(57)【要約】  一実施例においては、ビル構造の少なくとも一つの箇所における空気流を改変する方法であって、上記ビル構造の上記少なくとも一つの箇所において第1空気流を生成する段階と、上記生成された第1空気流を用いて、上記ビル構造の外部の第2空気流を改変する段階とを有する、方法が提供される。空気流を改変すべく構成された装置も提供される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ビル構造の少なくとも一つの箇所における空気流を改変する方法であって、
前記ビル構造の前記少なくとも一つの箇所において第1空気流を生成する段階と、
生成された前記第1空気流を用いて、前記ビル構造の外部の第2空気流を改変する段階とを有する、方法。
【請求項２】
前記ビル構造は、少なくとも一つの鈍い物体を備える、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第2空気流は、前記ビル構造に対して移動する周囲空気の自然の流れを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
生成された前記第1空気流はパルス化空気流を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
生成された前記第1空気流は一様な空気流を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記生成段階は、第3のパルス化空気流を生成する段階と、前記改変段階の前に前記第1空気流を前記第3空気流と組み合わせる段階とを更に有する、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記生成段階は、少なくとも一つの機械的空気流システムにより実施される、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記生成段階は、少なくとも一つの圧縮空気システムにより実施される、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記生成段階は、少なくとも一つのパルス化空気噴流を備える少なくとも一つの機械的空気流システムにより実施される、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記生成段階は、少なくとも一つのパルス化空気噴流を備えない少なくとも一つの機械的空気流システムにより実施される、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記第1空気流は、(i)屋内の浮力、及び、(ii)前記ビルの回りの大気圧、及び、(iii)排出空気、の内の少なくとも一つにより、前記ビルの内部換気シャフト及び送気ポートにおいて生成される、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記改変段階は、生成された前記第1空気流を前記第2空気流に対して適用して該第2空気流を制御する段階を更に有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記改変段階は、生成された前記第1空気流を所定角度にて前記第2空気流に対して適用し、該第2空気流とは異なる第3空気流を生成する段階を更に有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記少なくとも一つの箇所は、前記ビルの側部及び頂部の内の少なくとも一つを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記少なくとも一つの箇所はビル外面に一体化される、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記第2空気流を前記ビル構造内へと圧力差を用いて移行させる段階と、内部移行された前記第2空気流を前記ビル構造の外部へと戻し放出する段階とを更に有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記改変段階を閉ループ制御システムにより管理する段階を更に有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
前記改変段階を、ビル一体化センサ、コントローラ、及び、アクチュエータの内の少なくとも一つを備える閉ループ制御システムにより管理する段階を更に有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
前記ビル構造の既存の動力システムから独立的に動作すべく構成されたエネルギ源を用いて前記第1空気流を生成する段階を更に有する、請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
前記ビル構造の既存の動力システムの一体的部分であるエネルギ源を用いて前記第1空気流を生成する段階を更に有する、請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
前記改変された第2空気流を用いて前記ビル構造における電力を生成する段階を更に有する、請求項１に記載の方法。
【請求項２２】
前記改変された第2空気流を用いて前記ビル構造のビル外面において空気濾過を制御する段階を更に有する、請求項１に記載の方法。
【請求項２３】
前記改変された第2空気流を用いて、前記ビル構造に対する(i)風力荷重及び(ii)横風応答の内の少なくとも一方を減少させる段階を更に有する、請求項１に記載の方法。
【請求項２４】
前記改変段階は、前記ビル構造の幾何学形状の変更を実質的に伴わない、請求項１に記載の方法。
【請求項２５】
前記ビルの少なくとも一つの寸法の外郭形状を変化させるべく構成された装置を前記ビルに対して付加する段階を更に有する、請求項１に記載の方法。
【請求項２６】
ビル構造の少なくとも一つの箇所における空気流を改変すべく構成された装置であって、該装置は、
装置ハウジングと、
前記ハウジング内の流れ生成器であって、前記少なくとも一つの箇所において第1空気流を生成すべく構成されたという流れ生成器と、を備え、
生成された前記第1空気流は、前記ビル構造の外部の第2空気流を制御する、装置。
【請求項２７】
当該装置は、前記ビル構造の縁部に配置される、請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
前記少なくとも一つの箇所は、前記ビルの側部、該ビルの頂部、及び、ビル外面に一体化された箇所の内の少なくとも一つを備える、請求項２６に記載の装置。
【請求項２９】
当該装置は、前記少なくとも一つの箇所とは異なる箇所に配置される、請求項２６に記載の装置。
【請求項３０】
前記装置ハウジングは、前記ビル構造の、(i)縁部上に取付けられる、及び、(ii)該縁部内に一体化される、の内の少なくとも一つである、請求項２６に記載の装置。
【請求項３１】
生成された前記第1空気流は、パルス化流及び一様流の少なくとも一方を備える、請求項２６に記載の装置。
【請求項３２】
生成された前記第1空気流は、前記第2空気流に対して所定角度にて前記装置ハウジングを出射する、請求項２６に記載の装置。
【請求項３３】
生成された前記第1空気流は前記第2空気流に対して所定角度にて適用されることで、該第2空気流とは異なる第3空気流を生成する、請求項２６に記載の装置。
【請求項３４】
前記第1空気流を生成すべく構成されたデバイスを更に備える、請求項２６に記載の装置。
【請求項３５】
前記第1空気流を生成すべく構成されたデバイスであって、機械的空気流システム及び圧縮空気システムの内の少なくとも一方を備えるというデバイスを更に備える、請求項２６に記載の装置。
【請求項３６】
当該装置は、少なくとも一つの吸引ポートを更に備え、
生成された前記第1空気流は、前記少なくとも一つの吸引ポートを用いて前記第2空気流に対して適用される吸引流を備える、請求項２６に記載の装置。
【請求項３７】
前記第1空気流を生成するエネルギを提供すべく構成されたエネルギ源を更に備える、請求項２６に記載の装置。
【請求項３８】
当該装置は、前記第1空気流を生成するエネルギを提供すべく構成されたエネルギ源を更に備え、
前記エネルギ源は、前記ビル構造の既存の動力システムからエネルギを分流させるべく構成される、請求項２６に記載の装置。
【請求項３９】
当該装置は、前記第1空気流を生成するエネルギを提供すべく構成されたエネルギ源を更に備え、
前記エネルギ源は、前記ビル構造の既存の動力システムから独立的に動作すべく構成される、請求項２６に記載の装置。
【請求項４０】
請求項２６に記載の装置を備える、ビル構造。
【請求項４１】
当該ビル構造の少なくとも一つの箇所における装置を備えるビル構造であって、
前記装置は、
装置ハウジングと、
前記ハウジング内の流れ生成器であって、前記少なくとも一つの箇所において第1空気流を生成すべく構成されたという流れ生成器と、を備え、
生成された前記第1空気流は、当該ビル構造の前記少なくとも一つの箇所において該ビル構造の外部の第2空気流を改変する、ビル構造。
【請求項４２】
当該ビル構造は、少なくとも一つの鈍い物体を備える、請求項４１に記載のビル構造。
【請求項４３】
当該ビル構造は、少なくとも前記改変された第2空気流を用いて電力を生成すべく構成された発電デバイスを更に備える、請求項４１に記載のビル構造。
【請求項４４】
当該ビルは、少なくとも前記改変された第2空気流を用いて該ビル構造の内部における空気を濾過すべく構成された空気濾過システムを更に備える、請求項４１に記載のビル構造。
【請求項４５】
当該ビルは、少なくとも前記改変された第2空気流を用いて該ビル構造の内部と外部との間で熱を交換すべく構成された熱伝達システムを更に備える、請求項４１に記載のビル構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連特許出願
本出願は、2012年11月30日に出願された米国仮出願第61/731,889号の優先権を主張するものであり、該出願は言及したことによりその全体が本明細書中に援用される。
カラー図面
該特許または出願の書類は、カラーで作成された少なくとも一枚の図面を含んでいる。カラー図面を有する本特許または特許出願公報の複写物は、要求、及び、必要な料金の支払い時に、特許庁により提供される。
連邦政府後援の研究に関する陳述
本発明は、 により裁定された の下で、政府の支援を以て為された。合衆国政府は、本発明において一定の権利を有している。
【背景技術】
【０００２】
高層ビル構造に対する最新の種々の方法は、ビル外面(building envelope)は、該ビル外面におけるエネルギ伝達を最小限とすることにより、内部空間を気候環境から最大限に隔離することが意図される、という一般的な最近の発想を代表している。結果として、それらは総括的に、適切な空気供給物を供与するエネルギ集約的である機械システムに依存する傾向がある。更に、高層ビルは現在において、ビルの形状の如き構造もしくは幾何学的特性を変更するか、または、材料の使用及び補助的な制振の付加のいずれかを以て、固体式空気力学的改変法(solid-based aerodynamic modification)(“SAM”)により、(例えば、横風応答減少または一体式風力エネルギ生成などの)風気関連用途に対する所望の空気力学的性能のベンチマークを満足するために、ビル業界における非再生材料消費に寄与している。
【０００３】
