結核効果

結節効果とは、翼の前縁にある結節または大きな「突起」が空気力学を改善できる現象である。この効果はすでに発見されていたが、2000年初頭以降にFrank E. Fishらによって広範囲に分析された。^{[1] [2] [疑わしい–議論] [要出典]}結節効果は、翼上の流れをより狭い流れに導き、より高い速度を生み出すことによって機能する。これらの流れのもう1つの副作用は、翼端上を移動する流れが減少し、翼端渦による寄生抗力が減少することです。計算モデルを使用して、結節の存在により失速までの迎え角が遅れ、それによって最大揚力が増加し、抗力が減少することが判明しました。^{[1] Fishは、}ザトウクジラのひれを観察しているときに最初にこの効果を発見しました^{[2] [要出典]}。これらのクジラは、結節効果を利用する唯一の生物として知られています。この効果により、水中での動きがはるかに容易になり、獲物を捕らえやすくなると考えられています。ヒレの結節により、獲物を捕らえるために水中での動きが可能になります。^[1]

フクロウの翼の前縁にある小さな鉤爪も同様の効果があり、空気力学的操縦性とステルス性に貢献しています。 ^{[3] [4]}

結節効果とは、翼、ブレード、または帆の前縁にある結節、つまり大きく隆起した突起が、空気力学的または流体力学的性能を向上させる現象です。このテーマの研究は、海洋生物学者のザトウクジラの行動に関する研究からヒントを得ました。これらのクジラは体が大きいにもかかわらず、機敏で、水中でロールやループを実行できます。^[5]ザトウクジラの研究では、クジラのひれの前縁にあるこれらの結節の存在により、失速が減少し、揚力が増加し、失速後の状態での騒音が減少することが示されました。^[5]これらの肯定的な結果に刺激されて、研究者たちはこれらの概念を航空機の翼だけでなく産業用タービンや風力タービンにも適用しました。

^{このテーマに関する初期の研究は、Watts & Fish [5]}によって行われ、その後、水洞と風洞の両方でさらなる実験が行われました。Watts & Fish は、翼の前縁に突起があると揚力が 4.8% 増加することを突き止めました。さらに数値計算を行ったところ、この結果が確認され、突起があると抗力の影響が 40% 減少することが示されました。^[5]前縁の突起は、最大揚力点を下げ、失速後の揚力領域を増やすことが分かっています。^[6]失速後領域では、突起のある翼は徐々に揚力を失いましたが、突起のない翼では突然揚力を失いました。^[7]突起のない翼と突起のある翼を比較した例を示します。

突起の振幅と波長は流れの制御に影響を与えるため、突起の形状も考慮する必要があります。突起は、突起の上端に渦を作るため、頂点が湾曲した小さなデルタ翼と考えることができます。これらの渦構造により、突起の頂上で気流が下向きに偏向します (ダウンウォッシュ)。この下向きの偏向により、翼の失速が遅れます。逆に、これらの構造の谷間では、気流が正味で上向きに偏向します (アップウォッシュ)。局所的なアップウォッシュは迎え角が高くなることに関連しており、谷間で流れの剥離が発生し、そこにとどまるため、揚力の増加につながります。^[7]突起によって生成された渦は、翼の後縁に向かう流れの剥離を遅らせ、抗力の影響を減らします。しかし、水中では、山/谷構造のためキャビテーションが発生する可能性があり、これは望ましくありません。キャビテーションは、結節構造の谷間など、流速が高く圧力が低い場所で発生します。水中では、結節の上部に気泡またはポケットが形成されます。これらの気泡は揚力を減らして抗力を増加させ、気泡が崩壊するときに流れの騒音を増加させます。^[7]ただし、結節を変更してキャビテーションの位置を操作することができます。^[7]

失速後の性能には、突起の振幅の影響が波長よりも大きい。^[5]突起の振幅が大きいほど、失速が緩やかになり、失速後の揚力が高くなり、失速前の揚力勾配が低くなる。^[5]波長と振幅の両方を最適化することで、失速後の性能を向上させることができる。^[5]

