JP6857864B2 - Friction resistance reduction method, structure with reduced friction resistance, and electrode forming method for friction resistance reduction - Google Patents
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Description
本発明は、流体による摩擦抵抗の低減を図る対象物についての摩擦抵抗低減方法、摩擦抵抗を低減した構造物、及び摩擦抵抗低減用の電極形成方法に関する。 The present invention relates to a method for reducing frictional resistance of an object for reducing frictional resistance due to a fluid, a structure for reducing frictional resistance, and a method for forming an electrode for reducing frictional resistance.
船舶が航行する際に働く抵抗のなかでも影響の大きい摩擦抵抗の低減法として、水中に気泡を発生させる空気潤滑法やマイクロバブル法がある。
例えば、特許文献1には、喫水線より下の船首部の船体外板表面に所定の距離を隔てて形成した陽極側導電性塗膜面及び陰極側導電性塗膜面と、その両塗膜面に通電する電源装置とを設け、海水を電気分解して気泡を発生させ、気泡を後方に流すことによって船体の摩擦抵抗を低減する装置が記載されている。
また、特許文献2には、船体の没水表面の近傍に形成される境界層中に、気泡水混合流体を没水表面から斜め後方に向けて噴出させ、気泡単独の場合よりも的確に気泡を境界層内の所望の底層に送り込み、摩擦低減を行う装置が記載されている。
Among the resistances that work when a ship navigates, there are air lubrication method and microbubble method that generate bubbles in water as a method for reducing frictional resistance, which has a large influence.
For example,
Further, in
特許文献1は、圧縮空気を多孔板をくぐらせることにより気泡を形成し、その気泡を船体外板に設けた穴から噴出させる従来の技術に代えて、海水を電気分解して酸素と水素を発生させ、両塗膜面より離して泡として、船体外板に沿って、船の進行方向とは逆の方向に流して、摩擦抵抗を低減するものであり、乱流境界層と気泡との関係は考慮されていない。
また、特許文献2は、境界層中に気泡水混合流体を送り込んで船体の摩擦抵抗を低減しようとするものであるが、相対速度uが船体の航行速度と等しくなる距離δを境界層の範囲として捉えるものであり、境界層のなかでも船体の表面近くの領域である粘性底層とバッファー域と気泡との関係は考慮されていない。
Further,
そこで本発明は、乱流境界層のなかでも、例えば船体の表面近くの領域である粘性底層とバッファー域に直接作用することにより、局所的に高いボイド率あるいは粒子の体積濃度を実現し、乱流を抑制し、船体等の対象物(構造物)の摩擦抵抗を低減させる摩擦抵抗低減方法、摩擦抵抗を低減した構造物、及び摩擦抵抗低減用の電極形成方法を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention locally realizes a high void ratio or volume concentration of particles by directly acting on the viscous bottom layer and the buffer region, which are regions near the surface of the hull, among the turbulent boundary layers, and turbulence. It is an object of the present invention to provide a friction resistance reducing method for suppressing a flow and reducing the frictional resistance of an object (structure) such as a hull, a structure for reducing the frictional resistance, and an electrode forming method for reducing the frictional resistance. ..
請求項1記載に対応した摩擦抵抗低減方法においては、流体による摩擦抵抗の低減を図る対象物の表面に電極を形成し、流体の流速を検出する流速検出手段又は電極の没水状態を検出する没水状態検出手段の検出結果に応じて電極に印加する電力を制御し、電気分解作用により発生する粒子及び/又は気泡を乱流境界層の内部の壁面である対象物の表面から作用させることによって、対象物の流体による摩擦抵抗を低減するにあたり、乱流境界層の粘性底層及びバッファー域における電気分解作用により発生する粒子の体積濃度を1.0E−8%以下1.0E−6%以上及び/又は気泡のボイド率を2%以下0.0001%以上としたことを特徴とする。
請求項1に記載の本発明によれば、粒子及び/又は気泡が乱流境界層の内部の壁面(対象物の表面)に形成した電極から発生するので、粒子及び/又は気泡は乱流境界層内の内部の壁面近くの領域である粘性底層とバッファー域に直接作用する。したがって、発生した粒子又は気泡が少量であっても、局所的に高い粒子の体積濃度あるいは気泡のボイド率を実現し、乱流を抑制し、対象物の流体による摩擦抵抗を低減できる。また、乱流が抑制されることで乱流境界層内の拡散が小さくなるため、少量の粒子及び/又は気泡であっても内部の壁面近傍に留まりながら流れる。したがって、摩擦抵抗低減効果が高くなる。また、流体の圧力が高い環境下での利用であっても、特別な加圧手段を必要とすることなく、粒子及び/又は気泡を乱流境界層の内部の壁面から発生させることができる。また、対象物の摩擦抵抗は流体の流速によって増減するので、流体の流速に応じて又は電極の没水状態に応じて電力を制御して粒子及び/又は気泡の発生量を調節することで、効果的に対象物の流体による摩擦抵抗を低減できる。また、電気分解作用による粒子及び/又は気泡の発生量を抑えつつ、対象物の流体による摩擦抵抗を低減できる。
In the method for reducing frictional resistance according to
According to the first aspect of the present invention, since the particles and / or bubbles are generated from the electrodes formed on the inner wall surface (surface of the object) of the turbulent boundary layer, the particles and / or the bubbles are generated at the turbulent boundary. It acts directly on the viscous bottom layer and buffer area, which is the area near the inner wall surface in the layer. Therefore, even if the amount of generated particles or bubbles is small, it is possible to locally realize a high volume concentration of particles or a void ratio of bubbles, suppress turbulence, and reduce frictional resistance due to the fluid of the object. Further, since the diffusion in the turbulent boundary layer is reduced by suppressing the turbulent flow, even a small amount of particles and / or bubbles flow while staying near the inner wall surface. Therefore, the effect of reducing frictional resistance is enhanced. Further, even when used in an environment where the pressure of the fluid is high, particles and / or bubbles can be generated from the inner wall surface of the turbulent boundary layer without requiring special pressurizing means. Further, since the frictional resistance of the object increases or decreases depending on the flow velocity of the fluid, the amount of particles and / or bubbles generated can be adjusted by controlling the electric power according to the flow velocity of the fluid or the submerged state of the electrode. The frictional resistance due to the fluid of the object can be effectively reduced. Further, it is possible to reduce the frictional resistance due to the fluid of the object while suppressing the amount of particles and / or bubbles generated by the electrolysis action.
