漩涡产生装置及漩涡产生方法
【专利摘要】实施方式的漩涡产生装置具备：与流体的流接触的部件，在与该流平行的截面的周部上，具有该流体流入的停滞点、和分别伴随着第1、第2剥离流域的第1、第2剥离点；扰乱施加部，对上述第1剥离点的上游施加扰乱，使上述流动的边界层部分地附着；以及控制部，将由上述扰乱施加部进行的扰乱的施加在时间上控制，使上述第1剥离点的位置变化，切换从上述停滞点到上述第1剥离点的附着距离，使上述边界层摆动，由此使上述剥离区域内产生在上述部件的翼宽方向上具有轴的动态失速涡。
【专利说明】漩涡产生装置及漩涡产生方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请基于2013年2月I日提出的日本专利申请第2013 — 018970号主张优先权，这里引用其全部内容。
【技术领域】
[0003]本发明的实施方式涉及漩涡产生装置及漩涡产生方法。
【背景技术】
[0004]在流体力学中，已知有动态失速润(DSV (Dynamic stall vortex))。动态失速润例如在使翼相对于流体的流的迎角夹着静态失速角振动时产生。在此情况下，即使迎角超过静态失速角，升力也不减少(不失速)而增大。此时，产生动态失速涡，考虑是因为该漩涡的负压而产生了较大的升力。
[0005]但是，如果使翼的迎角超过静态失速角而大到某种程度以上，则升力在达到最大之后急剧地下降而陷入完全失速。此时，不产生动态失速涡，因而，成为由动态失速涡带来的负压也不存在的状态。
[0006]这样，动态失速涡产生较大的升力，而另一方面也成为升力不稳定的原因。因此，在飞机(固定翼机、旋转翼机等)、风车等使用对翼的升力的【技术领域】中，一般设计为，翼的迎角与失速角相比足够小，以便不产生动态失速(换言之不产生动态失速涡)(参照美国专利公报第6267331号)。
[0007]但是，如果能够控制动态失速涡的产生，则能够利用动态失速涡的特征(较高的非恒常负压力等)进行各种处理(例如，向物体的力的施加、气体的混合的促进)。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是提供一种能够不使迎角动态地变化而实现漩涡的产生的漩涡产生装置及漩涡产生方法。
[0009]实施方式的漩涡产生装置具备:与流体的流接触的部件，该部件在与该流平行的截面的周部上具有该流体流入的停滞点、和分别伴随着第1、第2剥离流域的第1、第2剥离点；扰乱施加部，对上述第I剥离点的上游施加扰乱，使上述流的边界层部分地附着；以及控制部，对由上述扰乱施加部进行的扰乱的施加进行时间上的控制，使上述第I剥离点的位置变化，切换从上述停滞点到上述第I剥离点的附着距离，使上述边界层摆动，由此使上述剥离区域内产生在上述部件的翼宽方向上具有轴的动态失速涡。
[0010]根据本发明，能够不使迎角动态地变化而产生漩涡。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是表示迎角Θ与升力系数K的关系的曲线图。
[0012]图2A是表示翼W与边界层L的关系的一例的示意图。[0013]图2B是表示翼W与边界层L的关系的一例的示意图。
[0014]图2C是表示翼W与边界层L的关系的一例的示意图。
[0015]图3是表示有关第I实施方式的漩涡产生装置10的示意图。
[0016]图4A是表示扰乱施加部12的内部结构的一例的示意图。
[0017]图4B是表示扰乱施加部12的内部结构的一例的示意图。
[0018]图4C是表示扰乱施加部12的内部结构的一例的示意图。
[0019]图5是表示扰乱施加部12的驱动波形V的一例的曲线图。
[0020]图6A是表不有关第2实施方式的游润广生装置IOa的不意图。
[0021]图6B是表不有关第2实施方式的游润广生装置IOa的不意图。
[0022]图7A是表示有关第2实施方式的变形例的漩涡产生装置IOb的示意图。
[0023]图7B是表示有关第2实施方式的变形例的漩涡产生装置IOb的示意图。
[0024]图8是表示扰乱施加部12a、12b的驱动波形Va、Vb的一例的曲线图。
[0025]图9是表不有关第3实施方式的游润广生装置IOc的不意图。
[0026]图10是表示有关第3实施方式的变形例的漩涡产生装置IOd的示意图。
[0027]图11是表示有关第4实施方式的漩涡产生装置IOe的示意图。
[0028]图12A是表不有关变形例I的游润广生装置IOf的不意图。
[0029]图12B是表不有关变形例2的游润广生装置IOg的不意图。
[0030]图12C是表不有关变形例3的游润广生装置IOh的不意图。
[0031]图13A是表示翼部件11处的漩涡的产生实验的结果的图。
[0032]图13B是表示翼部件11处的漩涡的产生实验的结果的图。
[0033]图13C是表示翼部件11处的漩涡的产生实验的结果的图。
[0034]图13D是表示翼部件11处的漩涡的产生实验的结果的图。
[0035]图13E是表示翼部件11处的漩涡的产生实验的结果的图。
[0036]图13F是表示翼部件11处的漩涡的产生实验的结果的图。
【具体实施方式】
[0037]以下，参照附图，详细地说明实施方式。
[0038](动态失速时的漩涡)
[0039]首先，对在动态失速时产生的镟润(动态失速润(DSV (Dynamic stall vortex)))进行说明。在后述的本实施方式中，能够进行与动态失速涡DSV对应的漩涡VR的生成。