我々の周囲環境は主として流体を含んでいるが、習用の建築方法は基本的に、ビルとその周辺環境との間の相互作用の固体モデリング使用による近似的研究に限られている。結果として、高層ビルの設計は、所望の空気力学的性能のベンチマークを満足する固体式空気力学的改変法(SAM)手法、及び、材料の使用及び補助的な制振システムの使用により、ビルの幾何学形状、もしくは、剛性の如きその構造的特性を改変する技術(幾何学式空気力学的改変法、すなわち、“GAM”)の両方に依存してきた。これらの技術は、好結果に対する細道を提供するが、それらは、変動する環境条件に適合せず、且つ、有効床面積の損失、及び、合計エネルギ・コストの増大が伴う。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記内容に鑑み、本発明者等は、空気流を能動的に制御することでビルの境界層を操作し、所望の性能レベルを達成するシステム及び方法の利点を理解かつ認識した。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
従って、一実施例においては、ビル構造の少なくとも一つの箇所における空気流を改変する方法であって、上記ビル構造の上記少なくとも一つの箇所において第1空気流を生成する段階と、上記生成された第1空気流を用いて、上記ビル構造の外部の第2空気流を改変する段階とを有する、方法が提供される。
【０００６】
別実施例においては、ビル構造の少なくとも一つの箇所における空気流を改変すべく構成された装置であって、該装置は、装置ハウジングと、上記ハウジング内の流れ生成器であって、上記少なくとも一つの箇所において第1空気流を生成すべく構成されたという流れ生成器と、を備える、装置が提供される。上記生成された第1空気流は、上記ビル構造の外部の第2空気流を改変し得る。
【０００７】
別実施例においては、当該ビル構造の少なくとも一つの箇所における装置を備えるビル構造であって、上記装置は、装置ハウジングと、上記ハウジング内の流れ生成器であって、上記少なくとも一つの箇所において第1空気流を生成すべく構成されたという流れ生成器と、を備える、というビル構造が提供される。上記生成された第1空気流は、当該ビル構造の上記少なくとも一つの箇所において該ビル構造の外部の第2空気流を改変し得る。
【０００８】
上述の概念、及び、以下に相当に詳細に論じられる付加的な概念の全ての組み合わせは(斯かる概念が相互に矛盾しないものとして)、本明細書中に開示された発明主題の一部であることが企図されることを理解すべきである。特に、本開示内容の最後に出現する権利請求された主題の全ての組み合わせは、本明細書中に開示された発明主題の一部であることが企図される。本明細書において明示的に採用された用語であって、言及したことにより援用される一切の開示内容においても出現し得るという用語は、本明細書中に開示される特定の概念に最も一致する意味に従うべきであることも理解すべきである。
【０００９】
当業者であれば、図面は、基本的に例示目的であり、本明細書中に記述された発明主題の有効範囲を限定することは意図されないことを理解し得よう。図面は、必ずしも縮尺通りではなく、幾つかの場合、本明細書中に開示された発明主題の種々の見地は、図面中において誇張または拡大して示され、異なる特徴の理解を促進し得る。図面中において、同様の参照符号は概略的に、同様の特徴(例えば、機能的に類似し且つ／又は構造的に類似する要素)を指している。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】一実施例におけるSAMと流体式空気力学的改変法(“FAM”)との比較を示す概略図である。
【図２】一実施例において流体を使用することにより、ビル上の横風力スペクトルに対して境界層の操作により影響を及ぼすことにより、所望の制振が達成され得ることを示す概略図である。
【図３】一実施例における煙流を視覚化した図であり、(a)基準状態、(b)γ＝60°、(c)γ＝180°、及び、(d)γ＝180°及びθ＝120°に起動されている。
【図４】一実施例においてU∞＝12m/sとして、力付与なし(灰色)及び力付与あり(橙色)での平均圧力係数の図である。
【図５】一実施例において、（ａ）幾何学的改変及び（ｂ）流体的改変に依る柱体、及び、これらの改変法の３次元の風気変化特性を示す概略図である。
【図６】一実施例において、水平噴流オリフィス及び圧力ポートを有するFAM体（ａ）、及び、GAM体（ｂ）の写真を示す図である。
【図７】θjは自由流速度に関する合成噴流の方位角箇所であり、且つ、θはモードの方位角箇所であり、Cb＝0.6、θj＝113°、θ＝75°として、頂部フェンスあり（ａ）及び無し（ｂ）とした、一実施例におけるFAM及びGAMに対する(吸引ピークの箇所の近傍の)径間の関数としての圧力係数の変動を示す図である。
【図８】一実施例においてFAMが屋内環境に如何に影響するかの可能的な状況展開を示す概略図である。
【図９】一実施例において、改変済み空気流がビル外面を如何に再定義し得るかを示す概略図である。
【図１０】一実施例において力付与なしの基準状態と比較した抗力減少に対する力付与の相対的影響を示すFAMモデルを示す図であり、抗力減少は45％までである。
【図１１】風洞において試験された一実施例における柱体モデルの内部図であり、各丸形ディスクは、合成噴流を提供するための合成噴流用の能動的流体制御(“AFC”)アクチュエータであり、各アクチュエータは、一実施例において、相対的に非常に小さなエネルギ投資を以て本体表面を通過する流れを変化させる非定常的噴流を生成すべく使用され得る。
【図１２】当該有限柱体の軸心から、一直径分だけ、すなわち10.16cm(4インチ)だけ下流である流れ的箇所における、基準状態と２つの力付与の場合とに対する有限柱体に対して収集された一実施例における立体的な部分画像速度測定(“PIV”)データを示す図であり、各色は面外速度を表す一方、各ベクトルは面内速度成分である。
【図１３】一実施例において、噴流が、0.6の送出率、及び、自由流速度に関して113°にて力付与されたことを示す図であり、左側のグラフは、角度の関数として、中央径間における方位角的な無次元化圧力分布を示し、その場合、黒色線は力付与なしの場合を示し、且つ、青色の菱形は力付与の結果であり、赤色線は合成噴流の箇所を示している。
【図１４】一実施例における減少縮尺(1:200)の２０階ビルを表すモデルを示しており、該モデルの頂部における楕円形は圧縮空気により給気される５個の噴流であり(定常的な力付与)、且つ、各孔の配列は、各噴流の使用により影響された表面圧力を測定する圧力ポートである。
【図１５】一実施例において圧縮空気により噴流を給気する可撓管を示す、図１４に示された(着色前の)モデルの頂部を示す図である。
【図１６】各噴流が適用されないときにおける図１４に示されたモデルの頂部を示す図であり、一実施例において(煙気により視覚化された)流れは角柱の頂部の風上側縁部にて剥離している(左から右への流れ)。
【図１７】各噴流が適用されたときにおける図１４に示されたモデルの頂部を示す図であり、一実施例において(煙気により視覚化された)流れは角柱の頂部に付着している。
【図１８】一実施例における各噴流の流量の変化を示す(非正規化)グラフであり、該グラフに見られる如く、各噴流の流量が増大するにつれ、表面圧力は、モデルの頂部の風下側に向けて、(記号説明において基準状態として示された)噴流が全く適用されないのと同一の値に達するまで、減少する。
【図１９】（ａ）基準状態、及び、（ｂ）プル・モード、（ｃ）プッシュ・モード及び（ｄ）プル／プッシュ・モードにおいて、Ｄ４  1/4  150により起動された合成噴流に対する一実施例における40  ｌｐｍでのエーロゾル煙条の速度ベクトル場の大域図である。
【図２０】（ａ）矩形状のビルの回りにおける簡素化された流れパターンと、（ｂ）一実施例における一体化流れ制御システムによるビルの回りにおける流れパターンとの間の対比を示す図である。
【図２１】一実施例において合成空気噴流を生成するデバイスを示す概略図である。
【図２２】一実施例における流れ視覚化法を示す概略図であり、柱体モデルの回りにおける合成噴流と流れ場との間の相互作用を示している。
【図２３】一実施例における一体化合成噴流を備えるディヒューザの概略図である。
【図２４】別実施例における一体化合成噴流を備えるディヒューザの概略図である。
【図２５】夫々、一実施例における剥離緩和に対する能動的流体制御あり、及び、無しでの、取入ダクトの速度ベクトル場の概略図である。
【図２６】一実施例において能動的制御アクチュエータを備えることで当該ビル外面における熱伝達を制御し、変動する気候条件と屋内の機械的環境とを平衡化させるビル外面の概略的な不等角図である。
【図２７】ビル外面における熱伝達に対する一実施例における上記システムの影響を示す概略図である。
【図２８】一実施例における内部用途における本発明の装置及び方法の一実施例の影響を示す図である。
【図２９】一実施例においてビルの回りの流れパターンを制御する資源及び技術を示す概略図である。
【図３０】一実施例においてビル一体化式の風力タービンの電力出力を増大する方策を示す図である。
【図３１】一実施例において屋上条件にて能動的制御システムにより風の流れを操作する方法を示す概略図であり、（ａ）は、垂直な風力タービン構成に対するビル一体化式の能動的なハイブリッド流れ制御システム(“BIHFCS”)の使用法を示し、（ｂ）は、水平な風力タービン構成に対するBIHFCSの使用法を示し、且つ、（ｃ）は、積層された水平な風力タービン構成に対するBIHFCSの使用法を示している。
【図３２】別実施例において屋上条件にて能動的制御システムによる風の流れの操作法を示す概略図である。
【図３３】別実施例において一体化風力タービンによる風力増幅式ロータ・プラットフォーム(“WARP”)に基づくビルの断面を示す概略図である。
【図３４】BIHFCSの一実施例において記述された一体化システムの数個の構成要素を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に続くのは、関連する種々の概念、及び、空気流を能動制御することでビル境界層を操作して所望の性能レベルを達成する本発明のシステム及び方法の実施例の更に詳細な説明である。上記にて導入され且つ以下において相当に詳細に論じられる種々の概念は、多くの様式の内の任意の様式にて実施され得ることを理解すべきである、と言うのも、開示された概念は、任意の特定の実施様式に限定されないからである。特定の実施及び応用の例は基本的に、例示目的で提供される。
【００１２】
空気流を改変する方法
一実施例においては、ビル構造の少なくとも一つの箇所において空気流を改変する方法であって、上記ビル構造の上記少なくとも一つの箇所において第1空気流を生成する段階と、上記生成された第1空気流を用いて上記ビル構造の外部の第2空気流を改変する段階とを有するという方法が提供される。
【００１３】
上記ビル構造は、任意の形式のビル構造を備え得る。例えば、上記ビルは、高層ビル、低層ビル、または、任意の静的物体であり得る。幾つかの場合、ビル構造は静止的である一方、該構造は可動プラットフォーム上とされ得る。一実施例において、上記ビル構造は、少なくとも一つの鈍い物体(bluff body)を備え得る。
【００１４】