請求項2記載に対応した摩擦抵抗低減方法においては、流体による摩擦抵抗の低減を図る対象物の表面に電極を形成し、乱流境界層の厚さを対象物の前縁からの位置、流体の速度、及び流体の温度に基づいて計算し、乱流境界層の厚さに応じて電極に印加する電力を制御し、電気分解作用により発生する粒子及び/又は気泡を乱流境界層の内部の壁面である対象物の表面から作用させることによって、対象物の流体による摩擦抵抗を低減するにあたり、乱流境界層の粘性底層及びバッファー域における電気分解作用により発生する粒子の体積濃度を1.0E−8%以下1.0E−6%以上及び/又は前記気泡のボイド率を2%以下0.0001%以上としたことを特徴とする。
請求項2に記載の本発明によれば、粒子及び/又は気泡が乱流境界層の内部の壁面(対象物の表面)に形成した電極から発生するので、粒子及び/又は気泡は乱流境界層内の内部の壁面近くの領域である粘性底層とバッファー域に直接作用する。したがって、発生した粒子又は気泡が少量であっても、局所的に高い粒子の体積濃度あるいは気泡のボイド率を実現し、乱流を抑制し、対象物の流体による摩擦抵抗を低減できる。また、乱流が抑制されることで乱流境界層内の拡散が小さくなるため、少量の粒子及び/又は気泡であっても内部の壁面近傍に留まりながら流れる。したがって、摩擦抵抗低減効果が高くなる。また、流体の圧力が高い環境下での利用であっても、特別な加圧手段を必要とすることなく、粒子及び/又は気泡を乱流境界層の内部の壁面から発生させることができる。また、乱流境界層の厚さに応じて電力を制御して粒子及び/又は気泡の発生量を調節することで、効果的に対象物の流体による摩擦抵抗を低減できる。また、電気分解作用による粒子及び/又は気泡の発生量を抑えつつ、対象物の流体による摩擦抵抗を低減できる。
In the frictional resistance reducing method corresponding to the second aspect, an electrode is formed on the surface of the object for reducing the frictional resistance due to the fluid, and the thickness of the turbulent boundary layer is set to the position from the front edge of the object and the fluid. The power applied to the electrode is controlled according to the thickness of the turbulent boundary layer, and the particles and / or bubbles generated by the electrolysis action are transferred to the inside of the turbulent boundary layer. In order to reduce the frictional resistance due to the fluid of the object by acting from the surface of the object which is the wall surface of the object, the volume concentration of the particles generated by the electrolysis action in the viscous bottom layer of the turbulent boundary layer and the buffer area is 1. It is characterized in that the void ratio of 0E-8% or less and 1.0E-6% or more and / or the bubble is 2% or less and 0.0001% or more.
According to the second aspect of the present invention, since the particles and / or bubbles are generated from the electrodes formed on the inner wall surface (surface of the object) of the turbulent boundary layer, the particles and / or the bubbles are generated at the turbulent boundary. It acts directly on the viscous bottom layer and buffer area, which is the area near the inner wall surface in the layer. Therefore, even if the amount of generated particles or bubbles is small, it is possible to locally realize a high volume concentration of particles or a void ratio of bubbles, suppress turbulence, and reduce frictional resistance due to the fluid of the object. Further, since the diffusion in the turbulent boundary layer is reduced by suppressing the turbulent flow, even a small amount of particles and / or bubbles flow while staying near the inner wall surface. Therefore, the effect of reducing frictional resistance is enhanced. Further, even when used in an environment where the pressure of the fluid is high, particles and / or bubbles can be generated from the inner wall surface of the turbulent boundary layer without requiring special pressurizing means. Further, by controlling the electric power according to the thickness of the turbulent boundary layer to adjust the amount of particles and / or bubbles generated, the frictional resistance due to the fluid of the object can be effectively reduced. Further, it is possible to reduce the frictional resistance due to the fluid of the object while suppressing the amount of particles and / or bubbles generated by the electrolysis action.
請求項3記載の本発明は、電力の印加時における電極の陽極と陰極との間に形成される電気力線が、流体の流線と交差するように陽極と陰極を配置したことを特徴とする。
請求項3に記載の本発明によれば、電極を流体の流線に対し平行に設置することができる。
The present invention according to
According to the third aspect of the present invention, the electrodes can be installed parallel to the streamline of the fluid.
請求項4記載の本発明は、電力の印加時における電極の陽極と陰極との間に形成される電気力線が、流体の流線と平行となるように陽極と陰極を配置したことを特徴とする。
請求項4に記載の本発明によれば、電極を流体の流線に対して垂直に設置することができる。
The present invention according to claim 4 is characterized in that the anode and the cathode are arranged so that the electric power line formed between the anode and the cathode of the electrode when power is applied is parallel to the streamline of the fluid. And.
According to the fourth aspect of the present invention, the electrodes can be installed perpendicular to the streamline of the fluid.
請求項5記載の本発明は、複数個の電極を対象物の表面に形成し、摩擦抵抗の低減を図る対象物の流体と接する部分全体を複数個の電極で覆ったことを特徴とする。
請求項5に記載の本発明によれば、対象物の流体と接する部分全体を少量の粒子及び/又は気泡で内部の壁面近傍に留まりながら流すことができるため、摩擦抵抗低減効果を大きくすることができる。
The present invention according to
According to the fifth aspect of the present invention, since the entire portion of the object in contact with the fluid can be flowed with a small amount of particles and / or bubbles while staying near the inner wall surface, the effect of reducing frictional resistance is enhanced. Can be done.
