【手続補正書】
【提出日】平成20年4月16日(2008.4.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】        明細書
【発明の名称】    壁面摩擦抵抗低減法及び壁面摩擦抵抗低減装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】  コルモゴロフスケールηの７〜１５倍の直径で、変動速度のｒｍｓ値の０．４〜１．０倍の最大周方向速度を普遍的に有する微細渦が、壁面に沿って流れる流体の境界層内に形成される流れ場において、
前記微細渦の時間スケールに対する時間スケール比が所定の範囲内にある物体を前記流体内に添加する、又は、前記時間スケール比が所定の範囲内にある物体を前記壁面に設けることにより、壁面の摩擦抵抗を低減させる壁面摩擦抵抗低減法。
【請求項２】  前記時間スケール比が、前記微細渦の時間スケールの最頻値に対する前記物体の時間スケールの最頻値の比である請求項１に記載の壁面摩擦抵抗低減法。
【請求項３】  前記時間スケール比の前記所定の範囲が０．０１〜３．０の範囲である請求項１又は２に記載の壁面摩擦抵抗低減法。
【請求項４】  前記時間スケール比の前記所定の範囲が０．１〜０．３の範囲である請求項１又は２に記載の壁面摩擦抵抗低減法。
【請求項５】  前記壁面が、前記流体に接触して移動する移動体の壁面であり、
前記移動体の壁面に沿って形成される乱流境界層内に、前記物体を添加する、又は、前記物体を前記移動体の壁面に設ける請求項１から４の何れか１項に記載の壁面摩擦抵抗低減法。
【請求項６】  前記流体が、壁面としての管の壁面に副って流れる流体であり、
前記管の壁面に沿って形成される乱流境界層内に、前記物体としての固体、液体、気体粒子や抵抗低減剤を添加する、又は、前記物体を前記管の壁面に設ける請求項１から４の何れか１項に記載の壁面摩擦抵抗低減法。
【請求項７】  互いに相対移動する少なくとも２以上の相対移動部材を備えると共に、前記相対移動部材間に前記流体を収納してなる流体機器において、前記相対移動部材の壁面と前記流体との間に発生する摩擦抵抗を低減させる壁面摩擦抵抗低減法であって、
前記相対移動部材の壁面に沿って形成される乱流境界層に、前記物体としての抵抗低減剤を添加する、あるいは、前記物体を前記相対移動部材の壁面に設ける請求項１から４の何れか１項に記載の壁面摩擦抵抗低減法。
【請求項８】  コルモゴロフスケールηの７〜１５倍の直径で、変動速度のｒｍｓ値の０．４〜１．０倍の最大周方向速度を普遍的に有する微細渦が、壁面に沿って流れる流体の境界層内に形成される流れ場を対象として、前記流れ場内に物体を添加して前記壁面の摩擦抵抗を低減させる壁面摩擦抵抗低減装置であって、
前記微細渦の時間スケールに対する時間スケール比が、０．１〜０．３の範囲内にある物体を、前記流れ場に添加する添加手段を備えた壁面摩擦抵抗低減装置。
【請求項９】  コルモゴロフスケールηの７〜１５倍の直径で、変動速度のｒｍｓ値の０．４〜１．０倍の最大周方向速度を普遍的に有する微細渦が、壁面に沿って流れる流体の境界層内に形成される流れ場において、前記壁面を備えた流体機器であって、
前記微細渦の時間スケールに対する時間スケール比が、０．１〜０．３の範囲内にある物体を前記壁面に備えた流体機器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体が壁面に沿って流れる流れ場を対象とし、その壁面の摩擦抵抗を低減する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、壁面の摩擦抵抗を低減する技術としては、例えば、管路内を流れる水に摩擦低減剤（例えば、塩化オレイルビスヒドロキシエチルメチルアンモニウムとサリチル酸ナトリウムの混合物）を添加する技術が知られている。
