が大きくなり、その後、更なるブレード高さの増加については、更なるｃｆ低減は小さい。
【００９８】
図１０は、ｚ２０（２０ｍｍブレード間隔）のスパン方向密度について、ブレード高さが変わるときの、図９と同様の外板摩擦レベルに対する作用を示す。図７及び図８と矛盾することなく、スパン方向間隔の増加により、ピークｃｆ低減の全体的な大きさが図９よりかなり小さい。
【００９９】
再び、少なくともブレードアレイの下流の７４０ｍｍまでの領域において、ブレード高さが、（ブレード高さ）ｈ＝３０ｍｍの限界まで増加するにつれて、ｃｆ低減（パーセント）が大きくなるのが見られる。実際、特に、ｃｆ測定に関して±１％の精度が含まれる場合、３０、４０、及び６０ｍｍのブレード高さは全て、全く同様に見える。更なる下流（７４０ｍｍを超える）についての作用の持続性は分析されていない。
【０１００】
ブレード弦
図１１は、スパン方向密度ｚ１０（１０ｍｍブレード間隔）及び高さｈ＝３０ｍｍについての、スパン方向平均化ｃｆ低減に対する流れマニピュレータブレード弦ｃの作用をグラフで示す。ブレード弦は５〜５０ｍｍの間で変わる。ｃｆレベルは、ブレードアレイの後縁の下流の７４０ｍｍまで、所定間隔で記録される。
【０１０１】
ブレード弦が５から５０ｍｍに増加するにつれて、外板摩擦（ｃｆ）低減が対応して大きくなる。
【０１０２】
流れマニピュレータブレードの用途
流れマニピュレータブレードは、製造中に表面上に組み込まれるか、製品に後付けされる、すなわち、製造後に表面に取り付けられてもよい。これによって、ブレードが、既に使用中の航空機に取り付けられるか、又は、製造後であるが、設置される前にパイプに追加されることが可能となる。
【０１０３】
ブレードは、個々に、又は、一群として使用されてもよい。図１２は、航空機の翼などの表面上に列７３として取り付ける準備が整った状態のストリップ又はテープ７２上に横方向に取り付けられた平行な矩形ブレード７１のアレイを示す。
【０１０４】
あるいは、表面に取り付ける準備が整った状態で、図１３Ａに示すパッチ７６上にアレイ７５として取り付けられてもよい。平行列７７、７７’の間隔は、前部ブレード列７７によって既に真っ直ぐにされた流体の流れの中での乱流の再出現を防止するために最適化される。図１３Ｂは、図１３Ｂの別の構成を示し、ブレード高さは、表面８８を横切って各列８５、８６、８７で増加する。すなわち、ブレード８１はブレード８２より高く、ブレード８２はブレード８３より高い。列の間隔は、乱流の再出現を減らすように最適化される。ブレード８１、８２、及び８３は、共通の長手方向軸を有する。
【０１０５】
図１４Ａ〜図１４Ｄは、種々の概略的なブレードアレイの平面図を示す。図１４Ａは、個々の流れマニピュレータブレード９１の２つの平行列９３として構成される流れマニピュレータブレード９１のアレイ９２を示す。個々のブレード９１は、流体の流れ９４の方向と一致した方向に設けられる。
【０１０６】
比較のために、図１４Ｂは、別のアレイ９５を示し、個々の流れマニピュレータブレード９１’は、２つの平行な矢羽根状９６に配列される。個々のブレード９１’は、流体の流れ９４’の方向と一致した方向に設けられる。
【０１０７】
更なるアレイ９７が図１４Ｃに示される。この場合、個々のブレード要素は、２つの平行な斜め列９８で配列される。個々のブレード９１’’は、流体の流れ９４’’の方向と一致した方向に設けられる。
【０１０８】
更なるアレイ１００は図１４Ｄに示され、個々の流れマニピュレータブレード９１’’’の２つの平行列９９、９９’として構成される。個々のブレード９１’’’は、流体の流れ９４’’’の方向と一致した方向に設けられる。図１４Ａと対照的に、ブレードの第１列９９及び第２列９９’は多少ずれている。
【０１０９】
それぞれの場合において、２つの列又は２つの矢羽根形が示され、第１列は、ブレード上を通過すると、流体の流れを真っ直ぐにするのに役立ち、第２列又は矢羽根形は、乱流が再出現し始めた流れを再び真っ直ぐにするために設けられる。図は２つの列のみを示すが、実際には、任意の数の列を採用することができる。
【０１１０】
ブレードが航空機に、すなわち実際にはリベットのある表面に取り付けられる場合、流れマニピュレータブレードを備えたリベット、あるいはリベットと一体の流れマニピュレータブレード（図示せず）を製造することが好都合である。
【０１１１】
境界層内でより層流が生ずるように、流れに整列するブレードを用いて整流化することによって抗力又は表面摩擦を低減するだけではなく、状況によっては、境界層内の流体の流れを乱し、もって乱流を増やし、抗力又は表面摩擦を増大させることが望ましい場合がある。
【０１１２】