請求項6記載の本発明は、電力を印加することによりイオン化して溶出する金属材料を、電極に用いたことを特徴とする。
請求項6に記載の本発明によれば、粒子及び気泡を発生させて、対象物の流体による摩擦抵抗を低減できる。
The present invention according to claim 6 is characterized in that a metal material that is ionized and eluted by applying electric power is used for the electrode.
According to the sixth aspect of the present invention, particles and bubbles can be generated to reduce the frictional resistance of the object due to the fluid.
請求項7記載の本発明は、電力として直流を用いたことを特徴とする。
請求項7に記載の本発明によれば、電極に直流を印加して電気分解を行い、粒子及び/又は気泡を発生させることができる。直流を用いる場合は、例えばバッテリーに蓄電した電力を直接利用でき、電力を供給する電源装置も簡素化することが可能である。
The present invention according to claim 7 is characterized in that direct current is used as electric power.
According to the seventh aspect of the present invention, direct current can be applied to the electrodes to perform electrolysis to generate particles and / or bubbles. When direct current is used, for example, the electric power stored in the battery can be directly used, and the power supply device for supplying the electric power can be simplified.
請求項8記載の本発明は、電力として交流を用いたことを特徴とする。
請求項8に記載の本発明によれば、周期的に陽極と陰極を入れ替えて電気分解を行うことができるため、例えば陽極と陰極から粒子及び/又は気泡を発生させることができ、陽極や陰極の消耗や、スケールの付着を低減することができる。
The present invention according to
According to the eighth aspect of the present invention, since the anode and the cathode can be periodically exchanged for electrolysis, particles and / or bubbles can be generated from the anode and the cathode, for example, and the anode and the cathode can be generated. It is possible to reduce the consumption of the scale and the adhesion of the scale .
請求項9に記載の本発明は、流体が水、海水又は水溶液であることを特徴とする。
請求項9に記載の本発明によれば、水、海水又は水溶液に含まれるイオンの作用により電気分解作用を促進し、水、海水又は水溶液と接する対象物の、水、海水又は水溶液による摩擦抵抗を低減できる。
The present invention described in請Motomeko 9, characterized in that the fluid is water, sea water or an aqueous solution.
According to the ninth aspect of the present invention, the electrolysis action is promoted by the action of ions contained in water, seawater or an aqueous solution, and the frictional resistance of an object in contact with water, seawater or an aqueous solution due to water, seawater or an aqueous solution. Can be reduced.
請求項10記載に対応した摩擦抵抗を低減した構造物においては、請求項9に記載の摩擦抵抗低減方法を対象物としての水、海水又は水溶液と接する構造物に適用したことを特徴とする。
請求項10に記載の本発明によれば、水、海水又は水溶液に含まれるイオンの作用により電気分解作用を促進し、水、海水又は水溶液と接する構造物の、水、海水又は水溶液による摩擦抵抗を効果的に低減できる。
The structure having reduced frictional resistance according to
According to the tenth aspect of the present invention, the electrolysis action is promoted by the action of ions contained in water, seawater or an aqueous solution, and the frictional resistance of a structure in contact with water, seawater or an aqueous solution due to water, seawater or an aqueous solution. Can be effectively reduced.
請求項11記載の本発明は、構造物は、船舶の船体であることを特徴とする。
請求項11に記載の本発明によれば、船舶の船体の水、海水又は水溶液による摩擦抵抗を低減できる。また、特に船体の水、海水又は水溶液による摩擦抵抗が大きい部分を選んで、局所的に摩擦抵抗の低減を図ることも可能である。
The present invention according to
According to the eleventh aspect of the present invention, the frictional resistance of the hull of a ship due to water, seawater or an aqueous solution can be reduced. It is also possible to locally reduce the frictional resistance by selecting a portion of the hull that has a large frictional resistance due to water, seawater or an aqueous solution.
請求項12記載の本発明は、構造物は、船舶のプロペラであることを特徴とする。
請求項12に記載の本発明によれば、船舶のプロペラの水、海水又は水溶液による摩擦抵抗を低減できる。また、特にプロペラの水、海水又は水溶液による摩擦抵抗が大きい部分を選んで、局所的に摩擦抵抗の低減を図ることも可能である。
The invention according to
According to the twelfth aspect of the present invention, the frictional resistance of a ship's propeller due to water, seawater or an aqueous solution can be reduced. It is also possible to locally reduce the frictional resistance by selecting a portion of the propeller having a large frictional resistance due to water, seawater or an aqueous solution.
請求項13記載の本発明は、構造物は、配管であることを特徴とする。
請求項13に記載の本発明によれば、配管の水、海水又は水溶液による摩擦抵抗を低減できる。また、特に配管の水、海水又は水溶液による摩擦抵抗が大きい部分を選んで、局所的に摩擦抵抗の低減を図ることも可能である。
The present invention according to
According to the thirteenth aspect of the present invention, the frictional resistance of the pipe due to water, seawater or an aqueous solution can be reduced. It is also possible to locally reduce the frictional resistance by selecting a portion of the pipe that has a large frictional resistance due to water, seawater or an aqueous solution.
請求項14記載に対応した摩擦抵抗低減用の電極形成方法においては、請求項1から請求項9のうちのいずれか1項に記載の摩擦抵抗低減方法に用いる電極の形成方法であって、電極を、導電性材料を用いて対象物の表面に塗布、印刷、又は貼付によって形成したことを特徴とする。
請求項14に記載の本発明によれば、対象物の表面に電極を形成して、対象物の流体による摩擦抵抗を低減できる。
The electrode forming method for reducing frictional resistance according to claim 14 is the electrode forming method used in the frictional resistance reducing method according to any one of
According to the 14th aspect of the present invention, an electrode can be formed on the surface of the object to reduce the frictional resistance of the object due to the fluid.