このような物質の添加による摩擦低減効果を検証する場合は、従来、実際に検討対象となる流れ場を作り、そこで壁面の影響により発生する摩擦抵抗を計測し、その効果を検証し、好適な摩擦低減剤を選択・採用するようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、壁面の摩擦抵抗を低下させようとする場合は、実験的な検証により好適な摩擦低減剤等を見出していたのであるが、実際問題として、実験できる数には限界があると共に、スケールアップ等の場合に、実験結果を、どの程度まで適応できるかどうかに関しては、未解決な問題がある。
さて、壁面による摩擦抵抗は、主に、壁面に沿って形成される壁面境界層（通常は乱流境界層）の状態によって決まる。
このような壁面境界層内には、流れのレイノルズ数にあまり依存しないコルモゴロフスケールηの７〜１５倍の直径で、変動速度のｒｍｓ値（ルートミーンスクエアー値）の０．４〜１．０倍の最大周方向速度を普遍的に有する微細渦が発生することが、現今、発明者らによって確認されている（参考文献：「チャンネル乱流のコヒーレント微細構造」（日本機械学会論文集、６５巻６３８号  ｐ．３２４４−３２５１，１９９９），「壁面せん断乱流中の微細構造のスケーリング」（日本流体力学会誌・ながれ、１８巻４号  ｐ．２５６−２６１，１９９９））。
しかしながら、この微細渦の挙動がどのように壁面の摩擦抵抗と関連し、さらに、この摩擦低減剤を流れ場内に添加して摩擦抵抗を好適に低減するには、どのような特性の摩擦低減剤を選択すれば良いのかは、知られていなかった。
【０００４】
本発明の目的は、壁面による摩擦抵抗を合理的な基準に基づいて低減するための技術を得ることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するための本発明による壁面摩擦抵抗低減法の特徴手段は、請求項１に記載されている様に、コルモゴロフスケールηの７〜１５倍の直径で、変動速度のｒｍｓ値の０．４〜１．０倍の最大周方向速度を普遍的に有する微細渦が、壁面に沿って流れる流体の境界層内に形成される流れ場において、
前記微細渦の時間スケールに対する時間スケール比が所定の範囲内にある物体を前記流体内に添加する、又は、前記時間スケール比が所定の範囲内にある物体を前記壁面に設けることにより、壁面の摩擦抵抗を低減させることにある。
さらに、このような手法を採用する場合に、請求項２に記載されているように、前記時間スケール比が、前記微細渦の時間スケールの最頻値に対する前記物体の時間スケールの最頻値の比であることが好ましい。
先に説明したように、流体が壁面を副って流れる流れ場において、壁面に沿って形成される境界層内には、コルモゴロフスケールηの７〜１５倍の直径で、変動速度のｒｍｓ値の０．４〜１．０倍の最大周方向速度を普遍的に有する微細渦が形成されている。このような微細渦の時間スケールに対して、流れ場内に物体が存在する場合、あるいは、壁面に所定の物体が配設されている場合、これらの物体の時間スケールが、微細渦の時間スケールに対して所定の範囲内にある関係の場合に、これらの物体が、微細渦にうまくまとわりついて、微細渦の状態に大きな影響を与え、結果的に、摩擦低減を起こせることを発明者らは今般見出し、本発明を完成した。
即ち、本願にあっては、壁面の近傍に発生する境界層内に普遍的に存する微細渦の時間スケールとの関係で、流体に添加すべき物体の大きさ、密度等を決定するものとする。同様な概念から、壁面に物体を設置する場合に、この条件を満たすものとして、摩擦抵抗を低下させる。具体的には、実施の形態の欄の例で摩擦低減効果について説明する。
従って、壁面摩擦低減を図る場合、微細渦の時間スケールを基準に、これと一定の関係にある時間スケールを有する物体を流体内に添加したり、壁面に設けることで、大きな摩擦低減効果を得ることができる。
【０００６】