図１５に示すように、流体の流れ１０３に交差するようにブレード１０１の迎え角を調整することによって、ブレードは、流体の流れの中に乱流又は渦１０５を発生させるのに役立つことができ、それによって、抗力又は表面摩擦が増加する。これは、例えば、離陸及び着陸中の航空機の揚力を増すために望ましい。
【０１１３】
状況によっては、ブレードの使い方を変えることが望ましい場合がある。例えば、外板摩擦は、航空機の一方の翼の上で減少し、ヨーイングモーメントを生成するために他方の翼の上で増加するか、又は、ピッチングモーメントを生成するために安定板上で増加する。
【０１１４】
さらに、所望の迎え角に変化可能な流れマニピュレータブレード要素を使用することが考えられる。図１６Ａ、図１６Ｂ、及び図１６Ｃは、可動（この場合、回転可能）ブレード要素を示す。図１６Ａにて、ブレード１０１’は、流体の流れ１０３’を横切る、流体の流れ１０３’に垂直な迎え角を有するように構成され、それによって、流体の流れの中に乱流１０５’を発生させる。比較のために、図１６Ｂでは、ブレード１０１’’は回転し、それによって、この場合は流体の流れ１０３’’に平行に整列しており、ブレード１０１’’は、流体の流れを真っ直ぐにするのに役立ち、ブレード１０１’’の下流の流体の流れは、事実上より層流１０６である。図１６Ｃは、更なる変形例を示し、ブレード１０１’’’は、流体の流れ１０３’’’に対して交差する別の迎え角を有するように構成され、この場合も乱流１０５’’が誘発される。
【０１１５】
ブレードの回転は、センサシステムに応答して、手動制御されるか、又は、コンピュータ制御される。
【０１１６】
任意所与の表面について、その表面のまわりの境界層内の流体の流れは、流れ速度、表面角度、温度、表面縁部への近接度、流体の性質などを含む複数の要因に応じて変わる。
【０１１７】
表面摩擦又は抗力を低減するときの効率を最適化するため、流れマニピュレータブレードのアレイは、表面上に配置されて、表面にわたって予想される流体の流れの方向に一致させることができる。例えば、ブレードが乗り物に使用される場合、アライメントは、特定の媒体を通って進む間の特定の速度について最適化される。例えば、６５０キロメートル／時間の速度で、９１４４メートル（３０，０００フィート）を航行する航空機の場合、その高度での、空気粘度、温度、表面にわたる流れの経路を含む、遭遇する空気の典型的な特性が知られているため、ブレードは、それに応じて、表面摩擦を低減するように整列して、境界層内の乱流を低減することができる。
【０１１８】
得られる構成は、表面の長さにわたる平行ブレードの列である可能性は小さいが、これが十分な近似であろう。
【０１１９】
流体の流れに対する整列したブレードの迎え角は、抗力又は表面摩擦の低減が求められるか、増大が求められるかによって定まる。
【０１２０】
より高度な変形例において、ブレードアレイは、自ら局所的な流体の流れに整列するように構成されてもよい。例えば、ブレードの前部に、流体の流れの方向を求めることが可能な一連のセンサを配置してもよい。ブレードは、解析のために中央処理ユニットに転送されるこの情報に応答して、継続的に、局所的な流体の流れに対して調整可能である。
【０１２１】
図１７は、航空機１１２上のインテリジェントブレードアレイ１１１の使用を示す。航空機の胴体上に配置されたセンサ１１４は、局所空気流の方向に関する情報を収集し、情報は、解析のために中央処理ユニット１１５に中継される。受信された局所情報に応答して、ブレードのアライメントを自動的に調整することができる。航空機の航行時、全てのブレードが流れに整列して、境界層内の空気流を整流化し、表面摩擦を低減する。しかしながら、離陸時又は着陸時には、例えば、揚力を増すため、又は、減速するために、航空機の一部のエリア上で摩擦又は表面抗力を増大させることが望ましい場合がある。こうした状況において、適切なブレードが、局所的な流れに対してある角度になるように回転して、境界層内に乱流を発生させることができる。
【０１２２】
矩形ブレード要素の他に、流れマニピュレータブレードとして、他の幾何学的形状が採用されてもよい。例が図１８Ａ〜図１８Ｈに示され、三角形１２１、１２５、１２６、四角形１２２、水平方向に細長い平行四辺形１２３又は垂直方向に細長い平行四辺形１２４、なめらかな前縁を有する矩形１２７、ならびに、鋭い後縁を有する矩形１２８などの種々のブレードの幾何学的形状を示す。このリストは網羅的ではない。あるいは、ブレードは、翼型断面（図示せず）として構成されてもよい。
【０１２３】
先に説明したブレード要素は全て、図１９Ａに示すように、表面に垂直に（１３１）、９０°に取り付けられる。しかしながら、ブレードは、９０°未満の傾斜角度１３２で取り付けられてもよい。かかるブレードの例が図１９Ｂに示される。あるいは、ブレードは、図１９Ｃに示すように曲がっている、すなわち曲線的でもよい（１３３）。あるいは、図１９Ｄに示すように、正弦波状１３４であってもよい。