本発明の摩擦抵抗低減方法によれば、粒子及び/又は気泡が乱流境界層の内部の壁面(対象物の表面)に形成した電極から発生するので、粒子及び/又は気泡は乱流境界層内の内部の壁面近くの領域である粘性底層とバッファー域に直接作用する。したがって、発生した粒子又は気泡が少量であっても、局所的に高い粒子の体積濃度あるいは気泡のボイド率を実現し、乱流を抑制し、対象物の流体による摩擦抵抗を低減できる。また、乱流が抑制されることで乱流境界層内の拡散が小さくなるため、少量の粒子及び/又は気泡であっても内部の壁面近傍に留まりながら流れる。したがって、摩擦抵抗低減効果が高くなる。また、流体の圧力が高い環境下での利用であっても、特別な加圧手段を必要とすることなく、粒子及び/又は気泡を乱流境界層の内部の壁面から発生させることができる。また、電気分解作用による粒子及び/又は気泡の発生量を抑えつつ、対象物の流体による摩擦抵抗を低減できる。 According to the frictional resistance reducing method of the present invention, particles and / or bubbles are generated from electrodes formed on the inner wall surface (surface of the object) of the turbulent boundary layer, so that the particles and / or bubbles are generated from the turbulent boundary layer. It acts directly on the viscous bottom layer and buffer area, which is the area near the inner wall surface. Therefore, even if the amount of generated particles or bubbles is small, it is possible to locally realize a high volume concentration of particles or a void ratio of bubbles, suppress turbulence, and reduce frictional resistance due to the fluid of the object. Further, since the diffusion in the turbulent boundary layer is reduced by suppressing the turbulent flow, even a small amount of particles and / or bubbles flow while staying near the inner wall surface. Therefore, the effect of reducing frictional resistance is enhanced. Further, even when used in an environment where the pressure of the fluid is high, particles and / or bubbles can be generated from the inner wall surface of the turbulent boundary layer without requiring special pressurizing means. Further, it is possible to reduce the frictional resistance due to the fluid of the object while suppressing the amount of particles and / or bubbles generated by the electrolysis action.
また、電力の印加時における電極の陽極と陰極との間に形成される電気力線が、流体の流線と交差するように陽極と陰極を配置した場合には、電極を流体の流線に対し平行に設置することができる。 Further, when the anode and the cathode are arranged so that the electric power line formed between the anode and the cathode of the electrode when power is applied intersects the streamline of the fluid, the electrode becomes the streamline of the fluid. It can be installed parallel to the other.
また、電力の印加時における電極の陽極と陰極との間に形成される電気力線が、流体の流線と平行となるように陽極と陰極を配置した場合には、電極を流体の流線に対して垂直に設置することができる。 Further, when the anode and the cathode are arranged so that the electric lines of force formed between the anode and the cathode of the electrode when power is applied are parallel to the streamline of the fluid, the electrode is the streamline of the fluid. Can be installed perpendicular to.
また、複数個の電極を対象物の表面に形成し、摩擦抵抗の低減を図る対象物の流体と接する部分全体を複数個の電極で覆った場合には、対象物の流体と接する部分全体を少量の粒子及び/又は気泡で内部の壁面近傍に留まりながら流すことができるため、摩擦抵抗低減効果を大きくすることができる。 Further, when a plurality of electrodes are formed on the surface of the object to reduce the frictional resistance and the entire portion of the object in contact with the fluid is covered with the plurality of electrodes, the entire portion of the object in contact with the fluid is covered. Since a small amount of particles and / or air bubbles can flow while staying near the inner wall surface, the effect of reducing frictional resistance can be enhanced.
また、電力を印加することによりイオン化して溶出する金属材料を、電極に用いた場合には、粒子及び気泡を発生させて、対象物の流体による摩擦抵抗を低減できる。 Further, when a metal material that is ionized and eluted by applying electric power is used for the electrode, particles and bubbles can be generated to reduce the frictional resistance due to the fluid of the object.
また、電力として直流を用いた場合には、電極に直流を印加して電気分解を行い、粒子及び/又は気泡を発生させることができる。直流を用いる場合は、例えばバッテリーに蓄電した電力を直接利用でき、電力を供給する電源装置も簡素化することが可能である。 When direct current is used as electric power, direct current can be applied to the electrodes to perform electrolysis to generate particles and / or bubbles. When direct current is used, for example, the electric power stored in the battery can be directly used, and the power supply device for supplying the electric power can be simplified.
また、電力として交流を用いた場合には、周期的に陽極と陰極を入れ替えて電気分解を行うことができるため、例えば陽極と陰極から粒子及び/又は気泡を発生させることができ、陽極や陰極の消耗や、スケールの付着を低減することができる。 Further, when alternating current is used as electric power, the anode and the cathode can be periodically exchanged to perform electrolysis, so that particles and / or bubbles can be generated from the anode and the cathode, for example, and the anode and the cathode can be generated. It is possible to reduce the consumption of the scale and the adhesion of the scale.
また、流体の流速又は電極の没水状態に応じて、電力を制御するため、対象物の摩擦抵抗は流体の流速によって増減するので、流体の流速に応じて又は電極の没水状態に応じて電力を制御して粒子及び/又は気泡の発生量を調節することで、効果的に対象物の流体による摩擦抵抗を低減できる。 Further, since the electric power is controlled according to the flow velocity of the fluid or the submerged state of the electrode, the frictional resistance of the object increases or decreases depending on the flow velocity of the fluid. By controlling the electric power to adjust the amount of particles and / or the amount of bubbles generated, the frictional resistance of the object due to the fluid can be effectively reduced.
また、乱流境界層の厚さに応じて、電力を制御するため、乱流境界層の厚さに応じて電力を制御して粒子及び/又は気泡の発生量を調節することで、効果的に対象物の流体による摩擦抵抗を低減できる。 Further, since the electric power is controlled according to the thickness of the turbulent boundary layer, it is effective to control the electric power according to the thickness of the turbulent boundary layer to adjust the amount of particles and / or bubbles generated. In addition, the frictional resistance due to the fluid of the object can be reduced .
また、流体が水、海水又は水溶液である場合には、水、海水又は水溶液に含まれるイオンの作用により電気分解作用を促進し、水、海水又は水溶液と接する対象物の、水、海水又は水溶液による摩擦抵抗を低減できる。 Also, when the fluid is water, sea water or aqueous solution, water, promotes electrolytic action by the action of ions contained in sea water or an aqueous solution, of an object in contact water, seawater or an aqueous solution, water, seawater or The frictional resistance due to the aqueous solution can be reduced.