尚、本願にいう微細渦の時間スケールの最頻値は、（最頻微細渦直径）／（最頻微細渦周方向速度）であり、物体の時間スケールの最頻値は、（（物体の密度）×（最頻物体直径）2）／（（水の密度）×１８×（水の動粘性係数））であり、時間スケール比は、（物体の時間スケール）／（微細渦の時間スケール）である。
また、上記最頻微細渦直径はコルモゴロフスケールηの１０倍程度、上記最頻微細渦周方向速度は変動速度のｒｍｓ値の０．５倍程度である。さらに、上記最頻物体直径とは、最も多く添加される物体の直径を示し、物体の直径の期待値又は平均値等である。
【０００７】
さて、このような手法を採用する場合に、請求項３に記載されているように、前記時間スケール比の前記所定の範囲が０．０１〜３．０の範囲であることが好ましく、さらに、請求項４に記載されているように、前記時間スケール比の前記所定の範囲が０．１〜０．３の範囲であることがより好ましい。
【０００８】
即ち、図１のグラフ図に示すように、微細渦に対して影響を与え摩擦低減効果を発揮するのに適当である物体の微細渦に対する時間スケール比は、その微細渦の壁面からの距離によって変化し、具体的には、その時間スケール比は、前記壁面から例えば最頻微細渦直径（摩擦抵抗と動粘性係数で無次元化した距離ベースで１０程度）程度を超えて離間した場所に形成される微細渦に対しては０．２２程度とほぼ一定であるが、それよりも壁面に近い場所に形成される微細渦に対しては壁面に近づくほど急激に上昇し、壁面から最頻微細渦の直径程度離間した場所に形成される微細渦に対しては０．３程度であることを本発明者らは今般見出した。
【０００９】
よって、上記摩擦低減効果を発揮するための適当な前記時間スケール比の範囲の上限値を、最頻微細渦の大きさを考慮すると、その直径程度壁面から離間した場所の微細渦を対象とすればよいので、０．３とし、時間スケール比の小さい方が物体の微細渦への追従性（纏わりつき）がよいため前記時間スケールの下限値を０．１として、流体に添加すべき物体の大きさや密度等を決定することで、その物体は壁面の摩擦抵抗の原因となる多くの微細渦に対して影響を与えるので、高い摩擦低減効果を発揮することができる。
【００１０】
次に、図２に水に摩擦低減剤（塩化オレイルビスヒドロキシエチルメチルアンモニウムとサリチル酸ナトリウムの混合物）を濃度をかえて混入し、様々な管径、流速で摩擦低減効果の有無を測定した結果を示す。ここで、上限（実線）、下限（破線）と示してある線は、各濃度で摩擦低減効果が発現する上限下限を意味しており、この範囲外では摩擦低減効果が見られない。図２より摩擦低減効果発現範囲は、およそ一桁（１０倍）程度の幅を持っていることが分かる。そこで、図１のグラフ図より得られた時間スケール比の好適範囲に対して、上限を１０倍下限を０．１倍した範囲においても、摩擦低減効果は発現し得ると考えられる。
【００１１】
上述した手法を適応できる例としては、請求項５に記載されている様に、前記壁面が、前記流体に接触して移動する移動体の壁面であり、
前記移動体の壁面に沿って形成される乱流境界層内に、前記物体を添加する、又は、前記物体を前記移動体の壁面に設けることが好ましい。
このような例は、船舶、潜水艦等が海面、海中等を移動する場合に、船体の外周壁に沿って気泡等を放散して摩擦抵抗を低減する場合、外周壁に突起物を設けたり、柔毛等を植毛して摩擦抵抗を低減する場合に、良好に適応することができる。
また、空気中を移動する自動車、新幹線、リニアモーターカー、航空機の外周壁に沿って、液体または固体粒子等を散乱させたり、このような物体を外周壁に設ける場合にも、本願構造を好適に採用できる。
このような場合も、微細渦の時間スケールを分母とし物体の時間スケールを分子とした時間スケール比を本願に即し設定することで、摩擦低減効果を得ることができる。
【００１２】
また、請求項６に記載されているように、前記流体が、壁面としての管の壁面に副って流れる流体であり、