一実施例において、空気流が改変される上記少なくとも一つの箇所は、上記ビル構造の一つ以上の箇所であり得る。少なくとも一つの実施例における(例えば、ビル構造の)“箇所における”という表現は、上記ビル構造内、該構造における、及び／または、該構造の外側を指し得る。一実施例において、上記箇所は、上記ビル構造の縁部におけるものであり得る。例えば、上記箇所は、上記ビル構造の、一つの側部(もしくは複数の側部)、上記頂部、または、両方におけるものであり得る。上記ビル構造が、鋭角的縁部の無い幾何学形状を有するという一実施例において、上記箇所は、上記ビル構造の周縁部上の箇所であり得る。一つの代替実施例において、上記箇所は、上記ビル構造のビル外面内に一体化され得る。上記箇所は、上記外面の任意の点であり得る：その縁部、及び／または、その表面。一実施例において、上記装置は、外面の表面(例えば、外装パネル、窓ガラス・ユニット、外装要素のフレーム、カーテンウォール組子、スパンドレルなど)に一体化され得るか、または、独立式の構成要素とされ得る。上記装置はまた、図３１（ａ）から図３１（ｃ）及び図３２に示された如く、外面縁部の延長部内へとも一体化され得、その場合に上記装置は、ビルのパラペット内へと一体化され得る。
【００１５】
上記第1空気流は、パルス化空気流、定常的な空気流、または、両方を備え得る。一実施例において、上記第2空気流の改変が行われる前に、上記生成された第1空気流は、パルス化空気流を備える第3空気流と組み合わされ得る。本明細書における“パルス化”という語句は、任意の特定の周波数に限定されるのではない。用途に依存して、上記空気噴流のパルス化は、任意の値であり得る。本明細書において、“第1”、“第2”、“第3”などという語句は、異なる対象体を表現するためにのみ採用されており、これらの語句は、記述のために採用されているが、それらの対象体が特定の順序とされる必要があることを伝達することは意味されない。この様に、幾つかの場合、その順序は変更され得る。
【００１６】
上記第1空気流は、任意の適切な技術及び機械類により生成され得る。例えば、上記第1空気流は、少なくとも一つの機械的空気流システムにより生成され得る。一つの場合において、上記空気流は、圧縮空気システムにより生成される。一実施例において、上記機械的システムは、上記空気流に対する種々の形式の空気噴流を生成すべく構成される。用途に依存し、上記機械的システムは、上記第1空気流の一部であるかまたは該空気流である空気噴流を生成しても良く、しなくても良い。上記空気噴流は、パルス化空気噴流、定常的な空気噴流、または、両方を含み得る。一実施例において、上記第1空気流の生成段階は、少なくとも一つのパルス化空気噴流を包含する。別実施例において、上記第1空気流の生成段階は、何らのパルス化空気噴流を包含しない。一実施例において、上記第1空気流は、(i)屋内の浮力、及び、(ii)ビルの回りの大気圧、及び、(iii)排出空気、の内の少なくとも一つにより、ビルの内部換気シャフト及び送気ポートにおいて生成される。上記排出空気は、加熱、換気、及び／または、加熱用機械的システムの如きシステムからとされ得る。一実施例において、上記第1空気流は、既存の空気流である資源を用いて生成されることで、該既存空気流をビルの外部へと導向し得る。故に、この実施例において、既存の資源に頼ると、エネルギ投資に対する必要性が最小限とされる(または、実質的に排除され、もしくは、完全にさえ排除される)。一実施例において、斯かる設計態様は、電気または圧縮空気による噴流の生成とは異なる。
【００１７】
上記第1空気流の生成段階は、エネルギ源を使用して該流れを生成する段階を包含し得る。上記エネルギ源は、適切な機器及び／または機械類に対して動力／エネルギを提供して上記第1空気流を生成することを促進する任意の形式のデバイスであり得る。上記エネルギ源は、上記ビル構造の内側または外側に配置され得る。代替的に、上記エネルギ源は、上記ビル構造に対して取付けられ得る。上記エネルギ源は、上記ビル構造の既存の動力システムから独立的に動作すべく構成され得る。代替的に、上記エネルギ源は、上記ビル構造の既存の動力システムの一体的部分であり得る。一実施例において、上記エネルギ源は、上記ビル構造の既存の動力システムからエネルギを分流すべく構成される。
【００１８】
上記第2空気流は、上記ビル構造の外部であり得る。該第2空気流は、上記ビルに対して移動している周囲空気の自然の流れを備え得る。該流れは、速度、方向などに関して任意の様式であり得る。例えば、上記流れは、上記ビル構造の内部への内向き、上記ビル構造の外部への外向き、上記ビル構造の側部に沿う、上記ビル構造の角隅部の回り、などであり得る。
【００１９】
一実施例における空気流の改変とは、該空気流に対して変化を課することを指し得る。該変化とは、任意の形式の変更を指し得る。例えば、上記変化は、速度、方向、(例えば、乱流、層流などの)様式などに関するものとされ得る。一実施例において、上記改変とは、当該空気流が所定のまたは事前指定されたレベルまたは値に到達する様に空気流を制御することを指し得る。例えば、空気流の改変としては、特定の流速、方向、様式などを有すべく上記流れを制御かつ適合調整する段階が挙げられ得る。先在するGAMモデルと対照的に、本明細書における少なくとも一つの実施例において提供される上記改変段階は、上記ビル構造の幾何学形状に対する変更を実質的に包含しなくても良い。
【００２０】
上記第2空気流の上記改変段階は、上記生成された第1空気流を該第2空気流に対して適用し、(速度、方向、様式などに関して)該第2空気流を制御する段階を有し得る。上記生成された第1空気流を上記第2空気流に対して適用すると、該第2空気流とは異なる第3空気流が生成され得る。結果として、上記第2空気流は、第2及び第3の空気流の組み合わせとなるべく改変される。一つの代替実施例において、上記第2流は、上記生成された第1空気流による該第2空気流の改変の結果として、存在することを実質的に(または完全に)終了する。斯かる場合、改変済み空気流は、上記第2空気流とは異なる第3空気流であり得る。一実施例において、空気流を改変する上記方法は、上記第2空気流を上記ビル構造の内部へと移行させるべく圧力差を使用する段階と、内部移行された第2空気流を上記ビル構造の外部へと戻し放出する段階とを有する。
【００２１】
一実施例において、風気から生ずる圧力差は、ビルを通して導向され得ると共に、少なくとも一つの好適な及び／または所定の箇所にて放出され得る。例えば、図２９(頂部左側)に示された如く、ビルの外面に衝当する風気(高圧)を、低圧が在る区域へと導向すると、該流れは、上記ビルから剥離され得る。高圧空気流の区域から低圧の区域へと導向することにより、(低圧の故に)剥離する流れは、改変及び／または制御され得る。一実施例において、この方法は、ビルの複数の縁部における流れ剥離を低減すべく採用され得る。
【００２２】
改変の間、上記生成された第1空気流は、上記第2空気流とは異なる第3空気流を生成する如き角度にて、上記第2空気流に対して適用され得る。代替的に、上述された如く、上記第2空気流は存在することを終了し得ると共に、上記改変済み空気流は、上記第2空気流とは異なり得る。上記角度は、任意の正または負の値などの、任意の値であり得る。例えば、上記角度は、0°(空気流の方向に平行)と90°(空気流に対して直交)との間の範囲にわたり得る。
【００２３】
上記空気流の改変は監視かつ制御され得る。該監視及び／または制御は、少なくとも一つの監視及び／または制御システムを包含し得る。該システムは、例えば、閉ループ制御システムであり得る。該閉ループ制御システムは、一つ以上のセンサ、一つ以上のコントローラ、及び／または、一つ以上のアクチュエータを備え得る。図２９は、一実施例においてビルの回りの流れパターンを制御すべく採用され得る資源及び技術を示す図を提供している。上記制御／監視システムは、制御／監視機能を提供すべく構成された少なくとも一つのコンピュータ・システムにより制御され得る。上記制御／監視機能は、持続的なコンピュータ可読媒体内にインストールされたアルゴリズムを備えるソフトウェアにより実行され得る。実行されたとき、上記ソフトウェアのアルゴリズムは、プログラムされた様に、上記システムを監視及び／または制御し得る。
【００２４】
装置：
一実施例においては、ビル構造の少なくとも一つの箇所において空気流を改変すべく構成され得る一つの装置が提供される。該装置は、上記ビル構造の少なくとも一つの寸法の外郭形状を変化させるべく構成され得る。該寸法とは、文脈に依存して、高さ、幅、奥行などを指し得る。代替的に、上記装置は、上記ビル構造の一切の寸法の外郭形状を変化させない様に構成され得る。一実施例において、上記装置は、上記ビル自体における幾何学形状を変化させずに、該ビルの回りの空気流変化特性を改変し得る。上記装置は、上述された如く、空気流の種々の改変の内の任意の改変を実施すべく構成され得る。
【００２５】
一実施例において、上記装置は、装置ハウジングと、該ハウジング内の流れ生成器とを備え得、上記流れ生成器は、上記少なくとも一つの箇所において第1空気流を生成すべく構成される。上記生成された第1空気流は、上記ビル構造の外部の第2空気流を改変し得る。上記装置は、上述された如き各箇所の内の任意の箇所に配置され得る。上記装置は、一実施例において、図２１に示された如く合成空気噴流を生成すべく構成されたデバイスを備え得る。例えば、上記装置は、上記ビル構造の縁部に配置され得る。例えば、上記空気流が改変される上記単一もしくは複数の箇所は、ビルの側部、ビルの頂部、及び、ビル外面内へと一体化された箇所、の内の少なくとも一つを備え得る。一実施例において、上記装置は、上記流れが改変される単一もしくは複数の箇所とは異なる箇所に配置され得る。一実施例において、上記装置ハウジングは、上記ビル構造の、(i)縁部上に取付けられる、及び、(ii)該縁部内に一体化される、の内の少なくとも一つである。一実施例において上記生成された第1空気流は、上記第2空気流に対して所定角度にて、上記装置ハウジングを出射し得る。上記装置は、以下において更に詳細に記述される図３４に示されたBIHFCSの如き一体化システムの一部であり得る。
【００２６】
上記装置は、上記第1空気流を生成すべく構成されたデバイスを更に備え得る。該デバイスは、上述された如き機械的システム及びデバイスの内の任意のものを備え得る。一実施例において、上記装置は、少なくとも一つの吸引ポートを更に備え得、その場合に上記生成された第1空気流は、上記少なくとも一つの吸引ポートを用いて上記第2空気流に対して適用された吸引流を備える。上記吸引部分は、受動的吸引及び／または能動的吸引を提供し得る。
【００２７】
ビル：
別実施例においては、本明細書中に記述された装置を備えるビル構造が提供される。一実施例において、上記ビル構造は、該ビル構造の少なくとも一つの箇所における装置を備え得、該装置は、装置ハウジングと、該ハウジング内の流れ生成器とを備え、該流れ生成器は、上記少なくとも一つの箇所において第1空気流を生成すべく構成される。上記生成された第1空気流は、上記ビル構造の上記少なくとも一つの箇所において該ビル構造の外部の第2空気流を改変する。図１４から図１７は、一実施例における煙気視覚化試験におけるモデル・ビル・ブロックの回りの空気変化特性に対する能動的空気流制御の効果を示している。図２０（ａ）、図２０（ｂ）は、通常的なビル、及び、簡素化されたモデル図解における一体化流れ制御システムを備えたビルの夫々の回りにおける流れパターン同士の対比を示している。同様に、図２５（ａ）、図２５（ｂ）は、夫々、一実施例における剥離緩和のための能動的流体制御あり及び無しでの取入ダクトの速度ベクトル場を示している。
【００２８】