また、摩擦抵抗低減方法を対象物としての水、海水又は水溶液と接する構造物に適用した場合には、水、海水又は水溶液に含まれるイオンの作用により電気分解作用を促進し、水、海水又は水溶液と接する構造物の、水、海水又は水溶液による摩擦抵抗を効果的に低減できる。 Further, when the frictional resistance reducing method is applied to a structure in contact with water, seawater or an aqueous solution as an object, the electrolysis action is promoted by the action of ions contained in water, seawater or an aqueous solution, and water, seawater or water or seawater or The frictional resistance of a structure in contact with an aqueous solution due to water, seawater or an aqueous solution can be effectively reduced.
また、構造物が船舶の船体である場合には、船舶の船体の水、海水又は水溶液による摩擦抵抗を低減できる。また、特に船体の水、海水又は水溶液による摩擦抵抗が大きい部分を選んで、局所的に摩擦抵抗の低減を図ることも可能である。 Further, when the structure is the hull of a ship, the frictional resistance of the hull of the ship due to water, seawater or an aqueous solution can be reduced. It is also possible to locally reduce the frictional resistance by selecting a portion of the hull that has a large frictional resistance due to water, seawater or an aqueous solution.
また、構造物が船舶のプロペラである場合には、船舶のプロペラの水、海水又は水溶液による摩擦抵抗を低減できる。また、特にプロペラの水、海水又は水溶液による摩擦抵抗が大きい部分を選んで、局所的に摩擦抵抗の低減を図ることも可能である。 Further, when the structure is a ship propeller, the frictional resistance of the ship propeller due to water, seawater or an aqueous solution can be reduced. It is also possible to locally reduce the frictional resistance by selecting a portion of the propeller having a large frictional resistance due to water, seawater or an aqueous solution.
また、構造物が配管である場合には、配管の水、海水又は水溶液による摩擦抵抗を低減できる。また、特に配管の水、海水又は水溶液による摩擦抵抗が大きい部分を選んで、局所的に摩擦抵抗の低減を図ることも可能である。 Further, when the structure is a pipe, the frictional resistance of the pipe due to water, seawater or an aqueous solution can be reduced. It is also possible to locally reduce the frictional resistance by selecting a portion of the pipe that has a large frictional resistance due to water, seawater or an aqueous solution.
また、電極を、導電性材料を用いて対象物の表面に塗布、印刷、又は貼付によって形成した場合には、対象物の表面に電極を形成して、対象物の流体による摩擦抵抗を低減できる。 Further, when the electrode is formed by coating, printing, or pasting on the surface of the object using a conductive material, the electrode can be formed on the surface of the object to reduce the frictional resistance due to the fluid of the object. ..
以下に、本発明の実施形態による摩擦抵抗低減方法、摩擦抵抗を低減した構造物、及び摩擦抵抗低減用の電極形成方法について説明する。 Hereinafter, a method for reducing frictional resistance, a structure for reducing frictional resistance, and a method for forming electrodes for reducing frictional resistance according to the embodiment of the present invention will be described.
図1は本発明の一実施形態による摩擦抵抗低減方法を適用した船舶を示す概略構成図、図2は同摩擦抵抗低減方法に用いる電極の模式図である。
流体Xによる摩擦抵抗の低減を図る対象物としての構造物は、船舶10の船体11である。船舶10は、図1において白抜き矢印で示す方向に航行している。流体Xは、水、海水又は水溶液である。構造物である船体11は、流体X(水、海水又は水溶液)と接する。
船舶10が航行する際には、構造物である船体11の外板表面のうち水中に没する部分に乱流境界層が形成される。乱流境界層は、船体11の外板表面に近いほうから順に、粘性底層、バッファー域、対数則域と称される領域を有する。粘性底層及びバッファー域は、両者を合わせて概ね数十μmから数百μm程度である。
例えば、実船を対象として計算で求めた粘性底層及びバッファー域の計算結果としては、船長L=300m、船速12ktで約270μm(タンカー等大型外航船が相当)、L=300m、24ktで、約150μm(コンテナ船など大型高速外航船が相当)、L=70m、10ktで、約270μm(小型内航貨物船)であった。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a ship to which the frictional resistance reducing method according to the embodiment of the present invention is applied, and FIG. 2 is a schematic diagram of electrodes used in the frictional resistance reducing method.