[0040]图1是表示翼W的迎角(翼弦线与均匀流所成的角)Θ与升力系数K的关系的曲线图。曲线图G1、G2分别对应于静态的翼W(迎角Θ为一定或以比较低速变化的情况)、动态的翼W (迎角Θ以比较高速变化的情况)。
[0041]在翼W为静态的情况下(曲线图G1)，产生静态失速。在迎角Θ比失速角as小的区域中，升力系数K (升力)大致与迎角Θ成比例而增加。此时，如图2A那样，沿着翼W的背面(负压面)配置流的边界层L。如果使迎角Θ进一步增加而成为失速角a S，则升力系数K急剧地降低(失速)。此时，如图2B那样，边界层L从翼W的背面剥离(剥离剪切层)，这成为升力系数K降低的原因。即，成为由流带来的负压不被施加在翼上的状态。
[0042]另一方面，在翼W为动态的情况下(曲线图G2)，产生动态失速。这里，使用与静态的情况相同形状的翼W，以失速角as为中心，使迎角Θ在土 ao的范围中正弦振动。
[0043]从迎角Θ= (as— a O)出发,如果使迎角Θ增加,则升力系数K增加。即使迎角Θ达到失速角a S，升力系数K也不减小。相反，与静止场中的最大升力系数Kmax相比，此时的升力系数K大幅地增加，达到最大点(状态SI)。
[0044]但是，如果进一步使迎角Θ增加，则升力系数K大幅地降低，陷入完全失速的状态(状态S2)。在达到完全失速后，即使使迎角Θ减小，升力系数K也在较低的状态下推移。通过使迎角Θ充分降低，升力系数K接近于静止场中的升力系数K。
[0045]如图2C那样，在状态SI中，在翼W的前缘附近，以与剥离剪切层(边界层L)的涡度相同的符号，产生较大的涡度的动态失速涡DSV。产生的动态失速涡DSV在主流方向上流动。
[0046]由于动态失速涡DSV具有较大的负压，所以考虑翼W的背面被向上方拉起，产生较大的升力。但是，如果动态失速涡DSV在翼W的背面上越过而向后方流走，则流成为图2B那样的状态。此时，如图1的状态S2所示，升力急剧地降低。
[0047]如以上那样，动态失速涡DSV在使翼W的迎角Θ变化时产生，带来较大的升力，并且也成为升力的不稳定性的原因。在以下的实施方式中，能够不使翼W的迎角Θ动态地变化而产生与动态失速涡DSV对应的漩涡VR。
[0048](第I实施方式)
[0049]如图3所示，有关第I实施方式的漩涡产生装置10是在流体F的流中配置时产生漩涡VR的装置，具有翼部件11、扰乱施加部12、流速计测部13、控制部14。
[0050]流体F例如是大气、惰性气体(稀有气体(例如氩气)、氮气)、反应性气体(可燃性气体(例如燃料气体)、氧化性气体(例如氧气))、二氧化碳气体等气体及这些气体的混合物。
[0051]漩涡VR是流体F旋转而产生的涡旋状的结构(pattern)，对应于动态失速涡DSV。如后述那样，将翼部件11配置到流体F的流中，成为静态失速的状态，通过由扰乱施加部12将流体F的流动扰乱，产生漩涡VR。
[0052]翼部件11具有前缘111、后缘112、突起113。这里，将翼部件11的下部省略。即，这里不限制翼部件11的下部的形状。另外，翼部件11具有与纸面垂直的方向的翼宽。
[0053]前缘111、后缘112分别是配置在翼部件11的最上游、最下游的部位。即，流体F从翼部件11上的前缘111流入，从后缘112流出。
[0054]突起113配置在前缘111、后缘112之间，是突出的部位。在该实施例中，突起113具有锐角的角部，即使将迎角变更，后述的剥离点P也被固定在突起113的角部。这里，从剥离点P沿着流的下游，在突起113上形成粗糙面Sr。即，将突起113的表面粗糙面化。这将提高由后述的扰乱施加部12带来的扰乱的效果，并促进边界层L (剥离剪切层)的紊流化。结果，扰乱施加部12的动作中的边界层L的附着距离D的扩大变容易。另外，如图3所示，将从流体F流入的停滞点O到剥离点P为止的沿着表面的距离定义为附着距离D。
[0055]流动受到粗糙面Sr的影响，由扰乱施加部12施加的扰乱的效果扩大，从而因扰乱施加的有无带来的附着距离D的差变大。结果，能够释放更强的漩涡VR。但是，粗糙面Sr优选的是取距剥离点P为某种程度的距离X。假如设距离X=0，则即使在扰乱施加部12为关闭(OFF)状态时，也担心粗糙面Sr给流动带来影响，难以将附着距离D保持为较小的状态。即，因扰乱施加的有无带来的附着距离D的差变小，难以释放强的漩涡VR。[0056]假设从突起113到后缘112，翼部件11的迎角Θ比失速角α大。S卩，翼部件11处于静态的失速状态。
[0057]此时，在翼部件11的附近，存在将高速域Al、低速域Α2区分的边界层L (LI)。高速域Al是比较高速的、流体F的主流流动的区域。低速域Α2是流体F的主流不流动的剥离区域，与主流相比，低速域Α2中的流体F的流速较低。
[0058]在失速状态时，流体F的边界层LI在配置于突起113上的剥离点P处从翼部件11的表面剥离。通过该边界层L的剥离，由流体F带来的向翼部件11的上表面的负压被降低，升力系数K降低。
[0059]剥离后的边界层LI成为剥离剪切层，具有遍及从高速域Al到低速域Α2的速度分布。该速度分布的结果是，在剥离剪切层(边界层L)中产生剪切力。该剪切力的结果是，边界层LI的流体F的流动具有涡度(旋转成分)。
[0060]扰乱施加部12配置在翼部件11上的剥离点P的上游，对边界层LI (剥离剪切层)施加扰乱。通过该扰乱的施加，能够实现在剥离点P剥离后的边界层L的部分性的附着。所谓部分性的附着，是指不是遍及从剥离点到后缘112的附着，而是在从剥离点到一定的距离之间的附着中较充分。在通过扰乱的施加的效果而部分地附着后，可以再次剥离。在这样的情况下，也通过扰乱施加的有无而使附着距离D的大小变化，从而能够释放漩涡VR。