前記管の壁面に沿って形成される乱流境界層内に、前記物体としての固体、液体、気体粒子や抵抗低減剤を添加する、又は、前記物体を前記管の壁面に設ける場合も、好適に適応できる。
このような例は、流体輸送配管、あるいは、熱搬送用の熱媒体配管に適応する場合の例であり、このような場合も時間スケールの関係を適切に設定することで、摩擦抵抗の低減効果を得られる。
【００１３】
また、請求項７に記載されているように、互いに相対移動する少なくとも２以上の相対移動部材を備えると共に、前記相対移動部材間に前記流体を収納してなる流体機器において、前記相対移動部材の壁面と前記流体との間に発生する摩擦抵抗を低減させる壁面摩擦抵抗低減法であって、
前記相対移動部材の壁面に沿って形成される乱流境界層に、前記物体としての抵抗低減剤を添加する、あるいは、前記物体を前記相対移動部材の壁面に設けることも好ましい例である。
例えば、高速軸受けにあっては、軸受け内に収納される潤滑油と軸受け部材との間における摩擦抵抗が問題となるが、この潤滑油内に本件の要件を満たす摩擦低減剤を封入したり、軸受け部材の所定壁面部位に本願の要件を満たす物体を設けることで、摩擦抵抗を低減することができる。
【００１４】
以上が、微細渦と添加物もしくは設置物等の物体との間にあって、物体の時間スケールを適切に設定して、摩擦抵抗を低減する方法であるが、このような壁面摩擦抵抗低減法を使用する壁面摩擦抵抗低減装置は、以下のような構造を獲ることとなる。
即ち、請求項８に記載されているように、コルモゴロフスケールηの７〜１５倍の直径で、変動速度のｒｍｓ値の０．４〜１．０倍の最大周方向速度を普遍的に有する微細渦が、壁面に沿って流れる流体の境界層内に形成される流れ場を対象として、前記流れ場内に物体を添加して前記壁面の摩擦抵抗を低減させる壁面摩擦抵抗低減装置であって、前記微細渦の時間スケールに対する時間スケール比が、０．１〜０．３の範囲内にある物体を、前記流れ場に添加する添加手段を備える。
先に示したように、微細渦と添加される物体の時間スケール比が０．１〜０．３の範囲内にあると、壁面での摩擦抵抗を低下できるため、この条件を満たす物体を添加手段により流体中に添加することで、摩擦抵抗の低下を達成できる。
【００１５】
さて、流体機器にあっては、流体が接する壁面との間で、摩擦抵抗が問題となるが、先にも示したように、壁面に本願の条件を満たす物体を設置することでも、壁面による摩擦抵抗が低減された流体機器を得ることができる。
即ち、請求項９に示すように、コルモゴロフスケールηの７〜１５倍の直径で、変動速度のｒｍｓ値の０．４〜１．０倍の最大周方向速度を普遍的に有する微細渦が、壁面に沿って流れる流体の境界層内に形成される流れ場において、前記壁面を備えた流体機器であって、前記微細渦の時間スケールに対する時間スケール比が、０．１〜０．３の範囲内にある物体を前記壁面に備えるのである。
この場合も、流体中の境界層内に形成される微細渦と壁面に設置される物体の時間スケール比が、本願所定の範囲を満足することにより、流体と壁面との間で摩擦抵抗が低減した流体機器が得られる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、本願の実施の形態例を示すと共に、本願にいう時間スケール比を変化させた場合に、壁面の摩擦抵抗がどのように変化するかについて説明する。
【００１７】
１  艦船の舷側に気泡を放散させる場合の例
この例は、艦船の舷側に気泡発生装置を装備し、この気泡発生装置から所定の直径の気泡を放散するものである。即ち、この気泡発生装置は前述の壁面摩擦低減装置の添加手段として働くが、この例の場合、その気泡の直径が変更できるように装置が構成される。ここで、気泡の直径を変化させることは、結果的に、水と気泡との時間スケール比を調節することとなる。
さらに具体的に説明する。