The structure as an object for reducing the frictional resistance due to the fluid X is the
When the
For example, the calculation results of the viscous bottom layer and buffer area calculated for an actual ship are as follows: Captain L = 300 m,
船体11の外板表面のうち、流体Xと接する部分(喫水線Y以下の部分)には、長手方向が水平方向となるように形成された複数個の電極20が設けられている。それぞれの電極20は、陽極21と陰極22とで構成される。陽極21及び陰極22は、一端が船首部12側に位置し、他端が船尾部13側に位置する。このように、船体11は、その外板表面のうち流体Xと接する部分(喫水線Y以下の部分)全体が、複数個の電極20によって覆われている。なお、陽極21及び陰極22は、船首部12側から船尾部13側まで各々1本の電極でなく、複数個に分かれていても良い。また、船体11の外板表面のうち摩擦抵抗の大きい部分のみに電極20を形成することもできる。
電極20には電源装置30が接続されている。電源装置30の電力としては直流を用いる。直流を用いる場合は、バッテリーに蓄電した電力を直接利用でき、また電源装置30も簡素化できる利点を有する。電源装置30は制御装置40によって電力の供給が制御される。なお、電源装置30の電力として交流を用いることも可能であり、この場合は、周期的に陽極と陰極を入れ替えて電気分解を行うことができる。交流を用いる場合は、陽極と陰極から粒子及び/又は気泡を発生させることができ、また、陽極や陰極の消耗や、スケールの付着を低減することができる。
A plurality of
A
図2は、電極20の模式図である。黒矢印は流体の流れ方向を示す。
電極20の陽極21と陰極22は、電力の印加時における陽極21と陰極22との間に形成される電気力線Fが、流体Xの流線Zと交差するように配置されている。
電極20には、電力を印加することによりイオン化して溶出する金属材料を用いる。例えば、粒子を発生する金属材料として、Ag(銀)、Sn(スズ)、Zn(亜鉛)、はんだ、バビットメタル等があり、酸素及び水素を発生させる金属材料として、Ag、Sn、Zn、はんだ、バビットメタル等に加えて、Fe(鉄)、Ni(ニッケル)、Be(ベリリウム)、Pt(白金)、Co(コバルト)、Ir(イリジウム)、Au(金)、Pd(パラジウム)、Cd(カドミウム)、Ru(ルテニウム)、Cu(銅)、In(インジウム)、W(タングステン)、Mo(モリブデン)、Al(アルミニウム)、Pb(鉛)、Rh(ロジウム)、Cr(クロム)等の導電性金属と、真鍮、青銅、ステンレス等の合金、アルミ合金等の導電性の合金がある。このような金属材料を用いることによって粒子及び気泡を発生させることができる。なお、粒子を発生しない材料を用いて気泡だけを発生させてもよい。
電極20は、船体11の表面に導電性塗料を塗布することによって形成する。導電性塗料の塗布によって電極20を形成することで、凹凸を少なくし、電極20自身が抵抗増加の原因となることを防止できる。なお、塗布に代えて、印刷、貼付、又は埋め込みによって形成することも可能である。ここで、印刷には、3Dプリンタを用いた形成も含む。また、導電性塗料に代えて、導電性樹脂又はカーボンを使用することも可能である。
FIG. 2 is a schematic view of the
The
For the
The
電源装置30により電極20に電力が印加されると流体Xが電気分解され、陽極21から酸素及び粒子が発生し、陰極22から水素が発生する。
電極20は、船体11の外板表面(乱流境界層内の内部の壁面)に形成されているので、発生した粒子、また酸素及び水素は気泡となって、乱流境界層内の粘性底層及びバッファー域に直接作用する。このように、電気分解作用により発生する粒子及び気泡を乱流境界層の内部の壁面である船体11の表面から作用させることによって、局所的に高い粒子の体積濃度あるいは気泡のボイド率を実現し、乱流を抑制し、船体11の摩擦抵抗を低減させる。また、乱流が抑制されるため、乱流境界層内の気泡及び粒子の拡散が小さくなり、ごく少量の気泡又は粒子であっても、内部の壁面近傍に留まりながら後方に流れる。そのため、高い抵抗低減効果が得られる。
このように、少量の気泡又は粒子であっても摩擦抵抗低減効果を十分に得ることができるので、粒子及び気泡の発生量を少なくして電力消費量を抑えるために、電気分解作用により発生する粒子の体積濃度を1.0E−8%以下1.0E−6%以上及び気泡のボイド率を2%以下0.0001%以上とすることが好ましい。但し、粒子及び気泡の発生量をより重視する場合には、体積濃度を1.0E−7%台に、またボイド率を2%未満0.001%以上とすることが好ましい。
なお、後出の実験における、電気分解作用により発生する粒子の体積濃度を計算した結果、2.55E−7%〜6.12E−7%であった。
粒子の体積濃度がボイド率よりも数値的に低くて済む理由は、粒子の場合は細長い帯状となることが予測され、気泡の場合の球形に比べて体積的に小さくても長さが長いため、乱流の抑制に効果があるものと推定される。
When electric power is applied to the
Since the
As described above, since the effect of reducing frictional resistance can be sufficiently obtained even with a small amount of bubbles or particles, it is generated by electrolysis in order to reduce the amount of particles and bubbles generated and the power consumption. It is preferable that the volume concentration of the particles is 1.0E-8% or less and 1.0E-6% or more, and the void ratio of the bubbles is 2% or less and 0.0001% or more. However, when the amount of particles and bubbles generated is more important, the volume concentration is preferably in the 1.0E-7% range, and the void ratio is preferably less than 2% and 0.001% or more.
As a result of calculating the volume concentration of the particles generated by the electrolysis action in the experiment described later, it was 2.55E-7% to 6.12E-7%.
The reason why the volume concentration of particles is numerically lower than the void ratio is that particles are expected to have an elongated band shape, and even if they are smaller in volume than spherical shapes in the case of bubbles, they are longer. , It is presumed that it is effective in suppressing turbulence.
制御装置40は、流量検出手段(流速センサ等)によって計測された流体Xの流速に応じて、電源装置30の電力を制御する。船体11の摩擦抵抗は流体Xの流速によって増減するので、流体Xの流速に応じて電力を制御して粒子及び/又は気泡の発生量を調節することで、効率的に船体11の摩擦抵抗を低減できる。すなわち、流速が速くなれば粒子及び/又は気泡の発生量を増し、流速が遅くなれば粒子及び/又は気泡の発生量を減らすことにより、効率的に摩擦抵抗の低減が図れる。
また、制御装置40は、船体11の喫水や姿勢に応じた電極20の没水状態に応じて、電源装置30の電力を制御する。船体11の摩擦抵抗は没水状態によって増減するので、電極20の没水状態に応じて電力を制御して粒子及び/又は気泡の発生量を調節することで、効率的に船体11の摩擦抵抗を低減できる。没水状態の検出には、喫水計や傾斜計等の他に電極20自身を用いてもよい。また、電極20の一部の周辺が水に漬からずに乾いている状態では、電力をかけても電流が流れないため、自動的に電力を制御して粒子及び/又は気泡の発生量を調整することも可能である。
なお、制御装置40は、乱流境界層の厚さに応じて、電源装置30の電力を制御してもよい。乱流境界層の厚さは、船体11の前縁からの位置、船速、及び水温を計測し、その計測値から、例えば、Karman−Schoenherrの抵抗係数式、対数速度分布式を用いて概算できる。したがってこの場合は、演算手段(パーソナルコンピュータ等)が、船体11の前縁からの位置を検出する位置検出手段、船速を計測する船速計測手段、及び水温を計測する水温計測手段によって得られた各値に基づいて乱流境界層の厚さを算出し、制御装置40は、その算出された乱流境界層の厚さに応じて電力を制御する。
The
Further, the
The
次に図3及び図4を用いて本発明の他の実施形態による摩擦抵抗低減方法、摩擦抵抗を低減した構造物、及び摩擦抵抗低減用の電極形成方法について説明する。
図3は本実施形態による摩擦抵抗低減方法を適用した船舶を示す概略構成図、図4は同摩擦抵抗低減方法に用いる電極の模式図である。
本実施形態は、長手方向が鉛直方向となるように形成された複数個の電極120が設けられている点において上記の実施形態と異なる。それ以外の構成は上記の実施形態と同じである。なお、上記した実施形態と同一機能部材には同一符号を付して説明を省略する。
それぞれの電極120は、陽極121と陰極122とで構成される。陽極121及び陰極122は、一端が喫水線Y側に位置し、他端が船底側に位置する。このように、船体11は、その外板表面のうち流体Xと接する部分(喫水線Y以下の部分)全体が、複数個の電極120によって覆われている。外表面が複雑な形状で、局所的な摩擦抵抗が異なる場合、気泡による摩擦抵抗低減を重視するときは、陰極122の方が気泡の発生量が多くなるため陰極122を摩擦抵抗の大きい部分に適用した方がよい。また、粒子による摩擦抵抗低減を重視するときは、陽極121を摩擦抵抗の大きい部分に適用した方がよい。
Next, a method for reducing frictional resistance, a structure for reducing frictional resistance, and a method for forming electrodes for reducing frictional resistance according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 3 and 4.
FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing a ship to which the friction resistance reduction method according to the present embodiment is applied, and FIG. 4 is a schematic diagram of electrodes used in the friction resistance reduction method.
The present embodiment is different from the above-described embodiment in that a plurality of
Each
図4は、電極120の模式図である。黒矢印は流体の流れ方向を示す。
電極120の陽極121と陰極122は、電力の印加時における陽極121と陰極122との間に形成される電気力線Fが、流体Xの流線Zと平行となるように配置されている。
FIG. 4 is a schematic view of the
The
電源装置30により電極120に電力が印加されると流体Xが電気分解され、陽極121から酸素及び粒子が発生し、陰極122から水素が発生する。
電極120は、船体11の外板表面(乱流境界層内の内部の壁面)に形成されているので、発生した酸素及び水素は気泡となって、乱流境界層内の粘性底層及びバッファー域に直接作用する。
When electric power is applied to the
Since the
電極120には、上記した実施形態の電極20と同様の金属材料を用いることができる。また、電極120は、上記した実施形態の電極20と同様に、塗布、印刷、貼付、又は埋め込みによって形成できる。
For the
次に図5を用いて本発明の更に他の実施形態による摩擦抵抗低減方法、摩擦抵抗を低減した構造物、及び摩擦抵抗低減用の電極形成方法について説明する。
図5は本実施形態による摩擦抵抗低減方法を適用した船舶を示す概略構成図である。
本実施形態は、千鳥状(網目状)に形成された複数個の電極220が設けられている点において上記の実施形態と異なる。それ以外の構成は上記の実施形態と同じである。なお、上記した実施形態と同一機能部材には同一符号を付して説明を省略する。
それぞれの電極220は、陽極221と陰極222とで構成される。電極220は、矩形である。船体11は、その外板表面のうち流体Xと接する部分(喫水線Y以下の部分)全体が、複数個の電極220によって覆われている。
Next, a method for reducing frictional resistance, a structure for reducing frictional resistance, and a method for forming electrodes for reducing frictional resistance according to still another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 5 is a schematic configuration diagram showing a ship to which the frictional resistance reduction method according to the present embodiment is applied.
This embodiment is different from the above-described embodiment in that a plurality of electrodes 220 formed in a staggered shape (mesh shape) are provided. Other than that, the configuration is the same as that of the above embodiment. The same functional members as those in the above-described embodiment are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
Each electrode 220 is composed of an
電源装置30により電極220に電力が印加されると流体Xが電気分解され、陽極221から酸素及び粒子が発生し、陰極222から水素が発生する。
電極220は、船体11の外板表面(乱流境界層内の内部の壁面)に形成されているので、発生した酸素及び水素は気泡となって、乱流境界層内の粘性底層及びバッファー域に直接作用する。
When electric power is applied to the electrode 220 by the
Since the electrode 220 is formed on the outer surface of the hull 11 (the inner wall surface in the turbulent boundary layer), the generated oxygen and hydrogen become bubbles, and the viscous bottom layer and the buffer area in the turbulent boundary layer Acts directly on.
電極220には、上記した実施形態の電極20、120と同様の金属材料を用いることができる。また、電極220は、上記した実施形態の電極20、120と同様に、塗布、印刷、貼付、又は埋め込みによって形成できる。
For the electrode 220, the same metal material as the
次に図6を用いて本発明の更に他の実施形態による摩擦抵抗低減方法、摩擦抵抗を低減した構造物、及び摩擦抵抗低減用の電極形成方法について説明する。
図6(a)は本実施形態による摩擦抵抗低減方法を適用した船舶を示す概略構成図、図6(b)及び図6(c)は同摩擦抵抗低減方法に用いる電極の模式図である。
本実施形態は、千鳥状(網目状)に形成された複数個の電極320が設けられ、電極320に接続された電源装置130は、制御装置140によって電極320への電力供給が個別に制御される点において上記の実施形態と異なる。それ以外の構成は上記の実施形態と同じである。なお、上記した実施形態と同一機能部材には同一符号を付して説明を省略する。
それぞれの電極320は、矩形である。船体11は、その外板表面のうち流体Xと接する部分(喫水線Y以下の部分)全体が、複数個の電極320によって覆われている。
船体11の喫水線Y以下の表面を千鳥状(網目状)に覆うように形成された電極320への電力供給を制御することにより、様々な電極パターンを実施することができる。すなわち、電力供給される電極320を任意に選択することで、複数個の電極320の集合体としての見かけの電極形状を変更できる。
Next, a method for reducing frictional resistance, a structure for reducing frictional resistance, and a method for forming electrodes for reducing frictional resistance according to still another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 6A is a schematic configuration diagram showing a ship to which the frictional resistance reduction method according to the present embodiment is applied, and FIGS. 6B and 6C are schematic views of electrodes used in the frictional resistance reduction method.