[0061]扰乱施加部12的关闭状态时的边界层LI在剥离点P处从翼部件11剥离，到后缘112之间不附着在翼部件11上。另一方面，扰乱施加部12的开启(ON)状态时的边界层L2在从剥离点P离开距离AD的部位(剥离点P’ )从翼部件11剥离。这样，通过切换扰乱施加部12的关闭、开启，从而边界层L1、L2切换，产生漩涡VR。另外，该详细情况在后面叙述。
[0062]扰乱施加部12能够通过放电、振动、声波等各种方法施加扰乱。
[0063]( I)通过放电进行的扰乱的施加
[0064]图4A表不使用放电的扰乱施加部12a的一例。
[0065]扰乱施加部12a具有电极21、22、放电用电源23。电极21、22配置在翼部件11上或其内部。
[0066]这里，电极21的表面(上表面)与翼部件11的表面为同一面。S卩，电极21的表面与流体F接触。但是，电极21也可以以不露出其表面的方式埋设在翼部件11内。
[0067]电极22从电极21向流体F的流动方向错开配置，埋设在翼部件11内。电极22与电极21相比，埋设得距翼部件11的表面较深。
[0068]放电用电源23在与电极21、22之间施加电压(例如交流电压(作为一例是正弦波电压))。通过对电极21、22间施加电压，在电极21、22间产生放电(这里是介质阻挡放电)。通过该放电，对剥离剪切层(边界层L)施加扰乱。
[0069]这里，电极21、22装备在翼部件11上。因此，翼部件11由电介质材料构成。电介质材料没有特别限定，由公知的固体的电介质材料构成。该电介质材料例如能够适当选择使用氧化铝或玻璃、云母等无机绝缘物、聚酰亚胺、环氧玻璃、橡胶等有机绝缘物。
[0070]通过放电用电源23，对电极21、22之间施加电压，产生流体F的放电(这里是介质阻挡放电)。即，流体F的分子分离为离子和电子，成为等离子。该离子被电极21、22之间的电场加速，通过该力被传递给流体，产生沿着表面的等离子激发流。
[0071]如果对电极21、22间施加交流高电压，则在流体中激发出与该交流的周期对应的速度变动，对流体F的边界层L施加扰乱。
[0072]在时间平均中，产生从露出的(或埋入深度浅的)电极21朝向被覆盖的(或者埋入深度深的)电极22的等离子激发流。
[0073]如果将电极21、22分别配置在上游侧、下游侧，则流体F流动的方向与通过放电激发的流动的方向一致。另一方面，如果将电极21、22分别配置在下游侧、上游侧，则流体流动的方向与通过放电激发的流动的方向成为相反。
[0074]不论怎样，都能够对剥离剪切层(边界层LI)施加扰乱。
[0075]利用与流体F流动的方向垂直的方向的等离子激发流对流体F的边界层L施加扰舌L从而能够产生漩涡VR。在此情况下，将电极21、22间连结的线段与流体F流动的方向垂直。
[0076]相对于流体F流动的方向，不论使等离子激发流的方向如何(例如45°方向)，都能够实现漩涡VR的产生。
[0077](2)通过振动进行的扰乱的施加
[0078]图4B表不使用振动的扰乱施加部12b的一例。扰乱施加部12b具有振子31、振动用电源32。
[0079]振子31配置在翼部件11上或其内部。这里，振子31的表面(上表面)与翼部件11的表面为同一面。但是，振子31也可以以其表面不露出的方式埋设在翼部件11内。
[0080]振动用电源32对振子31施加交流电压(例如正弦波电压)。通过对振子31施加交流电压，振子31振动。通过该振动，对剥离剪切层(边界层LI)施加扰乱。
[0081](3)通过声波进行的扰乱的施加
[0082]图4C表不使用声波的扰乱施加部12c的一例。扰乱施加部12c具有声波产生器41、声波产生用电源42。
[0083]声波产生器41例如是扬声器，配置在翼部件11内部的空洞43内。
[0084]声波产生用电源42对声波产生器41施加交流电压(例如正弦波电压)。通过对声波产生器41施加交流电压，从声波产生器41产生声波，从空洞43的开口 44释放。通过该声波，对剥离剪切层(边界层LI)施加扰乱。
[0085](由扰乱带来的附着距离D的扩大)
[0086]接着，说明通过向边界层(剥离剪切层)的扰乱的施加而带来的附着距离D的变化。
[0087]如果翼部件11的迎角Θ大，则当流体F的流经过突起113时产生横漩涡(在翼长方向上具有轴的漩涡)，该横漩涡在流动方向上被断续地释放。该状态下的流场成为在突起113的下游侧交替地重复附着的状态和剥离的状态的非恒常的状态。
[0088]该横漩涡随着向下游流动而合体、成长，边界层L变厚，在剥离点P成为大规模的剥离泡而被释放，边界层L剥离(剥离剪切层的形成)。剥离点P的位置由翼部件11的形状或主流的速度等决定。
[0089]此时，通过由扰乱施加部12施加扰乱，剥离剪切层(边界层L)内转变为紊流，高速部分和低速部分的运动量的交换进展，边界层的低速部分被加速。通过将剥离剪切层(边界层L)内的速度分布改善，大规模的剥离被抑制，气流的流以沿着翼表面附着的方式流动。在剥离点P剥离后的边界层L从剥离点P到距离AD的剥离点P’附着(图3中的从边界层LI向边界层L2的转变)。即，附着距离从D变大到D’(=D+AD)。[0090]这里，考虑通过由交流电压下的放电产生等离子激发流来施加扰乱的情况。此时，通过等离子激发流匹配于交流电压的频率而周期性地变动，产生漩涡。该漩涡与从剥离剪切层释放的漩涡融合，陆续地形成横漩涡，通过这些横漩涡间的干涉，激发较细的纵漩涡。可以想到，这样形成的较细的纵漩涡使边界层L (剥离剪切层)内紊流化，促进其中的运动量的混合，从而剥离被抑制，附着距离D增大。