（イ）  時速３６ｋｍ／ｈで水上を走行する艦船にあって、水中に気泡を放散する場合は、境界層内の流れの流速分布を１／７乗則に従うと見なし、舷側に沿って流れる水の境界層内に形成される微細渦の時間スケールは（最頻微細渦直径）／（最頻微細渦周方向速度）であり、気泡の時間スケールは（（気泡の密度）×（気泡の直径）2）／（（水の密度）×１８×（水の動粘性係数））であり、時間スケール比は（気泡の時間スケール）／（微細渦の時間スケール）である。
この場合、摩擦抵抗の低減効果は以下の表１に示すように、時間スケール比の変更で変化する。尚、壁面から離間した微細渦を対象とした場合において、摩擦低減効果が期待できる時間スケール比は０．２２程度であるので、表１のような摩擦低減効果となるが、壁面に近接した微細渦を対象とした場合には、前述のごとく、摩擦低減効果が期待できる時間スケール比はその値よりも増加する。
【００１８】
【表１】
2002098109.tif 000001
【００１９】
従って、時間スケール比の変化により、摩擦低減効果に変化が起こる。最良の摩擦低減効果が期待できる時間スケール比を０．１とする場合、気泡の直径としては、４．６×１０-4〜１．１×１０-3ｍとすることが好ましく、摩擦低減効果が最も高い。
【００２０】
（ロ）  一方、艦船の速度が秒速８ｍ／ｓの場合は、上記と同様の仮定の下では、同様の傾向が得られ、気泡の直径が、３．５×１０-4〜８．１×１０-4ｍのとき、摩擦低減効果が最も高い。
従って、時間スケール比を適切に設定することで、好ましい摩擦低減状態が実現する。
【００２１】
２  空気中を走行する車両の外壁面に水滴を散布する例
時速２００ｋｍ／ｈで空気中を走行する車両にあって、水滴散布装置（添加手段の一例）により、この車両の周りに水滴を散布して、摩擦低減を図る場合は、境界層内における流速分布が１／７乗則に従うと見なし、車輌の外壁面に沿って流れる空気の境界層内に形成される微細渦の時間スケールは（最頻微細渦直径）／（最頻微細渦周方向速度）であり、水滴の時間スケールは（（水滴の密度）×（水滴の直径）2）／（（空気の密度）×１８×（空気の動粘性係数））であり、時間スケール比は（水滴の時間スケール）／（微細渦の時間スケール）である。この場合、摩擦抵抗の低減効果は以下の表２に示すようになる。尚、壁面から離間した微細渦を対象とした場合において、摩擦低減効果が期待できる時間スケール比は０．２２程度であるので、表２のような摩擦低減効果となるが、壁面に近接した微細渦を対象とした場合には、前述のごとく、摩擦低減効果が期待できる時間スケール比はその値よりも増加する。
【００２２】
【表２】
2002098109.tif 000002
【００２３】
従って、時間スケール比の変化により、摩擦低減効果に変化が起こり、最良の摩擦低減効果が期待できる時間スケール比を０．１とする場合、水滴の直径が、１．１×１０-6〜２．６×１０-6ｍとなる場合が、摩擦低減効果を最も得られる。
【００２４】
〔別実施例〕
（イ）  上記の実施の形態にあっては、水中もしくは空気中等を走行する移動体にあって、移動体の周囲の流体内に物体を摩擦抵抗低減のために添加するものとしたが、このような物体を壁面上に設けても良い。
（ロ）  更に、送油管、温水配管、空調配管等の内部を、所定の流体が流れる場合にあっても、本願の技術は適応できる。
（ハ）  また、軸受け等の内部に形成される流れに対しても適応可能である。
（ニ）  上記実施の形態にあっては、微細渦が形成される流れ場に物体を添加して流体の壁面に対する摩擦低減効果を得るものであったが、別に、２つの流れ場間の微細渦が発生する境界層に、微細渦の時間スケールと所定の関係にある時間スケールを有する物体を添加して、２流体間の摩擦を低減させることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
微細渦の壁面からの距離と、摩擦低減効果を発揮する物体の微細渦に対する時間スケール比との関係を示すグラフ図
【図２】
摩擦低減剤の濃度、管径、流速の違いによる摩擦低減効果の有無を示すグラフ図