上記ビル構造は、少なくとも上記改変された第2空気流を用いて電力を生成すべく構成された発電デバイスを備え得る。該発電デバイスは、風力／ガス・タービン、及び、風気から電力を生成するために必要とされる他の一切の機器を備え得る。上記風力タービンは、上述された如く空気流が改変される各箇所の内の任意の箇所に配置され得る。例えば、上記タービンは、上記ビル構造の頂部に配置され得る。図３０から図４４は、電力を生成するために風気が屋上にて取得されるという幾つかの実施例を示している。一実施例において、上記ビル構造は、該ビル構造の内部における空気を、少なくとも上記改変された第2空気流を用いて濾過すべく構成された空気濾過システムを備え得る。別実施例において、上記ビル構造は、少なくとも上記改変された第2空気流を用いて、該ビル構造の内部と外部との間で熱を交換すべく構成された熱伝達システムを備え得る。
【００２９】
用途：
上記改変済み空気流は、種々の用途に対して使用され得る。一実施例において、上記改変済み空気流は、上記ビル構造において動力を生成すべく使用され得る。上記動力は、電力、熱パワーなどであり得る。例えば、上記改変済み空気は、上記空気流を増幅することで少なくとも一つのタービンを回転させて電力を生成させ得る。一実施例においては、上記箇所に依存して、上記動力は、上記ビル構造の内側もしくは外側にて生成され得る。生成された動力は、上記ビル内で使用されるべく送給され得るか、または、送電線網へと戻し送給され得る。
【００３０】
本明細書において提供される(上記各装置を含む)上記各システム及び各方法は、種々の用途において採用され得る。一実施例において、それらは、ビル外面における空気濾過を制御すべく採用され得る。一実施例においては、空気濾過を制御すべく、ビル外面にはセンサが配置され、内部及び外部の圧力を測定し得る。上記外面の２つの側の間の圧力差が大きいとき、上記ビルからは空気の流れ(噴流)が放出されることで、該ビルの回りの流れが変更され得る。故に、この実施例において、圧力差が一旦均等化されたなら、空気放出は停止され得る。
【００３１】
別実施例において、本明細書における上記各システム及び各方法は、ビル構造の内側における屋内流分布を制御すべく採用され得る。例えば、上記システムは、HVACの供与アセンブリ／システムに対する一体化流れ制御デバイス(例えば、能動的ディヒューザ)を含み得るか、該デバイスである。図２３及び図２４には、２つの代替実施例における一体化合成噴流を備えたディヒューザが示される。上記能動的ディヒューザは、最大限の及び減少された流量に対し、噴流の到達距離、その天井への付着及び剥離の箇所、及び、その軌跡の如き、屋内空気流特性を最適化すべく構成され得る。
【００３２】
別実施例において、本明細書における各システム及び各方法は、ビルの内側の如き局限されたスペースにおいてエーロゾルの拡散及び除去を制御すべく採用され得る。例えば、上記システムは、屋内環境に一体化されるための一体化流れ制御デバイス及びセンサ配列を含み得る。上記システムは、環境へと戻し排出するのではなく、全体的な空気循環システムから指定容器へとエーロゾルを除去する指定換気口内へとエーロゾル煙条をベクトル化して案内すべく採用され得る。図１９（ａ）、図１９（ｂ）を参照すると、各図は、異なるモードにおいて４０ｌｐｍにおけるエーロゾル煙条の速度ベクトル場の大域図を提供している。
【００３３】
別実施例において、本明細書における上記各システム及び各方法は、ビル外面における熱伝達を制御すべく採用され得る。一実施例において上記熱伝達は、上記ビル外面においてセンサを配置して、内部及び外部の温度を測定することにより制御され得る。上記外面の両側間の温度差と、所望の温度管理方策とに基づき、上記ビルからは空気の流れ(噴流)が放出されることで上記ビルの回りの流れが変化せしめられることで、熱伝達作用が増大／減少／維持され得る。故に、この実施例において、温度差または目標とされた熱伝達が一旦満足されたなら、空気放出は停止され得る。図２６は、能動的制御アクチュエータを備えることで当該ビル外面における熱伝達を制御し、変動する気候条件と屋内の機械的環境とを平衡化させるビル外面の不等角図を示す概略図を提供している。図２７、図２８は、異なる実施例におけるビル構造の内部に対する、本明細書において記述された装置及び方法の影響を更に例証している。
【００３４】
別実施例において、本明細書における上記各システム及び各方法は、ビル構造に対する風力荷重及び／または横風応答を減少すべく採用され得る。例えば、上記システムは、ビルの回りにおける流体流の変位に対する能動的制振のために共振的なビル外面に一体化された流れ制御デバイスを含み得る。上記システムは、合成噴流を使用し、且つ／又は、例えば、大気的、熱的(排気筒)、及び／または、機械的(HVAC)な圧力差により誘起された空気流などの未利用の資源と協働させて合成噴流を使用するという、外面に一体化された表面形態改変法を備えたまたは備えない流体的アクチュエータを使用して、ビル及び高層構造に対して風により誘起される力(すなわち、横風応答及び加速度)を減少し得る。一実施例においては、ビル構造に対する風力荷重を減少させるべく、複数のセンサが採用されてビル上に配置されることで、風力荷重に対する構造応答(平均及び共振)を測定し得る。センサ入力に基づき、ビルからは種々の箇所にて空気流(噴流)が放出されることで、風力荷重及びビルの動的応答を減少するために、ビルの回りの流れを変化させ得る。ビル応答が所望範囲へと一旦もたらされたなら、各噴流は停止され得る。
【００３５】
別実施例において、本明細書における上記各システム及び各方法は、ビル一体化式の風力タービンにより生成された動力を増強すべく採用され得る。例えば、上記システムは、合成噴流を使用し、且つ／又は、例えば、大気的、熱的(排気筒)、及び／または、機械的(HVAC)な圧力差により誘起された空気流などの未利用の資源と協働させて合成噴流を使用するという、外面に一体化された表面形態改変法を備えて又は備えずに、ビル表面を仮想的に改変することにより、ビル一体化風気(“BOW”)デバイスの収率(電力出力)を相当に増大するために共振的なビル外面に一体化された流れ制御デバイスを含むことで、ビル及び高層構造に対して風により誘起される力(すなわち、横風応答及び加速度)を減少し得る。一実施例においては、ビル一体化式の風力タービンにより生成される動力を増強するために、ビル外面において、または、独立的な装置として、アクチュエータが採用されて各タービンに隣接させて配置されることで、ビルの空気力学的性能レベルを改変して、各タービンに送給される空気流の品質が向上され得る。空気流は、風力タービンに送給される流れを変化させるべく放出され得る。
【００３６】
図３０から図３３は、本明細書中に記述された能動的流体制御システムが、動力を生成する風気を取得すべく採用されたという種々の実施例を示している。図３１（ａ）から図３１（ｃ）は、別実施例において屋上条件にて能動的制御システムにより風の流れを操作する方法を示す概略図を提供するものであり、（ａ）は、垂直な風力タービン構成に対するBIHFCSの使用法を示し、（ｂ）は、水平な風力タービン構成に対するBIHFCSの使用法を示し、且つ、（ｃ）は、積層された水平な風力タービン構成に対するBIHFCSの使用法を示している。この実施例において、図３１（ａ）から図３１（ｃ）は、上記装置は、特定の風力タービン形式に限定されず、且つ、水平なタービン、水平なタービンの積層体、それらの組み合わせ、ならびに、他の形式に対して適用可能であることを例証している。
【００３７】
非限定的な作用実例：
【００３８】
実例１：ビルの空気力学的性能
更に大きな可撓性及び低減された制振性を提供する軽量で高強度の材料が開発されて高層ビルの建設での使用が増加したことから、これらの新たな材料の取入れにより付与される利益を制限する動的な風力荷重の影響に対する高層ビルの感受性は大きくなった。それに伴う一つのリスクは、流れ剥離により引き起こされる構造の固有周波数にてもしくはその近傍にて、フォン・カルマン状の渦の離脱により誘起される共振振動である。動的な風力荷重の効果は風のパワーと比例して増加することから、高層ビルは、固有周波数を増大するために、且つ／又は、制振を提供するために、相当の材料対価を支払うことになる。特に、横風応答は、強度及び有用性(人間の居住適性)の設計基準の両方を支配することが多い。
【００３９】
SAM及びGAM方策は、いずれもが利点を有しているが、それらは多くの場合、ビル業界による非再生資源の大量消費に更に寄与するという、質量及び剛性に対して増大した構造的な要求の故に、有益な賃貸可能領域の減少と、高い建設コストとの負担を以て、実現されている。故に、習用の空気力学的な解決策は、居住可能なので有益であるという床面積を犠牲にすることから、付加的である補償的な複数の階を必要として、風力荷重及び建設コストを更に増大し得ることで実現され得る。
【００４０】
SAM手法は、空気力学的性能に対し、ビル、その幾何学形状、及び、材料特性に依存するが、提案された流体式空気力学的改変法(Fluid-based Aerodynamic Modification)(“FAM”)の手法は、異なっている。図１は、一実施例におけるSAM及びFAMの比較を示す概略図を提供している。図１は、SAMは、基準状態のビル計画を物理的に改変して風力荷重を減少することから、付加的である補償的な複数の階を必要とするが、一実施例において、FAMは、経済的な最適化と、最適な床面積率(“FAR”)の維持とのために、基準状態の計画を維持し乍ら、空気流を制御することを示している。構造の空気力学的形状を向上させるために固体材料を調節する代わりに、流体式の流れ制御は、空気流が実質的に異なる形状に“遭遇”する如く、境界層の特性(図１参照)、すなわち、ビルと空気流との間の相互作用領域を操作すべく使用される。FAMは、能動的流れ制御(“AFC”)方策、すなわち、所望されたときにのみ、動力入力を利用して流れを変化させるという方策である。図２に示された如く、本明細書における上記各システム及び各方法の一つの目的は、ビル外面にわたる、離脱した渦の影響を低減し、風力荷重を低減し、且つ、圧力変動を減少するために、流れ剥離を緩和することである。図２は、一実施例においてビルの構造の機械的な制振要件を低減して、所望の有用性基準を達成する方法を示している。上記FAM手法は、境界層制御(“BLC”)に対して開発された概念に依存しており、今日までのそれの適用は主として、航空産業におけるものであった。但し、非常に乱流的な流れにおける鈍い物体(ビル)と、変動する負荷に関する影響とに対するそれの適用は、これまでは研究されていなかった。一実施例においては、BLCに対する２つの方策が採用され得る：
【００４１】
１．非定常的な力付与：周期的励起を用いた空気力学的性能の改変
剥離を阻止する境界層制御は習用的には、高運動量の流体を定常的に付加(送出)すること、または、表面の近傍における境界層から減速流体を除去(吸引)して上記表面に向けて高運動量の自由流の流体を偏向させることを伴っていた。
【００４２】
２．定常的な力付与：定常流を用いた空気力学的性能の改変
第2の更に最近の更にエネルギ効率的な手法は、運動量の振動的付加と見做されることが多い周期的励起である。流れに対して運動量を単純に付加または除去することを追求する定常流の方策とは対照的に、周期的励起は、流れと、それに伴う構造との内部で自然に生ずる周波数の知見を利用する。故に、周期的励起は、各構造を目標限定することにより、流れの定常的な特性よりも効果的に、変化を起こさせるべく使用され得る。付加的に、十分に高い起動周波数によれば、対象物の実質的な形状化を達成することが可能であり得、その場合に流れは事実上、異なる形状に遭遇する。図３を参照。図２２には、一実施例において、柱体モデルの回りにおける合成噴流と流れ場との間の相互作用を示す流れ視覚化の代替的な図解が示される。