[0091]另外，如已经叙述那样，在突起113上形成有粗糙面Sr。粗糙面从比没有它时的附着距离D靠上游侧开始，遍及距离X形成。该粗糙面Sr将由扰乱施加部12带来的扰乱的效果进一步提高，促进边界层L (剥离剪切层)的紊流化，边界层L的附着距离的扩大变容易。但是，即使在突起113上没有形成粗糙面Sr，也能够实现通过由扰乱施加部12的扰乱带来的边界层L的附着距离的扩大。如已经叙述那样，该情况下(没有粗糙面Sr的情况下)的附着距离DO —般比有粗糙面Sr的情况下的附着距离D小。
[0092]控制部14将由扰乱施加部12进行的扰乱的状态(强度或方向)在时间上控制。通过使扰乱的强度或方向变化，能够调整附着距离D。控制部14例如通过控制对放电用电源23施加的电压波形，能够使扰乱的强度变化。
[0093]图5表示为了使扰乱的强度周期性地变化而对电极21、22间施加的电压波形(扰乱施加部12的驱动波形)V的一例。
[0094]该电压波形V是脉冲调制波形，将时间Tl的关闭状态、时间T2的开启状态以频率f的周期(间隔T (=Tl+T2=l/f))重复。在关闭状态下，对电极21、22间不施加电压(电压V1=0[V])。在开启状态下，对电极21、22间施加峰值电压Vp2、频率f2的高电压交流电压。
[0095]这里，使扰乱施加部12的驱动状态为关闭状态、开启状态这2种状态(状态1、2)。但是，作为状态1、2，只要附着距离D的大小不同就足够。为了形成大小的差，也可以在状态1、2中分别使用例如峰值电压相互不同的交流电压波形。此外，也可以在状态1、2中分别使用频率相互不同的交流电压波形。
[0096]这样，在状态1、2下，适当地设定由扰乱施加部12进行的扰乱的状态(强度及方向)，以使附着距离D的大小不同。
[0097]如以下这样，通过驱动扰乱施加部12，产生漩涡VR。
[0098]首先，在图5的时刻tl，扰乱施加部12被保持为状态1，然后成为附着距离D较小的状态。在时刻t2,扰乱施加部12被切换为状态2,然后边界层紊流化而成为附着状态,附着距离D变大。接着，在时刻t3，如果将扰乱施加部12切换为状态1，则边界层急剧地层流化而成为剥离状态，附着距离D再次变小。
[0099]另外，如后述的实施例所示，从扰乱施加部12的状态变化时(时刻tl、t2、t3)起到附着距离D变化为止，有某种程度(约几msec)的时滞。
[0100]我们发现，当附着距离D急剧地变化时，会释放与动态失速涡DSV对应的漩涡VR。即，当附着距离D从大向小或从小向大变化时,释放漩涡VR。进而，该大小的差越大,释放越强的漩涡VR。该漩涡VR与主流一起向下游流动。
[0101]该漩涡VR是通过边界层L的动态的摆动而产生的，对应于动态失速涡DSV。漩涡VR与动态失速涡DSV同样，是具有与流体F流动的方向垂直的轴、和与剥离剪切层的涡度相同的符号的涡度的2维的漩涡。在图3中，漩涡VR具有垂直于纸面的轴(翼部件11的翼宽方向的轴)，是右旋的漩涡。特别是，通过
【发明者】的实验发现，当附着距离从大向小变化时，有右旋的漩涡变强的趋势。
[0102]如图5那样，重复状态1、2，使附着距离D阶段性地变化，从而能够对应于附着距离D的切换而向边界层内连续地释放漩涡VR。这里，表示了将状态1、2周期性地重复而连续地释放漩涡VR的例子，但根据用途，而不需要是周期性的。为了产生漩涡，不需要是周期性的，通过使附着距离D变化，能够在任意的定时释放漩涡。
[0103]这样，通过使附着距离D阶段性地变化，能够不使翼的迎角Θ动态地变化或振翅，而在任意的定时向边界层内释放动态失速涡DSV。
[0104]通过使该漩涡VR在翼部件11表面上连续地流下，能够进行各种处理。例如，能够将翼部件11向上方拉起、或使流体沿着翼部件11的表面流动。此外，通过促进气体的混合，能够提高燃烧或热交换的效率。进而，通过将流体的组织构造破坏，能够降低噪声及振动。即，能够提高移动体、燃烧机构、热交换器等各种流体设备的效率、及安全性、舒适性。
[0105]流速计测部13例如是皮托管,计测流体F相对于翼部件11的相对速度vr。
[0106]控制部14根据计测出的相对速度vr，控制状态1、2的切换的频率f (参照图5)。
[0107]漩涡VR的效果受存在于翼部件11上的漩涡VR的个数影响。控制部14根据计测出的相对速度vr，求出翼部件11上的漩涡VR的平流(日语:移流)速度vi，并控制频率f以使翼部件11上的漩涡VR的个数变得适当。
[0108]例如，通过实验等导出相对速度vr与平流速度vi的关系，使控制部14存储表示该关系的表。结果，控制部14能够根据相对速度vr求出平流速度vi。
[0109]此外，也可以使控制部14存储表示相对速度vr与适当的驱动频率f的关系的表。在此情况下，利用该表能够根据相对速度vr直接决定频率f。
[0110]也可以代替相对速度vr，而根据翼部件11的背面上的流体F的压力(动压)或其他状态量决定频率f。此外，也可以将漩涡VR的平流速度vi根据流体F的压力(动压)等而不是根据相对速度vr计算。在此情况下，代替流速计测部13而使用例如计测压力的压力计测部。此外，例如将表示压力与适当的驱动频率f的关系的表存储到控制部14中。
[0111](第2实施方式)
[0112]图6A、图6B表示有关第2实施方式的漩涡产生装置10a。漩涡产生装置IOa具有翼部件I la、扰乱施加部12、流速计测部13、控制部14。