【０１２４】
図２０は、先に説明したブレードの代替として、単独で又は一群で用いられる一連のピン１３８を示す。この例では、ピン列がブレードを構成する。
【０１２５】
また、本発明の装置は、渦発生器、ＬＥＢＵ装置、リブレット、コンプライアントコーティング、ポリマー／界面活性剤、及び／又は、マイクロバブルを含む、他の外板摩擦変更技法と組み合わせて用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【０１２６】
【図１Ａ】境界層の位置を示す概略図。
【図１Ｂ】一部の上に流れマニピュレータブレードの列が設けられる表面を示す概略斜視図。
【図２】図１と同様の、流れマニピュレータブレードのアレイを上方から見た概略図。
【図３】航空機に用いられる流れマニピュレータブレードを示す概略斜視図。
【図４Ａ】パイプの内面に用いられる流れマニピュレータブレードを示す図。
【図４Ｂ】パイプの内面に用いられる流れマニピュレータブレードを示す図。
【図５】流体の流れ実験で用いられる流れマニピュレータブレードを示す概略斜視図。
【図６】図５に示される流れマニピュレータブレードに対して、異なる間隔、幅、及び高さを示す図。
【図７】種々のブレード高さについて、流れマニピュレータブレード間隔の変化が表面摩擦レベルに与える効果を示すグラフ。
【図８】種々のブレード高さについて、流れマニピュレータブレード間隔の変化が表面摩擦レベルに与える効果を示すグラフ。
【図９】種々の流れマニピュレータブレード間隔について、流れマニピュレータブレード高さが表面摩擦レベルに与える効果を示すグラフ。
【図１０】種々の流れマニピュレータブレード間隔について、流れマニピュレータブレード高さが表面摩擦レベルに与える効果を示すグラフ。
【図１１】流れマニピュレータブレード弦が表面摩擦レベルに与える効果を示すグラフ。
【図１２】ストリップ上に一列に設けられた流れマニピュレータブレードの概略斜視図。
【図１３Ａ】パッチ上に数列に設けられた流れマニピュレータブレードの概略斜視図。
【図１３Ｂ】パッチ上に数列に設けられた流れマニピュレータブレードの概略斜視図。
【図１４Ａ】流れマニピュレータブレードの別の配置を上方から見た概略図。
【図１４Ｂ】流れマニピュレータブレードの別の配置を上方から見た概略図。
【図１４Ｃ】流れマニピュレータブレードの別の配置を上方から見た概略図。
【図１４Ｄ】流れマニピュレータブレードの別の配置を上方から見た概略図。
【図１５】流体の流れの方向に対して垂直に設けられた流れマニピュレータブレードの概略図。
【図１６Ａ】可動ブレードを示す概略図。
【図１６Ｂ】可動ブレードを示す概略図。
【図１６Ｃ】可動ブレードを示す概略図。
【図１７】インテリジェント流れマニピュレータブレードを備えた航空機を示す概略図。
【図１８】流れマニピュレータブレードの別の幾何学的形状を示す図。
【図１９】流れマニピュレータブレードの別の取付け角度を示す図。
【図２０】境界層の流体の流れを制御する一連のピンを示す図。
【符号の説明】
【０１２７】
１１・・・マニピュレータブレード、  １３・・・表面、  １４・・・流体、  １５・・・乱流、  １６・・・層流、  １７・・・アレイ、  １８〜１９・・・乱流、  ２１〜２５・・・領域、  ２９・・・アレイ、  ３１・・・マニピュレータブレード、  ３２・・・航空機、  ３７・・・表面、  ４１・・・マニピュレータブレード、  ４２・・・内面、  ４３・・・パイプ、  ４４・・・バンド、  ５１・・・マニピュレータブレード、  ５２・・・真鍮ペグ、  ５５・・・ペグ、  ７１・・・矩形ブレード、  ７２・・・テープ、  ７５・・・アレイ、  ７６・・・パッチ、  ８１〜８３・・・ブレード、  ９１・・・マニピュレータブレード、  １０１・・・ブレード、  １０５・・・乱流、  １０６・・・層流、  １１１・・・インテリジェントブレードアレイ、  １１２・・・航空機、  １１４・・・センサ、  １１５・・・中央処理ユニット、  １３８・・・ピン。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１４Ｄ】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１６Ｃ】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【国際調査報告】
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