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工学において、境界層制御とは、流体の流れの 境界層の挙動を制御する方法を指します。
高速車両では、流れの分離を減らして後流のサイズを小さくし（流線型化）、抗力を減らすことが望ましい場合があります。境界層の分離は、航空機の高揚力係数システムやジェット エンジンの吸気口では一般的に望ましくありません。
層流では乱流よりも表面摩擦が少なくなりますが、乱流境界層の方が熱伝達が良くなります。乱流境界層は剥離に対してより耐性があります。
境界層を表面に付着させておくには、境界層のエネルギーを増大させる必要がある場合があります。新鮮な空気はスロットから導入するか、上から混ぜることができます。表面の低運動量層は、穴あき表面から吸い取ったり、高圧ダクト内にある場合は排出したりできます。ダイバータまたは内部ブリードダクトによって完全にすくい取ることができます。高速の空気を導入することで、自由流のエネルギーよりも高いエネルギーを増大させることができます。
自然
イギリスの動物学者ジェームズ・グレイ卿は、イルカは剥離の可能性を減らし抗力を最小化するために乱流境界層を持っているようだが、皮膚摩擦を減らすために層流境界層を維持するメカニズムはイルカでは実証されていないと述べた。これはグレイのパラドックスとして知られるようになった。[1] [2]
鳥の翼にはアルーラと呼ばれる前縁部があり、航空機の翼の前縁スラットと同様に低速時の翼の失速を遅らせます。[3]
コウモリや昆虫に見られる薄い膜状の羽は、関係するレイノルズ数で好ましい粗面化を引き起こす特徴があり、それによってこれらの生物は他の場合よりも優れた飛行が可能になると考えられる。[4]
スポーツ
ボールには、表面をざらざらにして、打ったり投げたりする距離を伸ばす機能を持たせることができます。ざらざらにすると、境界層が乱流になり、通常よりも小さな後流で離れるまで、さらに後ろの方に付着したままになります。ボールは、さまざまな方法で打たれてスピンが与えられ、曲がった軌道を描くことがあります。スピンによって境界層の分離が片側に偏り、横方向の力が生じます。
BL制御（粗面化）は19世紀にゴルフボールに適用されました。クリケットボールや野球ボールのステッチは境界層制御構造として機能します。[5]
シリンダー上
自由流が円筒を通過する場合、逆圧力勾配によって生じる境界層の剥離を制御するために 3 つの方法を採用できます。 [6] 円筒を回転させると、自由流と同じ方向に移動する側に形成される境界層を縮小または除去できます。流れに逆らって移動する側でも、境界層の剥離は部分的にしか発生しません。剥離点付近の円筒のスリットから吸引力を加えると、境界層で減速した流体粒子が除去され、剥離の開始を遅らせることができます。あるいは、フェアリングされたスリットから流体を吹き出すことで減速した流体を加速し、剥離点を遅らせることができます。
航空機上の層流境界層の維持
層流翼型は、乱流にならないように好ましい圧力勾配を維持するように形作られ、1930年代に開発された。風洞試験で低抗力の結果を得たため、P-51やB-24などの航空機に使用されるようになったが、層流を維持するには、通常運用されているよりも表面粗さと波状性が低いことが必要だった。[7] Krag [8]は、ベルリンの高速DVL風洞で行われたP-51翼型の試験で、実際の飛行レイノルズ数では層流効果が完全に消失したと述べている。高レイノルズ数の用途で層流を実装するには、通常、非常に滑らかで波のない表面が必要であり、これを製造して維持することは難しい場合がある。[7]
翼の圧力分布を制御することで層流を維持することを 自然層流（NLF）[7]と呼び、グライダーの設計者によって大きな成功を収めてきました。[9]
後退翼では、横流により圧力勾配が不安定になり、横流を制御するために吸引力が必要となる。[10]翼型形状の効果を境界層吸引力で補うことは、層流制御（LFC）として知られている[7]。
層流制御に必要な特定の制御方法は、レイノルズ数と翼前縁後退角によって異なります。[11]ハイブリッド層流制御 (HLFC) [7] は、後退翼技術を指し、後退翼の前縁領域にのみ LFC が適用され、その後方に NLF が適用されます。[12] NASA が後援する活動には、エンジンナセルの NLF と、翼上面と尾翼の水平面および垂直面の HLFC があります。[13]