[0113]翼部件Ila具有前缘111、后缘112、突起113a、113b。
[0114]在与流体F的流平行的截面内，存在两个剥离点Pa、Pb (对应于突起113a、113b)。此外，包括剥离点Pa、Pb的翼部件Ila的形状，相对于与流平行的平面Pf大致对称。
[0115]在图6A、图6B中，为了容易观察而将有关第I实施方式的漩涡产生装置10 (参照图3)中所示的粗糙面Sr省略了图示。在漩涡产生装置IOa中，也与漩涡产生装置10同样，可以在翼部件Ila上形成粗糙面Sr，使附着变容易。在此情况下，在突起113a、113b的一者或两者上形成粗糙面Sr。在后述的其他实施方式中也同样，漩涡产生装置可以具有粗糙面Sr。
[0116]这里，扰乱施加部12设置在剥离点Pa的上游侧的翼部件11的表面上，在剥离点Pb侧没有设置扰乱施加部12。与在第I实施方式中表示的同样，通过驱动扰乱施加部12，阶段性地切换附着距离D(在边界层Lla、L2a间使边界层变化)，从而能够产生漩涡VRa。此时，随着漩涡VRa的产生，按照角动量守恒原理，从剥离点Pb侧的边界层Llb产生具有与漩涡VRa相反朝向的涡度的漩涡VRb。
[0117]产生的漩涡VRa、VRb以规定的平流速度vi向下游方向流动。在剥离点Pa、Pb间的距离LL充分大的情况下，如图6A所示，漩涡VRa、VRb —边平行地排列一边流下。在剥离点Pa、Pb间的距离LL较小的情况下，如图6B所示，漩涡VRa、VRb形成交替的漩涡列。
[0118]另外，通过控制扰乱施加部12中的切换的频率f，使该漩涡列稳定地排列，能够使漩涡VRa、VRb的作用变强、或使VRa、VRb成长。如果漩涡列稳定，则漩涡能够较大地成长，减压进一步变大，其作用变强。
[0119]这里，考虑没有扰乱施加部12的情况。在此情况下，也在两个剥离点Pa、Pb的下游形成漩涡构造。并且，如果剥离点Pa、Pb间的距离LL变小，则在剥离点Pa、Pb的下游产生干涉，来自剥离点Pa、Pb的漩涡交替地形成漩涡列。但是，这些漩涡的配置及强度由流体的物性和流速及翼部件11的形状决定，不是能够人为控制的。
[0120](变形例)
[0121]图7A、图7B表示有关第2实施方式的变形例的漩涡产生装置10b。漩涡产生装置IOb具有翼部件I la、扰乱施加部12a、12b、流速计测部13、控制部14。
[0122]这里，在剥离点Pa、Pb各自的上游侧的翼部件11表面上配置扰乱施加部12a、12b。通过分别驱动扰乱施加部12a、12b，将附着距离Da、Db分别阶段性地切换，从而能够从剥离点Pa、Pb分别释放漩涡VRa、VRb。
[0123]在图8中表示扰乱施加部12a、12b各自的驱动电压波形Va、Vb的例子。驱动电压波形Va与图5所示的驱动电压波形V是同样的。驱动电压波形Vb是与驱动电压波形Va具有时间差AT的电压波形。
[0124]如图8所示，扰乱施加部12a、12b优选的是以相同的频率f分别切换附着距离Da、Db。即，通过对扰乱施加部12a、12b进行同步控制，能够同步产生漩涡VRa、VRb。
[0125]这里，使扰乱施加部12a、12b中的切换的定时为同时(时间差AT=O的情况)，如图7A所示，能够产生并行排列的漩涡VRa、VRb。另外，在频率f中，只要时间差AT是“0.1/f”以内，也可以考虑为大致同时的切换。
[0126]此外，通过将扰乱施加部12a、12b中的切换的定时错开(时间差AT古O的情况)，如图7B那样，能够形成漩涡VRa、VRb的漩涡列。通过错开定时以使漩涡列变得最稳定，能够使漩涡VRa、VRb成长，使减压变得更强。
[0127](第3实施方式)
[0128]图9是表示有关第3实施方式的漩涡产生装置IOc的图。漩涡产生装置IOc具有翼部件I lb、扰乱施加部12、流速计测部13、控制部14。
[0129]翼部件Ilb具有前缘111、后缘112、突起113a、113b。
[0130]这里，在与流体F的流平行的截面内存在两个剥离点Pa、Pb (突起113a、113b)。但是，与第2实施方式不同，包括剥离点Pa、Pb的翼部件11的形状相对于与流平行的平面Pf，不是大致对称。S卩，从前缘111到剥离点Pa、Pb的距离(或从剥离点Pa、Pb到后缘112的距离)不同。这里，剥离点Pa、Pb (突起113a、113b)分别被配置在上游侧、下游侧。
[0131]扰乱施加部12设置在剥离点Pa的上游侧的翼部件11的表面上，在剥离点Pb侧没有设置扰乱施加部12。与在第2实施方式中表示的同样，通过驱动扰乱施加部12、将附着距离D阶段性地切换(在边界层Lla、L2a间使边界层变化)，从而能够产生漩涡VRa。此时，根据角动量守恒原理，随着漩涡VRa的产生，在剥离点Pb侧，从边界层Llb产生具有与漩涡VRa相反朝向的涡度的漩涡VRb。
[0132]产生的漩涡VRa、VRb以规定的平流速度vi向下游方向流动。漩涡VRa、VRb的各自的从产生位置到后缘112的距离不同。因此，在漩涡VRa、VRb以相同的平流速度vi流下的情况下，容易在后游形成规则的漩涡列。
[0133]另外，通过控制扰乱施加部12中的切换的频率f，能够使该漩涡列稳定地排列。
[0134](变形例)
[0135]图10表示有关第3实施方式的变形例的漩涡产生装置10d。漩涡产生装置IOd具有翼部件I lb、扰乱施加部12a、12b、流速计测部13、控制部14。