【００４３】
非定常的な力付与は定常的な力付与よりも複雑であるが、前者は後者と比較して３つの主たる利点を有している：必要とされる動力は大きさが一桁ほど小さく、各アクチュエータは主要の推進システムから切り離され得、且つ、それらは独立的で小寸かつ軽量である。本考察においては、周期的励起アクチュエータとして、流れ場に対して質量を加算も減算もしない(すなわち、正味ゼロの質量流束)という合成噴流が使用される。これらのアクチュエータは、(典型的には)圧電ディスクにより駆動されるダイヤフラムの周期運動により動作する。
【００４４】
力付与による運動量の付加は概略的に、送出率(blowing ratio)Cbを用いて定量化される：
【００４５】
【数１】
2015537185.tif 000003
【００４６】
式中、Ujは噴流速度であり、且つ、U∞は自由流速度であり、且つ、運動量係数Cμは次式である：
【００４７】
【数２】
2015537185.tif 000004
【００４８】
式中、ρj及びρ∞は夫々、噴流及び自由流速度の密度である。Uj及びU∞は、噴流速度及び自由流速度である。D、H、b、hは夫々、モデルの幅、高さ、及び、噴流オリフィスの幅及び高さである。
【００４９】
実験的考察
回流低速式風洞において、試験が行われた。該風洞は、0.8×0.8メートルの断面積を備えた試験区画を有し、且つ、50m/sの最大速度及び0.2％未満の乱流レベルを備えた5メートル長であった。各試験は、等流条件にて行われた。高層ビルは、大気境界層中に沈められると共に、不均一な平均速度及び乱流強度変化特性に晒されるが、等流は、ビルが高いほど適切となる。此処で行われた実験は、乱流境界層の付加的な複雑さ無しに、鈍い物体の剥離に関してFAMを研究することを企図していた。
【００５０】
研究の範囲は、力付与と直交流との間の相互作用の物理的試験から、種々の鈍い物体の空気力学的性能に対する該試験の意味合いを経由し、建築的パラメータと共に空気力学的性能パラメータを統合することで全体的なビル性能に関する影響を評価するための体系に至るものであった。
【００５１】
角柱の頂部に対する定常的な力付与を用いてFAMを適用する実現可能性の研究
実験は、角柱の頂部を踏破する流れに対する定常的及び非定常的な力付与の効果を研究すべく設定されたが、この項においては、定常的な力付与のみが論じられる。
【００５２】
設定：RPIにおける風洞設備内で、1:1:3のアスペクト比を有する角柱が試験された。圧力測定値は、風上側縁部の近傍に定常噴流の配列が配置された頂面にて記録された。各試験は、所定範囲の流量(Q＝10〜70L/min)にて圧縮空気ラインにより供給された各噴流を以て、３つの異なる速度(U∞＝12、18、及び、24m/s)にて行われた。各噴流オリフィスは、各噴流が、角柱の頂面に関して20°の角度にて下流に発せられる如く配向された。
【００５３】
結果：各試験は、角柱の頂部を通過する流れに対して力付与を適用すると、上記表面にわたる圧力分布が影響されることを例証した。圧力係数(すなわち、無次元化された圧力の尺度)は次式として定義される：
【００５４】
【数３】
2015537185.tif 000005
【００５５】
式中、Pは角柱の表面上で測定された圧力であり、P∞は自由流の静的圧力である。(付着流に対する)更に負である値のCpは、更に大きな表面近傍速度へと相関され得る。
【００５６】
流量の増大は、圧力係数の比例的な減少(更に大きな運動量の付加)に帰着し(図４参照)、このことは、剥離された境界層は、力付与の適用により、上記表面に対して更に接近されたことを示唆している。
【００５７】
故に、何らかの理論により縛られるべきではなく、ビルのパラペットにおいて境界層の剥離を制御すると、剪断流を回避すべく典型的に行われるという、剥離域の上方へと風力タービンを上昇させる構造的な不利益の低減に帰着するであろう。
【００５８】
実例２：比較研究：FAM対GAM
図５、図６を参照すると、別の実験が行われ、FAM体は、幾何学的に改変(“GAM”)された物体により達成された流れ増幅のレベルを、元の物体の形状を変化させずに達成し得ることが例証された。GAM体は、風増幅式ロータ・プラットフォーム(“WARP”)上に描かれた。風速を増幅するWARPの機能に依り、ビル外面に対する、または、高層ビルの頂部における構造としてのそれの適用は、建築家に対して格別の関心事となっている。遺憾乍ら、その幾何学形状、及び、床面積の喪失に関する建築的及び財務的な意味合いに依り、斯かる様式でのビル一体化風力タービン(“BUWT”)の一体化は、実現可能でない。
【００５９】
設定：数値流体力学(“CFD”)シミュレーションが行われ、上記設計態様が統合されると共に、WARPにより示唆されるGAMモデルの受動的な流れ増幅が測定された。一連の風洞実験は、GAMモデル(図６（ａ）)による空気速度増幅をFAMモデル(図６（ｂ）と比較したものであり、各スロットは噴流のオリフィスであり、且つ、各孔は表面圧力測定のための圧力ポートである。図１１は、その風洞内で試験された柱体モデルにおける内部図を示している。上記FAMモデルは、φ101.6ミリメートル、及び、アスペクト比AR＝H/D＝3(すなわち、流れ場における３次元性を最大化するために、低いアスペクト比)の円形柱体であった。各試験は、直径に基づき、1.17×105のレイノルズ数に対応する18m/sの自由流速度にて行われた。図１８は、一実施例における各噴流の流量の変化を示す非正規化グラフを示している。実験は、３つの異なる流速に対して反復された。
【００６０】
結果：谷部におけるGAMモデルの速度増幅は(自由流速度の)16％である一方、FAMモデルの速度増幅は、殆どのエネルギ付加なしで(Cb＝0.6、Cμ＝0.0569％)、該モデルの全体的な径間にわたり、40％の増加に到達した。
【００６１】
故に、ビルに対するFAMの適用は、外面に対する幾何学形状変更よりも大きな速度増大をもたらすことで、GAM手法により遭遇する床面積の喪失なしで、ビル一体化風力タービン(“BUWT”)を支援し得る。各シミュレーション及び実験は最終的に、空気流特性、能動的及び受動的な増幅、BUWT特性、ビル形状、及び、エネルギ需要量の間における複雑な依存性の管理に対し、風力エネルギ生成パラメータを建築パラメータに対して統合するというパラメータ的な兼ね合いモデルの開発に達した。
【００６２】
第3の実験は、自由端部を備えたFAMモデルの回りにおける合成噴流と空気流との間の３次元的な相互作用を研究すべく行われた。該実験が行われたのは、能動的流れ制御に関する従前の多くの研究は、多くの現実世界の対象物に見られる３次元性と、典型的なビル状況を表すそれらの結果的な３次元流れ場とを無視していたからである。
【００６３】
設定：合成噴流アクチュエータを用いたFAMモデルの３次元的な力付与に依る流れ場に対する変化が、表面圧力の測定を通して研究された。研究された変数としては、起動された合成噴流の個数、自由流に関する各噴流の角度、及び、各噴流の送出率が挙げられる。合成噴流オリフィスは、３つの径間的箇所(z／D＝1.37、1.5及び1.63)に配置された。各オリフィスは、長さb＝20.32mm及び幅h＝1mmを有すると共に、オリフィスが自由流方向に平行である如く配向された。各実験は、２つの送出率Cb＝0.4、0.6、及び、３通りの異なる組み合わせの噴流にて、合成噴流の中心線を自由流速度に関して種々の角度に載置して、行われた。
【００６４】
結果：図７及び図１３を参照すると、自由端部からの吹き下ろし流(downwash)は、合成噴流の力付与に対し、対応する２次元柱体におけるのとは異なる様に応答する独特の流れ場を生成した。自由端部からの吹き下ろし流に対する合成噴流の相互作用は、FAMの回りにおける流れ場に対する大域的な変化に帰着した。合成噴流起動の結果は、表面圧力分布における変化と、一定距離下流にて持続された後流(wake)の狭幅化との両方から決定された、抗力の減少であった。FAMは、力付与無しでの基準状態及びGAMの場合の両方よりも相当に大きく、Cpの大きな減少を達成し得た。図７に示された如く、全ての場合において、表面圧力は減少されており、表面近傍速度の加速を表している。
【００６５】
何らかの理論により縛られるべきではなく、ビルの回りの流れの３次元的な性質に依り、戦略的な箇所における力付与は、ビルの径間(高さ)及び下流に沿った大規模な流れパターンに影響し、近後流における離脱渦の構造の形成を阻止し、且つ、抗力及び構造的振動を減少し得る。
【００６６】
用途
高層ビルに対するFAMの実際的な適用は、３つの問題を伴う：
【００６７】
起動：性能に対する所望の効果を達成するために、ビルの間取りへと複数の流体的アクチュエータが取入れられると共に、それらのオリフィスはビルの外壁(facade)へと一体化された。それらは、最も小さいエネルギ投資により相当の成果を達成するために、殆どはビルの硬質縁部である既知の剥離点の近傍であることが好適である。オリフィスの設計態様は主として、剥離域における低運動量の領域に影響するために流れが噴射される必要がある角度と、効果的である決定されたCbに関して利用可能な流量によるそれの寸法とにより決定される。
【００６８】
資源：エネルギ消費量を増大させないために、且つ、アクチュエータの形式(定常的または周期的)に依存して、動力資源は、機械的に駆動される空気流、または、排気筒もしくは風圧に依る圧力差により引き起こされる自然駆動流のいずれかを使用することにより、ビル環境内で特定されねばならない。
【００６９】
制御：ビルの外壁に沿う局所的な条件に対処するために、FAMシステムは、到来流の状態を検出する複数のセンサと、各センサの情報を処理すると共に、各アクチュエータに対する制御信号を提供する適応的コントローラとを備え得、すると各アクチュエータは、(周期的な力付与の場合に)大きさ及び変調を決定する。上記適応性は、ビルの高さもしくは側部に沿って局所化された相互作用を提供し得るだけでなく、密集した都市環境におけるビルの寿命にわたる新たな建設により引き起こされる干渉に依る確立済み環境の変化にも対処し得る。
【００７０】
建設コスト
FAMの適用は、依然として、建設コストに対する正確な影響に関して評価されるべきであるが、幾つかのパラメータに関する可能的な影響は特定され得る。
【００７１】
構造：構造的コストは概略的に、全体的な建設コストに対して約20〜25％だけ寄与すると共に、主として、上述された如き風の効果により余儀なくされる。FAMにより風力荷重に対処すると、構造体系の選択を推進する考察に対して影響を有し得る。ビルの幾何学形状から空気力学的性能を切り離すことにより、建築可能性及び建設期間は、例えば、更に単純なビル形状により、相当に改善され得る。
【００７２】
外壁：外壁コストは概略的に、全体的な建設コストの約15〜18％だけ寄与する。ビル形状及び床板サイズが更に効率的であるほど、壁対床の比率は小さく、すると、単位床面積当たりのコストとして表現されたときに、更に低い外壁コストに繋がり得る。ビル形状及び間取りを簡素化する上記機能はまた、現場から離れて作製され且つ現場にては床部から設置されることでクレーン使用及び昇降時間に関する要求を減少するというユニット化されたカーテンウォール設置システムの採用を可能ともし得る。
【００７３】