航空機設計
航空工学では、境界層制御は寄生抗力を減らし、使用可能な迎え角を増やすために使用されることがあります。胴体に取り付けられたエンジン吸気口には、スプリッタープレートが装備されている場合があります。
1920 年代から 1930 年代にかけて、ゲッティンゲンの航空力学研究所で、翼の吸引による揚力性能の向上を研究する多くの研究が行われました。[要出典]
アクティブ境界層制御を備えた航空機の例としては、日本の水上機 「新明和US-1」がある。[14]この大型の4発機は、対潜戦（ASW）と捜索救助（SAR）に使用された。STOL運航と非常に低い飛行速度が可能だった。SARの役割での後継機である新明和US-2は、同様のシステムを使用して50ノットで飛行する能力を備えている。[15] この機能は、ボーイングの787-9ドリームライナー航空機にも使用されている。
参照
ウィキメディア・コモンズには、境界層制御装置に関連するメディアがあります。
参考文献
- ^ フィッシュ、フランク E. (2006 年 7 月)。「グレイのパラドックスの神話と現実: イルカの抵抗低減がテクノロジーに与える影響」バイオインスピレーション & バイオミメティクス。
{{cite journal}}: CS1 メンテナンス: 年 (リンク) - ^ 引用 Frank E. Fish; A PORPOISE FOR POWER. J Exp Biol 2005年3月15日; 208 (6): 977–978. doi :10.1242/jeb.01513
- ^ “ARDEOLA: SEO/BirdLife の公式改訂版” (PDF)。
- ^ 「飛行機の設計」スティントン・ダロール、BSPプロフェッショナルブックス、オックスフォード、1989年、ISBN 0-632-01877-1、p.97
- ^ 「回転飛行」 ローレンツ・ラルフ・D. シュプリンガー・サイエンス+ビジネス・メディア、LLC 2006、ISBN 0-387-30779-6、p.33
- ^ 『境界層理論』Schlichting Klaus、Gersten、E. Krause、H. Jr. Oertel、C. Mayes 第 8 版 Springer 2004 ISBN 3-540-66270-7
- ^ abcde 「実際の物理学から論じる空気力学の理解」マクリーン・ダグ、ジョン・ワイリー・アンド・サンズ社、チチェスター、ISBN 978-1-119-96751-4、p.339
- ^ “ABL”. 2016年3月4日時点のオリジナルよりアーカイブ。2016年1月13日閲覧。
- ^ 「アーカイブコピー」（PDF） 。 2012年9月16日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。 2016年1月13日閲覧。
{{cite web}}: CS1 maint: アーカイブされたコピーをタイトルとして (リンク) - ^ Bushnell, DM; Tuttle, MH (1979 年 9 月)。「圧力勾配と吸引を利用した空気中の層流制御の達成に関する調査と参考文献、第 1 巻」( PDF)。NASA Sti/Recon 技術レポート N. 79 : 33438。Bibcode :1979STIN...7933438B。
- ^ http://goldfinger.utias.utoronto.ca/IWACC2/IWACC2/Program_files/Collier_2.pdf スライド 12
- ^ 「HondaJet Elite: 航空機の層流境界層」。FBOネットワーク、地上支援、旅行計画、プレミアムジェット燃料。 2023年3月7日閲覧。
- ^ http://goldfinger.utias.utoronto.ca/IWACC2/IWACC2/Program_files/Collier_2.pdf スライド 5
- ^ 新明和プロモーションビデオ、1980年頃
- ^ 新明和工業のウェブサイトの説明とデータ、2020年12月12日閲覧