[0136]这里，在剥离点Pa、Pb各自的上游侧的翼部件11表面上配置扰乱施加部12a、12b。通过将扰乱施加部12a、12b分别以驱动波形Va、Vb驱动，将附着距离Da、Db分别阶段性地切换，从而能够从剥离点Pa、Pb分别释放漩涡VRa、VRb。
[0137]这里，即使是使两个扰乱施加部12a、12b中的切换的定时为同时的情况(时间差ΛΤ=0的情况)，由于从漩涡VRa、VRb的产生位置到后缘112的距离不同，所以也能够在下游形成规则的漩涡列。
[0138](第4实施方式)
[0139]图11是表示有关第4实施方式的漩涡产生装置IOe的图。漩涡产生装置IOe具有翼部件11c、扰乱施加部12a、12b、流速计测部13、控制部14。
[0140]翼部件Ilc具有前缘111、后缘112、突起113a、113b。
[0141]翼部件Ilc具备具有曲线形状的突起113a、113b的大致长方形的截面。
[0142]在与流体F的流平行的截面内存在两个剥离点Pa、Pb (对应于突起113a、113b)。包括剥离点Pa、Pb在内的翼部件11的形状相对于与流平行的平面不是大致对称的。即，从前缘111到剥离点Pa、Pb的距离(或从剥离点Pa、Pb到后缘112的距离)不同。这里，将剥离点Pa、Pb (突起113a、113b)分别配置在上游侧、下游侧。
[0143]如果在剥离点Pa、Pb设置扰乱施加部12a、12b，将附着距离Da、Db分别阶段性地切换，则能够向边界层内释放漩涡VRa、VRb。
[0144]另外，通过仅在剥离点Pa、Pb的一方设置扰乱施加部12，对附着距离Da、Db的一方进行阶段性地切换，从而能够向边界层内仅释放漩涡VRa、VRb的一方。此时，随着漩涡VRa、VRb的一方的释放，根据角动量守恒原理，产生漩涡VRa、VRb的另一方。
[0145]从上游侧的剥离点Pa产生的漩涡VRa具有将翼部件Ilc向上方拉起的效果。另一方面，从下游侧的剥离点Pb产生的漩涡VRb具有在迎角Θ较小的情况下将翼部件Ilc周围的循环C加强的效果。因此，在迎角Θ较小、不存在上游侧的剥离点Pa的情况下，有驱动扰乱施加部12b而产生漩涡VRb的意义。
[0146]在以上的实施方式中，表示了通过扰乱的施加而增大流的附着距离D的情况。这里，根据
【发明者】们的认识，在特别高的雷诺数范围中，有即使施加扰乱也达不到流部分性的附着的情况。但是，在此情况下，因为由扰乱施加部12产生的横漩涡的影响，促进边界层附近的运动量交换，能够将以时间平均观察到的边界层通过壁面拉近。在此情况下，到此为止记载的“附着距离”不一定表示附着的距离，还表示将流体拉近的距离即“拉近距离”。通过由扰乱施加部12将拉近距离的大小在时间上进行切换，能够与到此为止记载的实施方式同样地以任意的定时产生漩涡。
[0147]可以考虑使用与扰乱施加部12同样的装置使剥离状态变化为附着状态、实现升力的提高等。在上述实施方式中，没有将使剥离状态变化为附着状态自身作为目的，而将使动态失速涡以受控的状态向剥离区域释放、由漩涡带来的效果作为目的。如果在雷诺数较低的条件下，将用于飞机的翼型设定为刚到失速角之后的迎角，在前缘使扰乱施加部12动作，则能够使处于剥离状态的流变化为附着状态，得到较高的升力。以往，目标是尽量使该附着状态持续。在上述实施方式中，即便是这样的情况也将扰乱施加部12断续地驱动，从而切换控制剥离状态和附着状态，以利用此时产生的动态失速涡的减压、将翼向动态失速涡的方向拉起为目的。
[0148](变形例I)
[0149]图12A表示有关变形例I的漩涡产生装置IOf。漩涡产生装置IOf具有翼部件Ilf、扰乱施加部12a、12b。另外，控制部14省略了记载。
[0150]在图12A中，表示翼部件Ilf的与流体F的流平行的截面形状。翼部件Ilf具有比较带有圆度的形状的前缘111、比较尖锐的形状的后缘112、和将前缘与后缘连结的曲线状的突起113a、113b。在截面的周上，具有流体F流入的I个停滞点O和两个剥离点Pa、Pb，在剥离点Pa、Pb的下游侧伴随着剥离区域。
[0151]停滞点O被配置在前缘111附近。但是，停滞点O的位置根据翼部件Ilf的相对于流的迎角而变化，并不一定与前缘111 一致。剥离点Pa是翼部件Ilf的突起113a上的流剥离的部位，被配置在突起113a上。剥离点Pa的位置根据翼部件Ilf的相对于流的迎角而变化。剥离点Pb是翼部件Ilf的突起113b上的流剥离的部位。剥离点Pb的位置不论翼部件Ilf相对于流的迎角如何，都与后缘112 —致。
[0152]扰乱施加部12a被配置在剥离点Pa的上游侧。如果驱动扰乱施加部12a，则通过对流施加扰乱，向边界层导入紊乱。其结果，流的边界层部分地附着，剥离点从点Pa变位到下游侧的点Pa’。由此，从停滞点O到剥离点的附着距离OPa伸长到附着距离OPa’。此外，如果将扰乱施加部12a的驱动停止，则剥离点从Pa’位移到Pa。由此，从停滞点到剥离点的附着距离OPa’缩短为附着距离OPa。
[0153]根据这些附着距离D的伸长或缩短，边界层摆动，由此，在上述流体的剥离区域内，产生在翼部件Ilf的翼宽方向上具有轴的漩涡(动态失速涡)VR。
[0154]由于漩涡VR是与周边的流体相比被减压的状态，所以在漩涡VR与翼部件Ilf之间作用相互吸引的力。如果利用该引力，则在漩涡VR在翼部件Ilf的附近流下的时间带中，能够将翼部件Ilf向漩涡VR的方向拉近、或将流向翼部件Ilf的方向拉近。