間取り：従前の試みは、優れた空気力学的性能は、床面積の喪失と補償的な階を付加する必要性とに依り増大した建設コストを負担することで達成され得ることを認識することとなった。本明細書に記述されるシステムはこの欠点を有さない、と言うのも、空気流制御は、流体流により達成され、ビル自体の構造によってでは無いからである。
【００７４】
検討
本明細書における結果は、高層ビルの空気力学的性能に対する流体式手法は、ビル・システム基盤において且つその回りにおける空気流の相互作用を再検証するための有用な体系であり得ることを示している。空気流の本来的な非一貫性に伴う難題は、高層ビルを考察する新たな途を、空間的かつ時間的に変動する資源に伴う機会及び難題に応じ得る高度に適応的な動的システムとして、開き得る。
【００７５】
流体的なレンズを通して高層ビルを見るためには、空気力学的性能の設計方法論及びツールの開発及び統合が必要である。このことはまた、ビルの内部及び外部環境において、起動のために、未利用の流体的資源の発見に繋がり得る。これらの目的のためには、FAMの影響を評価するスケール調節技術の開発が重要であり得る。図８から図１０は、上記能動的流体制御システム及び／または方法が、ビル構造に関連する種々の箇所に対して如何に適用され得るか、及び、その効果を示す幾つかの概略図を提供する。
【００７６】
構造の流れ場を流体的介在により操作することのみにより該構造の空気力学的性能を制御することの意義はまた、大域的なエネルギ及び資源の消費量に影響する可能性も有している。物体の定義を、周囲の流体を含むべく幾何学形状の固体縁部境界を越えて拡張すると、設計された構造同士間の他の動的関係を再定義し得ると共に、外壁にわたる熱及び質量の伝達と、ビル一体化式の風力タービンによるエネルギの取得と、自然換気の戦略と、屋内空気の管理とを制御する可能性に影響を与え得る。例えば、図９を参照されたい。
【００７７】
ビル・システム基盤のこの形態変化的な再定義は、ビルの内部と外部との間の二者択一的な分離法に挑戦するものであり、該挑戦は、高層ビルは機械的に内部的に駆動され且つビル環境から密閉される、という一般的な考え方に由来する旧態に対して長期に引き延ばされてきた挑戦を反映している。
【００７８】
実例３−BIAHFCシステム
【００７９】
前置き
以下の結果は、ビル一体化能動的／ハイブリッド流れ制御システム(“BIAHFC”)システムの実現可能性を例証する目的で、風洞実験、シミュレーション、及び、ビル由来の試作品を通して試験を行うことにより獲得された。行われた３つの実験的考察は、以下に記述される。
【００８０】
第1の考察は、空気流と、ビル由来モデルとの間の相互作用を研究するものである。該研究は、複数の試作品の設計及び作製と、風洞試験及びシミュレーションによる実証とを含んでいた。この考察は、方法論に対し、すなわち、アクチュエータを有限モデルへと一体化して、その回りの３次元的流れに影響を及ぼすことによるビル用途に対するAFCの研究に対し、焦点を合わせていた。特に、この考察は、ビルの回りの流れの複雑さを表さない２次元的相互作用を研究した。この研究の主要な動機は、ビルの実際の形状化なしで、WARP設計態様により例証されるビル一体化式の風力タービンにより更に高いエネルギ収率に対して流れ増幅を達成することであったが、その意味合い及び用途は、以下に記述される如く、この動機を越えるものである。
【００８１】
記述される第2の考察は、低層ビルのパラペットを通過する流れに対する、それに一体化された噴流の効果を研究する風洞実験である。図１４を参照すると、この研究に対して使用された試作品は、BIAHFCシステムに関連するビル排気筒を表すために、20階建ての矩形のオフィスビルを表している。この考察は、ビルのパラペットに対して噴流を適用すると、鋭角的に縁部形成された幾何学形状を通過する流れを変化させたことを例証した。この実施例において、結果は、ビルに対して取付けられた多くの構造(空気処理ユニット、アンテナ、一体化して取付けられた風力タービンに対する構造的支持体、PVパネルなど)に対する風力荷重の減少と、屋上に取付けられたタービンによるエネルギ収率の可能的な改善とを示している。
【００８２】
第3の考察は、囲繞空間内における屋内空気及び空中浮遊汚染物質の制御に焦点を合わせた。この考察は、２つの形式の起動デバイスを用いて行われた：合成噴流(非定常的な力付与)及び圧縮空気噴流(定常的な力付与)。各研究は、普及しているビル形状の種類に対処するために、円形及び矩形のモデルの頂部の回り及び其処における流れ場を変化させる能力を例証した。各モデルは、流れを変化させるために、何らの可動部材を使用しなかった。
【００８３】
実験的考察
【００８４】
考察１：
風洞試験の目的は、低いアスペクト比の柱体モデルの回りにおける流れを低減させ且つ変化させるべく、能動的流れ制御の適用法を精査するために、３Ｄの鈍い物体に対する３Ｄの力付与の適用を研究することであった。上記モデルの回りにおける流れ場、大域的で空気力学的な負荷及びモーメント、及び、モデル／流れの相互作用が変更された。該研究は、空気力学的負荷を操作すること、及び、モデルの回りにおける目標選定された箇所における流れの速度の如き流れ特性を制御することを目的とした。合成噴流は、柱体の径間に沿い、３つの異なる組み合わせにて適用された(図６（ａ）を参照)：１個の噴流、２個の噴流、及び、３個の噴流。これらの組み合わせは、ビルを通過する流れに対する、個別的な噴流、ならびに、複数の噴流の配列の効果を研究することを目的とした。図１２は、有限柱体の表面圧力測定と該柱体の後流に関する立体的なPIV測定とを用いて該柱体に対する力付与の結果を示している。
１．吹き下ろし流は、２Ｄ柱体とは異なる様に、噴流による力付与に応答する独特の流れを生成した。
２．吹き下ろし流に対する噴流の相互作用は、柱体の一定距離だけ下流にて感知され得る柱体流れ場に対する大域的な変化に帰着した。
３．後流に対する改変は、圧力抵抗の相当の低減と、後流ベクトル化により例証される誘起横力とに帰着した。
基準状態から明らかである様に、吹き下ろし流は、自由端部における二重ピークを生成する一方、速度不足も低減させる。両方の噴流角度にて、更に大きな運動量の流体は、後流の中心線に向けて取り込まれ、両方ともに後流構造を狭幅化してそれをベクトル化し、誘起された横力に帰着した(すなわち、揚動)。
【００８５】
結果は、同一条件下で動作して、流体的手段のみによりビルの空気力学的性能を改善するBIAHFCシステムの実現可能性を示唆している。モデルの回りの流れを制御することにより、風により誘起される負荷は減少され(図１３)、且つ、空気速度は、所望の単一もしくは複数の箇所にて増大された。故に、特に合成噴流アクチュエータによるBIAHFCは、ビルの性能を向上させるために有用であり得る。詳細には、BIAHFCは、ビルに対する風力荷重を低減し、且つ、ビル一体化式の風力タービンからの風力エネルギ生成を増大する能力を提供し得る。
【００８６】
図１３を参照すると、方位角的分布に基づき、上記噴流は、循環を変化させることにより表面圧力に対する大域的な変化を成立させ得る。但し、吹き下ろし流の存在の故に、この考察における噴流の効果は、噴流オリフィスの直近の回りに局所化される様に思われる。(右側の)径間的グラフは、無次元化された圧力対径間的距離を示している。結果として、単一噴流は、表面圧力に対する大きな径間的変化に帰着する。このことは重要である、と言うのも、特に、柱体の直径に対する噴流オリフィスの比率は1/100だからである。
【００８７】
考察２：
研究は、低アスペクト比の有限角柱に対して行われ、頂部における流れ剥離に対する定常的な力付与の効果が吟味された。結果は、頂部を通過する流れは圧縮空気噴流の使用により操作されること、及び、屋根の表面上の圧力は、力付与が適用されたときに減少されたことを示した。何らかの理論により縛られるべきではなく、屋上に取付けられた(例えば、空気処理ユニット、ソーラ・パネル、アンテナなどの)機器は、減少された風力荷重に晒され、且つ、風力タービンは、更に良好な風気条件及び更に少ない構造負荷に直面し、そのエネルギ収率が増強され、且つ、その構造的要件が緩和される。
【００８８】
考察３：
合成噴流アクチュエータは、シミュレートされた換気システムを備えた密閉チャンバにおいて、空気流及びエーロゾルの拡散及び除去を好首尾に制御した。使用された最大の粒子(〜100μm)に対してさえ、粒子はキャリヤ空気に追随し、エーロゾル煙条のベクトル化及び除去に関して相当な効果をもたらした。結果は、局限されたスペースにおいて屋内の空気品質を制御するためのBIAHFCの適用可能性及び適切性を例証した。
【００８９】
実例４：
この実例は、SAM方法を、当初は航空宇宙業界に対して開発された流れ制御技術に由来する‘流体式空気力学的改変’(“FAM”)方法により増強することにより、これらの分野の環境影響を低減する新たな手法を提供する。FAMは、多変量最適化を許容する異なる手法に寄与するものであり、構造内の固体材料の調節のみに依存してビルの空気力学的な‘形状’を改善する代わりに、流体式能動的流れ制御は、ビル境界層を操作して空気力学的挙動を変化させることで内部及び外部の用途の両方に対して所望の性能を達成するために、ビル・システム基盤に対して付加される。本明細書においては、高層ビルの空気力学的改変に対するFAMの適用を例証する実験結果が呈示される。
【００９０】
システムの説明：
高層ビルに対するFAMの適用は、３つの構成要素を含んでいる：
【００９１】
起動：性能に対する所望効果を達成するために、流体的アクチュエータはビルの間取りへと取入れられると共に、それらのオリフィスは、ビルの外壁内へと一体化される。それらは、最小のエネルギ投資により相当の結果を達成するために、殆どはビルの硬質縁部である既知の剥離点の近傍が好適である。オリフィスの設計態様は主として、剥離域における低運動量の領域に影響するために流れが噴射される必要がある角度と、効果的である決定された噴流速度に関して利用可能な流量によるそれの寸法とにより決定される。各アクチュエータは、以下のものであり得る：
・(圧電ディスクに対して適用された動力、または、他の機構により駆動される)パルス化噴流
・(圧縮機により提供される圧縮空気を用いる)定常噴流
・ビルの回りの高い空気圧領域から空気を吸引し、その空気を低い空気圧領域に送出すべく動作する可動フラップを備えた、通風筒装置
・通風筒と、該通風筒を通り導向された空気流を増強かつベクトル化すべく合成噴流が使用される低圧領域に面する出射平面またはオリフィスの回りに配置された合成噴流との組み合わせ物である、ハイブリッド装置。
【００９２】
エネルギ資源：エネルギ消費量を増大しないために、且つ、アクチュエータの形式(定常的、または、周期的)に依存して、動力資源は、ビルの環境内で特定されるべきである：
・HVAC排出空気などによる、機械的に駆動される空気流の使用
・温度差(浮力)により引き起こされて自然に駆動される空気流
・チャネルにより高い空気圧から低い空気圧へと空気を移動させる風圧により引き起こされて自然に駆動される空気流
【００９３】
制御：ビルの外壁に沿う局所的な条件に対処するために、FAMシステムは、到来流の状態を検出する複数のセンサと、各センサの情報を処理すると共に、各アクチュエータに対する制御信号を提供する適応的コントローラとを備え得、すると各アクチュエータは、(パルス化噴流の場合に)大きさ及び変調を決定する。上記適応性は、ビルの高さもしくは側部に沿って局所化された相互作用を提供するだけでなく、密集した都市環境におけるビルの寿命にわたる新たな建設により引き起こされる干渉に依る確立済み環境の変化にも対処する。