先端突起の影響に関する実験は主に剛体に焦点を当てており、突起効果の知識を産業、航空機、エネルギーの用途に応用するためにはさらなる研究が必要である。^[5]

結節は多くの生物に発生する物質的現象である。これらの生物には、ザトウクジラ、シュモクザメ、ホタテガイ、絶滅した水生生物である軟骨魚類などが含まれる。[ 2 ^]

結節が顕著な生物としてザトウクジラが挙げられます。^{[2] [5] [1]}ザトウクジラの結節はひれの前縁にあります。^{[2] [5]}結節により、非常に大きなクジラは水中で急旋回したり、効率的に泳いだりすることができます。^[5]これはザトウクジラが餌を食べるために不可欠な作業です。^[2]ひれの結節は揚力を維持し、失速を防ぎ、旋回運動中の抗力係数を低下させるのに役立ちます。^[2]ザトウクジラの結節は構造的なものであることから、受動的な流れ制御であると考えられています。^[2]

ザトウクジラの胎児には結節が発達する。^[1]通常、各ひれには9～11個の結節があり、ひれの先端に近づくにつれて小さくなる。^[1]最大の結節は、クジラの肩から1番目と4番目の結節である。^[1]この解剖学的構造は大型魚種、主に捕食種の胸びれによく見られる。^[1]

前縁突起は製造分野で注目されています。風力タービンの性能は、同様の流れ特性が見られるブレードの空力特性に依存しています（ソース＃9）現代のタービンは、特定の設計条件での迎え角を考慮してねじれたブレードを備えています。しかし、実際のアプリケーションでは、タービンは多くの場合、失速が発生する設計外の条件で動作し、性能と効率が低下します。^{[1] [5]タービンの}エネルギー効率の改善の可能性を探すには、前縁突起の影響をより詳細に調査する必要があります。

突起は、水上船、航空機、換気扇、風車の設計において商業的に実現可能な生物にヒントを得た設計を提供します。突起設計による受動的な流れの制御には、複雑でコストがかかり、メンテナンスに手間のかかる重い制御機構を排除すると同時に、空気中および水中での揚力体の性能特性を向上させるという利点があります。^[1]現在も残る問題の 1 つは、これらの生物にヒントを得た技術のそれぞれが使用する構造と動作の規模の違いです。流れの用途で失速を遅らせる方法を開発するために、新しい技術が実装されています。たとえば、前縁に欠陥のあるジェット機は、より高速かつ高高度でより大きなペイロードを運ぶことができ、^[1]航空分野での経済効率が向上します。これらの効果は多くの水生動物や鳥に見られますが、これらの設計を産業用途に拡大すると、機械に関連する高いストレスに関する別の一連の問題が浮上します。たとえば、飛行機では、機敏な旋回運動を生み出す鳥の翼の関節の複雑な運動学と構造よりも、設計ははるかに制限されています。^[1]この問題は、生物学的構造と工学的応用におけるサイズと性能の重なりについてさらに研究することで解決できます。また、タービンの設計では、先端効果によって発電量を最大20%向上できることも観察されています。^[1]

航空工学の分野では、タービンブレードに先端突起を付けることで、発電量を増やすことができます。^{[4] [1]}突起のあるブレードは、高風速と低風速の両方で発電に効果的であることもわかっています。つまり、滑らかな先端を持つブレードと先端突起のあるブレードを比較すると、先端突起のあるブレードの方が性能が向上しています。工学システムの性能改善における突起の有用性は、生物学的構造の調査から直接得られます。^{[5] [1]}バイオ強化特性を持つ設計を作成することは、多くの流れ設計アプリケーションに期待できるという汎用性を認識することが重要です。これらの設計がますます高度になるにつれて、これらの方法を通じてさまざまな効率方法が開発されるため、バイオミメティクス技術の応用は、高性能機械および装置の次の開発に不可欠になります。

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