[0155]如果将扰乱施加部12a断续地反复控制，则能够持续地断续产生漩涡VR。如果将持续地断续产生漩涡VR的状态在时间平均上看，则在时间平均上在漩涡VR和翼部件Ilf上作用相互吸引的力。结果，在时间平均上，能够将翼部件Ilf向漩涡VR的方向拉近、或将流向翼部件Ilf的方向拉近。
[0156]通过这些作用，能够使作用在翼部件Ilf上的升力或阻力在时间上变化、或使力矩在时间上变化。此外，能够使流偏向、或使后游的剥离区域的大小变化。
[0157]此外，在如上述那样使扰乱状态断续地变化的情况下，有使断续控制的时间间隔相同而周期地变化的控制方法、和使时间间隔在时间上变化而控制的控制方法。在前者的情况下，能够产生周期性的振动或噪声。在后者的情况下，能够在抑制周期性的振动或噪声的同时得到其时间平均的效果、或使原本存在的周期性的振动或噪声的波谱变宽。也可以不是驱动和停止，而通过将1、2的两个状态切换而使附着距离变化。
[0158]扰乱施加部12b被配置在剥离点Pb的上游侧。如果驱动扰乱施加部12b，则通过对流施加扰乱，向边界层导入紊乱。结果，流的边界层部分地附着，剥离点从点Pb位移到下游侧的点Pb’。由此，从停滞点O到剥离点的附着距离OPb伸长到附着距离OPb’。此外，如果将扰乱施加部12b的驱动停止，则剥离点从Pb’变位到Pb。由此，从停滞点O到剥离点的附着距离OPb’缩短到附着距离OPb。
[0159]如以上这样，从后缘112侧也能够释放漩涡VR。该漩涡VR的效用是上述那样的。如上述那样，通过调整从两个剥离点发出的漩涡VR的间隔以使漩涡VR能够最稳定地存在，从而能够促进漩涡VR的成长、得到更大的效果。
[0160]这里，对漩涡产生装置IOf具有扰乱施加部12a、12b这两者的情况进行了说明，但漩涡产生装置IOf也可以仅具有扰乱施加部12a、12b的一方。
[0161](变形例2)
[0162]图12B表示有关变形例2的漩涡产生装置10g。漩涡产生装置IOg具有翼部件llg、扰乱施加部12a、12b。另外，控制部14省略了记载。
[0163]在图12B中，表示翼部件Ilg的与流体F的流平行的截面形状。翼部件Ilg具有比较带有圆度的形状的前缘111、比较带有圆度的形状的后缘112、将前缘与后缘连结的曲线状的突起113a、113b。在截面的周边上，具有流体F流入的I个停滞点O和两个剥离点Pa、Pb，在剥离点Pa、Pb的下游侧伴随着剥离区域。
[0164]停滞点O被配置在前缘111附近。但是，停滞点O的位置根据翼部件Ilf的相对于流的迎角而变化，并不一定与前缘111 一致。剥离点Pa是翼部件Ilf的突起113a上的流剥离的部位，被配置在突起113a上。剥离点Pa的位置根据翼部件Ilf的相对于流的迎角而变化。剥离点Pb是翼部件Ilf的突起113b上的流剥离的部位，被配置在突起113b上。剥离点Pb的位置根据翼部件Ilf的相对于流的迎角而变化。
[0165]在漩涡产生装置IOg中，除了剥离点Pb的位置根据翼部件Ilg的相对于流的迎角变化这一点以外，与漩涡产生装置IOf是同样的。
[0166](变形例3)
[0167]图12C表示有关变形例3的漩涡产生装置10h。漩涡产生装置IOh具有翼部件llh、扰乱施加部12a、12b。另外，控制部14省略了记载。
[0168]在图12C中，表示翼部件Ilh的与流体F的流平行的截面形状。在翼部件Ilh中，具有比较带有圆度的形状的前缘111、比较有棱角的形状的后缘112。翼部件Ilh的突起113a是将前缘111与后缘112连结的大致曲线形状，但具有角部(截面的周部的一部分为折线状)。翼部件Ilh的突起113b为将前缘111与后缘112连结的曲线形状。
[0169]剥离点Pa的位置不论翼部件Ilf的相对于流的迎角如何，都被固定在突起113a的角部上。剥离点Pb的位置不论翼部件Ilf的相对于流的迎角如何，都被固定在后缘112上。
[0170]在漩涡产生装置IOh中，除了剥离点Pa、Pb的位置无论翼部件Ilh的相对于流的迎角如何都被固定这一点以外，与漩涡产生装置IOg是同样的。由于剥离点Pa、Pb被固定，所以能够根据距剥离点Pa、Pb的距离决定扰乱施加部12a、Pb及粗糙面的设置位置。
[0171]在以上的变形例中，表示了停滞点O的位置根据迎角而变化的例子。相对于此，在停滞点O的位置不根据迎角变化的情况下，也能够发挥与这些变形例同样的效果。例如，在具有锐角的前端的翼部件中，停滞点O的位置不根据迎角而变化。
[0172](实施例)
[0173]说明实施例。图13A?图13F是在时间序列上表示使用翼部件11及利用放电的扰乱施加部12来产生漩涡VR时的状态的图。
[0174]翼部件11被配置在流速IOm的空气(大气)的流之中(空洞内)。此时，仰角θ=25°，失速角 α=18°。
[0175]这里，在电极21,22间，以间隔T (=Tl+T2=80msec=l/f=l/12.5Hz)重复持续时间T2 (8msec)的开启状态、持续时间Tl (72msec)的关闭状态。
[0176]开启状态:施加正弦波(电压Vp2=4.5kV，频率f2=15kHz)
[0177]关闭状态:无电压施加
[0178]使用粒子图像测速计(PIV:Particle Image Velocimetry),计测出翼部件11的周围的流体的流动。
[0179]图13A?图13F相对于开启状态的开始时，分别与时刻= — 5，0，5，10，12，15ms对应。
[0180](I)在开启状态的开始前及开始的瞬间(t= 一 5ms，0ms)，由于仰角Θ比失速角α大，所以边界层L从翼部件11剥离，产生剥离剪切层(参照图13Α、12Β)。