【００９４】
実例５
能動的流れ制御デバイスをディヒューザ内へと一体化すると、非常に少ないエネルギを以て、且つ、非常な高精度を以て、屋内スペースにおける流れのベクトル化が許容され得る。偏向部材、翼板、または、他の可動部材を使用する代わりに、(例えば、空気などの)流体的な介在を通して流れを制御する能力によれば、機械的もしくは空気圧的なデバイスに対する必要性を低減することによりエネルギが節約され得ると共に、抗力損失と、偏向表面上で凝縮に依り進展し得る“カビ”とが低減され得る。その結果は、エンドユーザのエネルギ効率が高められる一方、優れた空気混合に起因する更に良好な空気品質及び熱的な快適さが達成されることである。習用的には、最終用途従事者の好首尾の快適さは基本的に、屋内で占有されたスペースにおける限られた温度勾配を提供する適切な空気混合により調整される。可変的な空気体積(“VAV”)の空気端末の使用は、少ない空気流において温度的な快適性を提供することに加えてエネルギを節約するために空気流を変調するが、ピーク設計流量における自身の性能特性に対して選択されたディヒューザは、非効率的に動作することがある。ピーク負荷設計より低いとき、VAVディヒューザは、適切な面速度もしくは到達距離をもはや提供せず、且つ、室内空気をもはや十分に混合しない。ディヒューザから供与される調節済み空気はスペース内へと下方に直接的に“投出”され、且つ、各ディヒューザ間に配置された領域は空気移動が無く、居住者は“風通しの悪い”状態を訴えることになる。故に、このシステムは、居住者の快適さの観点から、受け入れられない。
【００９５】
VAVユニットは適切な空気混合及び温度的な快適性を達成し得ないことに応じて、設計者は、一連のファンにより動力供給されるボックス(“FPB”)による端末ユニットの使用を指定することが多い。FPBを実現する上で認識される利点の一つは、優れた空気拡散である。FPBは一定の空気流速度を有することから、FPB端末ユニットにより従事されるディヒューザは、室内空気の一貫した混合を維持して、更に均一な温度を提供し且つ居住者の快適性を改善するために、ディヒューザの面速度及び到達距離を最適化すべく選択され得る。しかし、FPBの一定体積での動作は、負荷変動に基づく空気流の減少に由来するエネルギ節約を提供しない。
【００９６】
該実例は、空気ディヒューザの設計態様を改善することにより可能である潜在的なエネルギ及びコストの節約の利点を研究した。目標は、広範囲に変化する空気流に対する空気分配の有効性を向上させるディヒューザの設計態様を開発することであった。一つの目的は、全ての負荷条件において居住者の快適性を向上させ、且つ、当該設計者等が低効率のFPB端末ユニットを従来的に使用し得る箇所において、設計者等がコスト効率的なVAV端末ユニットを利用することを許容することである。
【００９７】
システムの説明
上記システムは、上述された如く外部制御に対するシステムと同様である。各噴流は、天井、床、または、壁部に取付けられたディヒューザ内へと一体化され得る。各ディヒューザは、部屋の中央に、または、部屋の各側部の内の一つの側部に隣接して配置され得ると共に、矩形、円形、線形などの如き種々の形状を有し得る。各噴流は、HVACダクトを通りディヒューザ内へと進行する空気流を、必要とされる箇所及び容量にて分配すべく操作するという目的を以て、ディヒューザの出射平面内へと一体化され得る。空気は、部屋内に配置された各センサからのリアルタイムの空気測定データを受信し得るコントローラからの入力に基づいて操作され得る。
【００９８】
用途
【００９９】
屋内流の分配の制御：
各センサは、ビルの内部に配置されると共に、空気速度、室温、及び、占有性を測定する。HVACシステムから到来する空気流に対する変更が一旦必要とされたなら、HVACディヒューザに一体化された各噴流は、放出されることで、ディヒューザを通して室内へとHVACにより提供される主要な空気流の到達距離、広がりまたは速度のいずれかを改変し得る。
【０１００】
局限されたスペースにおけるエーロゾルの拡散及び除去の制御
各センサは、ビルの内部に配置されると共に、空気内容(各種気体)を測定する。気体の煙条が一旦検出されて除去されたなら、HVACディヒューザに一体化された各噴流が放出されることで、上記煙条を別体的な換気口へとベクトル化して居住空間から除去するために、ディヒューザを通してHVACにより提供された主要な空気流の到達距離、広がりまたは速度のいずれかを改変し得る。
【０１０１】
図３４を参照すると、一体化システムの幾つかの構成要素が記述される。デバイス1は、屋上のディヒューザ／アクチュエータである：ビルの頂部に設置された装置。このデバイスは、独立的なユニットとして、または、ビルのカーテンウォールの一部として、ビルのパラペットに対して接続される。該デバイスは、各噴流(キャビティ及びオリフィス)と、該各噴流をHVAC放出空気ダクトに対して接続する管とを包含する。HVACシステムからの放出流は、この接続を通して案内され、且つ、各噴流を通して放出される。各噴流は、空気速度を増大して、ビルの頂部における空気流に影響を及ぼすために、狭幅化区画により形状化される。噴流(オリフィス)の出射平面にては、噴流キャビティを通して到来する流れを、正確に且つエネルギ効率的な様式でベクトル化するために、合成噴流が取入れられ得る。
【０１０２】
デバイス2は、スパンドレル・ディヒューザ／アクチュエータである：ビルの外壁上に設置された装置。このデバイスは、ビルのカーテンウォールの一部である。該デバイスは、噴流(取入口、ダクト及びオリフィス)を包含する。図２５は、一つの代替実施例において剥離緩和に対する能動的流体制御あり、及び、無しでの、取入ダクトの速度ベクトル場の概略図を示している。図２６は、ビル外面における熱伝達に対する、一つの代替実施例において記述されたシステムの影響を示す概略図を提供する。噴流は、空気速度を増大するために狭幅化区画を備えて形状化され、且つ、該噴流は、空気を、取入口側では該噴流を通して吸引されると共に、オリフィス側では更に高速で放出させるというビルの角隅部の両側上の空気圧を利用するために、該角隅部の近傍に配置される。合成噴流は、噴流キャビティを通して到来する流れを正確に且つエネルギ効率的な様式でベクトル化するために、噴流(オリフィス)の出射平面にて取入れられ得る。
【０１０３】
デバイス3は、スパンドレル・ディヒューザ／アクチュエータである：ビルの外壁上に設置された装置。このデバイスは、ビルのカーテンウォールの一部である。該デバイスは、噴流(取入口、ダクト及びオリフィス)を包含する。噴流は、空気速度を増大するために狭幅化区画を備えて形状化され、且つ、該噴流は、空気を、取入口側では該噴流を通して吸引せしめると共に、オリフィス側では更に高速で放出せしめるというビルの角隅部の両側上の空気圧を利用するために、該角隅部の近傍に配置される。合成噴流は、噴流キャビティを通して到来する流れを正確に且つエネルギ効率的な様式でベクトル化するために、噴流(オリフィス)の出射平面にて取入れられ得る。
【０１０４】
デバイス5は、屋内のディヒューザ／アクチュエータである：内部壁／吊下された天井／屋内スペースの上げ床上に設置された装置。このデバイスは、ビルのHVACシステムの一部である。該デバイスは、主要のHVAC空気流通路チャネルと、HVACダクトから到来する流れを正確に且つエネルギ効率的な様式でベクトル化するためにHVACの出射平面に取入れられた合成噴流の配列とを包含する。
【０１０５】
デバイス6は、能動的流れ制御パネルである：ビルの外壁上に設置された装置。このデバイスは、ビルのカーテンウォールの一部である。該デバイスは、パネル表面内に取入れられた合成噴流の配列と、センサとを包含する。該デバイスは、コントローラに対して接続される。コントローラのデータに基づき、各噴流は起動され、且つ、上記センサは、ループを閉じるべく流れ特性を測定する。
【０１０６】
実例６
【０１０７】
実験の目的
この実例は、(結果的なスペースの損失、または、材料及びエネルギの使用量の増加に帰着する)構造の物理的な変更もしくは改変なしで、空気力学的性能を最適化するFAMの能力を例証する。複雑な流体／構造の相互作用に対する構造的もしくは幾何学的な特性から空気力学的性能を切り離すと、ビルは、平均の及び変動する風力荷重に更に良好に応答する一方、その経済的な実現可能性が、故にその成功可能性が高められて、企図された急激な都市人口増加に適した有力で持続可能なビル類型学となることが許容される。この実例は、空気流の状態を操作すると共に、特に、ビルに対して適用される風力荷重を減少するためのFAM手法の実現可能性を例証する。
【０１０８】
実験の設定
各実験は、RPIにおける回流低速式風洞において行われた。該風洞は、50m/sの最大速度及び0.25％未満の乱流レベルを備えた0.8×0.8×5mの空気力学的試験区画を有していた。床に取付けられた粗さブロックを備えたパネルによりシミュレートされた1.2×1.2×境界層乱流の試験区画を備えた風洞の延長部を通し、大気境界層がシミュレートされた。1400Hz(Fx、Fy、Tz)及び2000Hz(Fz、Tx、Ty)の共振周波数を備えた高周波力平衡器(“HFFB”)を用いて、力及び転倒モーメントが測定された。全ての試験は、U∞＝10m/s、及び、0〜45°の迎え角にて行われた。
【０１０９】
試験モデル
【０１１０】
FAMモデル：矩形の断面及び1:2:15(34mm:68mm:520mm)のアスペクト比を備えた定常的な力付与モデル(モデルA)は、(前縁部に可及的に接近して)x／D＝≒0.08に配置された１１個の噴流の配列(各側部に５個の噴流、及び、１個は頂部)を取入れた。噴流の放出角度は、モデルの狭幅側に対して平行とされることで、剥離域における減速流の領域に影響を与えるべく設計された。定常噴流は、種々の選択流量にて、圧縮空気ラインにより送給された。送出率は、圧力センサ入力に対する高温ワイヤにより較正された。
【０１１１】
結果
結果は、空気力学的負荷に対する力付与の相当な影響を示した。噴流速度の増加と、抗力の減少との間には、明確な相関が見られた(図２を参照)。
【０１１２】
結論
限定的なものとしてで無く、特許、特許出願、論文、書籍、学術論文、及び、ウェブ・ページなどの、本出願において引用された全ての文献及び同様の資料は、斯かる文献及び同様の資料の形態に関わらず、言及したことにより全体的に本明細書中に明示的に援用される。援用された文献及び同様の資料の一つ以上が、限定的なものとしてで無く、定義された語句、語句の用法、記述された技術などを含む本願と異なりまたは相反する場合は、本出願が優先する。
【０１１３】
本教示は、種々の実施例及び実例と関連して記述されたが、本教示は、斯かる実施例または実例に限定されることは意図されない。逆に、当業者であれば理解され得る様に、本教示は、種々の代替例、改変例及び均等物を包含する。
【０１１４】