[0181](2)在开启状态开始后经过5ms时(t=5ms)，在翼部件11上附着有边界层L (参照图13C)。即，随着附着距离D的从小向大的变化，产生漩涡VR1。
[0182](3)在开启状态开始后经过IOms时(t=10ms)，附着距离D变得更大，产生漩涡VR2(参照图13D)。可以认为漩涡VRl流走了。
[0183](4)在开启状态开始后经过12ms时(t=12ms)，附着距离D变得更大，漩涡VR2成长(参照图13E)。
[0184](5)在开启状态开始后经过15ms时(t=15ms)，漩涡VR2在下游看不到流动(参照图 13F)。
[0185]如以上可知，通过由放电使附着距离D变化，能够产生漩涡VR。
[0186]以上说明了几个实施方式，但这些实施方式只是例示，并不意味着限定本发明的范围。事实上，这里给出的实施方式可以通过各种形态实施，而且在不脱离本发明的范围的情况下能够对这里给出的实施方式的形态进行各种省略、替代及变更。权利要求书和其等价物覆盖本发明的范围及主旨内的这些实施方式的形态。
【权利要求】
1.一种漩涡产生装置，其特征在于，具备: 与流体的流接触的部件，该部件在与该流平行的截面的周部上具有该流体流入的停滞点、和分别伴随着第I剥离流域、第2剥离流域的第I剥离点、第2剥离点； 扰乱施加部，对上述第I剥离点的上游施加扰乱，使上述流的边界层部分地附着；以及控制部，对由上述扰乱施加部进行的扰乱的施加进行时间上的控制，使上述第I剥离点的位置变化，切换从上述停滞点到上述第I剥离点的附着距离，使上述边界层摆动，由此使上述剥离区域内产生在上述部件的翼宽方向上具有轴的动态失速涡。
2.如权利要求1所述的漩涡产生装置，其特征在于， 上述扰乱施加部具有: 第I电极，与上述流体接触； 第2电极，经由电介体而与上述流体接触；以及 电源，对上述第1、第2电极间施加电压，使这些电极间产生放电。
3.如权利要求2所述的漩涡产生装置，其特征在于， 上述第I电极、上述第2电 极分别被配置在上述流体的流的上游侧及下游侧、或下游侧及上游侧。
4.如权利要求1所述的漩涡产生装置，其特征在于， 上述扰乱施加部具有: 振动产生器,对上述流体施加振动；以及 电源，使上述振动产生器产生振动。
5.如权利要求1所述的漩涡产生装置，其特征在于， 上述扰乱施加部具有: 声波产生器，对上述流体施加声波；以及 电源，使上述声波产生器产生声波。
6.如权利要求1所述的漩涡产生装置，其特征在于， 上述部件具有从上述剥离点起沿着上述流的下游形成的粗糙面。
7.如权利要求1所述的漩涡产生装置，其特征在于， 上述控制部控制上述扰乱施加部，以使相互不同的第I附着距离、第2附着距离交替地切换。
8.如权利要求7所述的漩涡产生装置，其特征在于， 还具备计测流体相对于上述部件的相对速度的计测部； 上述控制部基于计测出的上述相对速度，控制上述切换的频率。
9.如权利要求1所述的漩涡产生装置，其特征在于， 根据与上述剥离点对应的上述漩涡的产生，产生与上述第2剥离点对应的第2漩涡。
10.如权利要求9所述的漩涡产生装置，其特征在于， 还具备对上述第2剥离点的上游施加扰乱、使上述流动的边界层部分地附着的第2扰乱施加部； 上述控制部将上述扰乱施加部及上述第2扰乱施加部同步地控制，使上述漩涡及上述第2漩涡同步地产生。
11.如权利要求10所述的漩涡产生装置，其特征在于，上述控制部使上述漩涡及上述第2漩涡大致同时产生。
12.如权利要求1所述的漩涡产生装置，其特征在于， 上述漩涡具有与上述流的方向垂直的轴、和与上述剥离的边界层中的涡度相同符号的涡度。
13.如权利要求1所述的漩涡产生装置，其特征在于， 当上述漩涡通过上述部件的附近时，上述部件被向上述漩涡拉近。
14.如权利要求1所述的漩涡产生装置，其特征在于， 当上述漩涡通过上述部件的附近时，上述流体被向上述部件拉近。
15.如权利要求1所述的漩涡产生装置，其特征在于， 上述控制部对由上述扰乱施加部进行的扰乱的施加进行时间上的控制，通过使多个漩涡断续地产生，使后游区域变小。
16.如权利要求1所述的漩涡产生装置，其特征在于， 上述控制部对由上述扰乱施加部进行的扰乱的施加进行时间上的控制，通过使多个漩涡断续地产生，将流体 噪声降低。
17.如权利要求1所述的漩涡产生装置，其特征在于， 上述控制部对由上述扰乱施加部进行的扰乱的施加进行时间上的控制，使间隔不同的多个漩涡断续地产生。
18.—种漩涡产生方法，其特征在于，具备如下工序: 将部件配置到流体的流中、形成该流的边界层在从剥离点到上述部件的后缘之间剥离、不附着的状态的工序； 对上述剥离点或其上游的上述流的边界层施加扰乱、产生边界层的附着、将距上述剥离点的附着距离切换的工序；以及 对应于上述附着距离的切换而在流体内产生漩涡的工序。
19.如权利要求18所述的漩涡产生方法，其特征在于， 通过对接触在上述流体上的第I电极与经由电介体接触在上述流体上的第2电极之间施加电压，使这些电极间产生放电，来施加上述扰乱。
20.如权利要求18所述的漩涡产生方法，其特征在于， 通过对上述流体施加振动或声波，来施加上述扰乱。
【文档编号】B64C23/06GK103963964SQ201410043797
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年1月29日 优先权日:2013年2月1日
【发明者】田中元史, 大迫俊树, 盐田和则, 松田寿, 内田龙朗, 志村尚彦 申请人:株式会社东芝