本明細書においては、種々の発明的実施例が記述かつ図示されてきたが、当業者であれば、本明細書に記述された機能を実施し且つ／又は結果及び／または利点の一つ以上を獲得する他の種々の手段及び／または構造を容易に想起し得ると共に、斯かる変更例及び／または改変例の各々は、本明細書中に記述された発明的実施例の有効範囲内であると見做される。更に概略的には、当業者であれば、本明細書中に記述された全てのパラメータ、寸法、材料、及び、構成は、例示的であることが意味されること、及び、実際のパラメータ、寸法、材料、及び／または、構成は、発明的教示が使用される単一もしくは複数の特定用途に依存することを容易に理解し得よう。当業者であれば、本明細書中に記述された特定の発明的実施例に対する多くの均等物を理解し得よう。故に、上述の各実施例は例示的にのみ呈示されること、及び、添付の各請求項及びその均等物の有効範囲内で、発明的実施例は、特に記述かつ権利請求されたのとは別様に実施され得ることは理解されるべきである。本開示内容の発明的実施例は、本明細書中に記述された個別的な各々の特定構造、システム、物品、材料、キット、及び／または、方法に関している。これに加え、斯かる特定構造、システム、物品、材料、キット、及び／または、方法が相互に矛盾しなければ、斯かる特定構造、システム、物品、材料、キット、及び／または、方法の２つ以上の任意の組合せは、本開示内容の発明有効範囲内に含まれる。
【０１１５】
本発明の上述された各実施例は、多くの様式の内の任意の様式で実現され得る。例えば、幾つかの実施例は、ハードウェア、ソフトウェア、及び、それらの組み合わせを用いて実現され得る。実施例の何らかの見地が、少なくとも部分的にソフトウェアにて実現されるとき、そのソフトウェア・コードは、単一のコンピュータに配備されるか、複数のコンピュータに分散して配備されるかに関わらず、任意の適切な一つのプロセッサ、または、複数のプロセッサの集合上で実行され得る。
【０１１６】
この点に関し、本発明の種々の見地は少なくとも部分的に、一つ以上のコンピュータまたは他のプロセッサ上で実行されたときに上述の技術の種々の実施例を実現する方法を実施する一つ以上のプログラムがコード化された(例えば、コンピュータ・メモリ、一枚以上のフロッピー（登録商標）・ディスク、コンパクト・ディスク、光ディスク、磁気テープ、フラッシュ・メモリ、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイもしくは他の半導体デバイスにおける回路構成、または、他の有形のコンピュータ記憶媒体または持続的媒体などの)一つのコンピュータ可読記憶媒体(または、複数のコンピュータ可読記憶媒体)にて具現され得る。単一もしくは複数のコンピュータ可読媒体は、其処に記憶された単一もしくは複数のプログラムが、一台以上の異なるコンピュータまたは他のプロセッサにロードされて、上記で論じられた如き本技術の種々の見地を実現し得る如く、可搬的であり得る。
【０１１７】
本明細書において、“プログラム”または“ソフトウェア”という語句は、コンピュータまたは他のプロセッサをプログラムして、上記で論じられた如き本技術の種々の見地を実現すべく採用され得る任意の形式のコンピュータ・コードまたは一群のコンピュータ実行可能命令を指すべく汎用的な意味で使用される。付加的に、この実施例の一つの見地に依れば、実行されたときに本技術の方法を実施する一つ以上のコンピュータ・プログラムは、単一のコンピュータもしくはプロセッサ上に常駐する必要はなく、多数の異なるコンピュータまたはプロセッサにわたりモジュール様式で分散されることで本技術の種々の見地を実現し得ることを理解すべきである。
【０１１８】
コンピュータ実行可能命令は、一台以上のコンピュータまたは他のデバイスにより実行されるプログラム・モジュールの如き、多くの形態であり得る。概略的に、プログラム・モジュールは、特定のタスクを実施しもしくは特定の抽象データ形式を実現する複数のルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構造などを含んでいる。典型的に、プログラム・モジュールの機能性は、種々の実施例において所望された如く組み合わされまたは分散され得る。
【０１１９】
同様に、本明細書中に記述された技術は、当該方法の少なくとも一つの実例が提供されたという方法として具現され得る。該方法の一部として実施される作用段階は、任意の適切な様式で順序付けされ得る。従って、例示されたのとは異なる順序であって、例示的実施例においては順次的な作用段階として示されたとしても、幾つかの作用段階を同時に実施する段階を含み得るという順序にて各作用段階が実施される、という実施例が構成され得る。
【０１２０】
本明細書において定義され且つ使用された全ての定義は、辞書の定義、言及したことにより援用された文献における定義、及び／または、定義された語句の通常の意味に優先して支配を行うと理解されるべきである。
【０１２１】
明細書及び請求項において此処で用いられる“一つの(a)”及び“一つの(an)”という不定冠詞は、別様に明確に示されるのでなければ、“少なくとも一つの”を意味すると理解されるべきである。本明細書において引用される全ての範囲は、包含的である。
【０１２２】
本明細書の至る所で使用される“実質的に”及び“約”という語句は、僅かな変動を記述し且つ考慮すべく使用される。例えば、それらは、±0.05％以下の如く、±0.1％以下の如く、±0.2％以下の如く、±0.5％以下の如く、±1％以下の如く、±2％以下の如く、±5％以下を指し得る。
【０１２３】
明細書及び請求項において此処で用いられる“及び／または”という表現は、その様に結合された要素、すなわち、幾つかの場合には接続的に存在し且つ他の場合には分離的に存在する要素の“いずれか、または、両方”を意味すると理解されるべきである。“及び／または”により列挙された複数の要素は、同様の様式で、すなわち、その様に結合された要素の“一つ以上”と解釈されるべきである。“及び／または”という文節により特に識別される要素以外に、特に識別される該要素と関連するか関連しないかに関わらず、他の要素が選択的に存在し得る。故に、非限定的な例として、“備える”の如き非制限的な表現と併せて使用されたとき、“A及び／またはB”という参照は、一実施例においては(選択的にB以外の要素を含み乍ら)Aのみを参照し；他の実施例においては(選択的にA以外の要素を含み乍ら)Bのみを参照し；更に別の実施例においては、(選択的に他の要素を含み乍ら)A及びBの両方を参照し得る。
【０１２４】
明細書及び請求項において此処で用いられる“または”とは、上記に定義された如く“及び／または”と同一の意味を有すると解釈されるべきである。例えば、リストにおいて各項目を分離するとき、“または”または“及び／または”は、包含的であるとして、すなわち、所定数のまたは列挙された各要素の内の少なくとも一つを包含するだけでなく、一つより多い要素、及び、選択的には列挙されていない項目も含むものとして解釈されるものとする。但し、逆に、“唯一の”または、“厳密に一つの”、または、請求項においては“から成る”の如く、明確に表された語句は、所定数のまたは列挙された各要素の内の厳密に一つの要素を指している。概略的に、本明細書中で用いられる“または”という語句は、“いずれかの”、“の内の一つ”、“の内の一つのみ”、または、“の内の厳密に一つ”の如き排他的な語句により先行されたとき、排他的な択一物(すなわち、“一方もしくは他方、但し、両方ではない)を表すのみと解釈されるものとする。各請求項において使用されたとき、“から本質的に成る”とは、特許法の分野において使用される如きその通常の意味を有するものする。
【０１２５】
明細書及び請求項において此処で用いられる如く、一つ以上の要素の列挙を参照する“少なくとも一つの”という表現は、各要素のリスト中の任意の一つ以上の要素から選択された少なくとも一つの要素を意味するが、必ずしも、各要素のリストにおいて特に列挙された各々の全ての要素の内の少なくとも一つを含むのではなく、且つ、各要素のリストにおける各要素の任意の組み合わせを排除しないことを意味すると解釈されるべきである。この定義はまた、“少なくとも一つの”という表現が参照する各要素のリスト内に関連するか関連しないかに関わらず、特に識別された該要素以外の要素が選択的に存在し得ることも許容する。故に、非限定的な例として、“A及びBの少なくとも一方”(または、等価的に“AまたはBの少なくとも一方”、または、等価的に“A及び／またはBの少なくとも一方”)とは、一実施例においては、Bの存在無しで(且つ、選択的に、B以外の要素を含み乍ら)少なくとも一つの、選択的には一つより多いAを；別実施例においては、Aの存在無しで(且つ、選択的に、A以外の要素を含み乍ら)少なくとも一つの、選択的には一つより多いBを；更なる別実施例においては、少なくとも一つの、選択的には一つより多いA、及び、少なくとも一つの、選択的には一つより多いB(及び、選択的には他の要素を含む)などを指し得る。
【０１２６】
各請求項において、ならびに、上記の明細書において、“備える”、“含む”、“帯びる”、“有する”、“含有する”、“包含する”、“保持する”、“で構成される”などの如き全ての移行部分的な表現は、非制限的であること、すなわち、包含するが制限されないことを意味すると理解されるものとする。但し、合衆国特許審査便覧第2111.03項に示された如く、“から成る”及び“から本質的に成る”という移行部分的な表現は、制限的または半制限的な移行部分的表現とされるものとする。
【０１２７】
各請求項は、その趣旨で述べられるのでなければ、記述された順序または要素に限られるものとして読解されるべきでない。添付の各請求項の精神及び有効範囲から逸脱せずに、当業者によれば形態及び詳細の種々の変更が為され得ることを理解すべきである。以下の各請求項及びその均等物の精神及び有効範囲に収まる全ての実施例が権利請求される。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図３ｄ】
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【図４】
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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１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９ａ】
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【図１９ｂ】
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【図１９ｃ】
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【図１９ｄ】
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【図２０（ａ）】
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【図２０（ｂ）】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１（ａ）】
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【図３１（ｂ）】
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【図３１（ｃ）】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図１２】
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【図２５】
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【国際調査報告】
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