In the present embodiment, a plurality of
Each
Various electrode patterns can be implemented by controlling the power supply to the
電源装置130により電極320に電力が印加されると流体Xが電気分解され、陽極から酸素及び粒子が発生し、陰極から水素が発生する。
電極320は、船体11の外板表面(乱流境界層内の内部の壁面)に形成されているので、発生した酸素及び水素は気泡となって、乱流境界層内の粘性底層及びバッファー域に直接作用する。
When electric power is applied to the
Since the
電極320には、上記した実施形態の電極20、120、220と同様の金属材料を用いることができる。また、電極320は、上記した実施形態の電極20、120、220と同様に、塗布、印刷、貼付、又は埋め込みによって形成できる。
また、電極320の形状としては、図6(b)に示すような渦巻き型電極や図6(c)に示すような櫛型電極を用いてもよい。図6(b)に示す渦巻き型電極や図6(c)に示す櫛型電極では、陽極321と陰極322が比較的均一に分布できるため、粒子や気泡の発生も比較的均一化が図れる。
For the
Further, as the shape of the
次に図7を用いて本発明の更に他の実施形態による摩擦抵抗低減方法、摩擦抵抗を低減した構造物、及び摩擦抵抗低減用の電極形成方法について説明する。
図7は本実施形態による摩擦抵抗低減方法を用いる船体11の部分水平断面図であり、図中に電極を模式的に示している。なお、一点鎖線Aは船体中心線である。
本実施形態は、上記した電極20、120、220、320を、船体11の表面11aの表層に埋め込むことによって船体11の表面11aと同一面に形成している点において上記の実施形態と異なる。それ以外の構成は上記の実施形態と同じである。なお、上記した実施形態と同一機能部材には同一符号を付して説明を省略する。
それぞれの電極20、120、220、320は、船体11の表面11aと同一面に形成されるので、船体11の表面11aには、電極20、120、220、320が形成されても凹凸が生じない。したがって、電極20、120、220、320を船体11の表面11aに形成することで電極20、120、220、320自身が抵抗増加の原因となってしまうことを更に防止できる。電極20、120、220、320は、船体11を構成する材料の中に埋め込んでもよいし、陽極21、121、221、321と陰極22、122、222、322間を絶縁材料で埋めて同一面に構成してもよい。
また、電極20、120、220、320を乱流境界層の粘性底層以下に船体11の表面から突出して形成してもよい。この場合、船体11から電極20、120、220、320の突出があっても摩擦抵抗の増加への影響は実質的に無いため、電極20、120、220、320自身が抵抗増加の原因となってしまうことを更に防止できる。
Next, a method for reducing frictional resistance, a structure for reducing frictional resistance, and a method for forming electrodes for reducing frictional resistance according to still another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 7.
FIG. 7 is a partial horizontal cross-sectional view of the
This embodiment differs from the above embodiment in that the
Since the
Further, the
次に図8を用いて本発明の更に他の実施形態による摩擦抵抗低減方法、摩擦抵抗を低減した構造物、及び摩擦抵抗低減用の電極形成方法について説明する。
図8は本実施形態による摩擦抵抗低減方法を適用したプロペラを示す概略構成図である。
本実施形態は、千鳥状(網目状)に形成された複数個の電極420が、プロペラ50の表面に設けられている。それ以外の構成は上記の実施形態と同じである。なお、上記した実施形態と同一機能部材には同一符号を付して説明を省略する。
それぞれの電極420は矩形であり、陽極421と陰極422で構成される。プロペラ50は、その表面が複数個の電極420によって覆われている。
Next, a method for reducing frictional resistance, a structure for reducing frictional resistance, and a method for forming electrodes for reducing frictional resistance according to still another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 8 is a schematic configuration diagram showing a propeller to which the frictional resistance reducing method according to the present embodiment is applied.
In this embodiment, a plurality of
Each
電源装置30、130により電極420に電力が印加されると流体Xが電気分解され、陽極421から酸素及び粒子が発生し、陰極422から水素が発生する。
電極420は、プロペラ50の表面(乱流境界層内の内部の壁面)に形成されているので、発生した酸素及び水素は気泡となって、乱流境界層内の粘性底層及びバッファー域に直接作用する。
When electric power is applied to the
Since the
電極420には、上記した実施形態の電極20、120、220、320と同様の金属材料を用いることができる。また、電極420は、上記した実施形態の電極20、120、220、320と同様に、塗布、印刷、貼付、又は埋め込みによって形成できる。
電極420は、プロペラ50のうちの、特に摩擦抵抗が大きくなる部分に選択的に設けてもよい。
For the
The
次に図9を用いて本発明の更に他の実施形態による摩擦抵抗低減方法、摩擦抵抗を低減した構造物、及び摩擦抵抗低減用の電極形成方法について説明する。
図9は本実施形態による摩擦抵抗低減方法を適用した配管を示す概略構成図である。
本実施形態は、千鳥状(網目状)に形成された複数個の電極520が、配管60の内表面に形成されている。それ以外の構成は上記の実施形態と同じである。なお、上記した実施形態と同一機能部材には同一符号を付して説明を省略する。
それぞれの電極520は矩形であり、陽極521と陰極522で構成される。配管60は、その内表面が複数個の電極520によって覆われている。
Next, a method for reducing frictional resistance, a structure for reducing frictional resistance, and a method for forming electrodes for reducing frictional resistance according to still another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 9 is a schematic configuration diagram showing a pipe to which the frictional resistance reducing method according to the present embodiment is applied.
In this embodiment, a plurality of
Each
電源装置30、130により電極520に電力が印加されると流体Xが電気分解され、陽極521から酸素及び粒子が発生し、陰極522から水素が発生する。
電極520は、配管60の内表面(乱流境界層内の内部の壁面)に形成されているので、発生した酸素及び水素は気泡となって、乱流境界層内の粘性底層及びバッファー域に直接作用する。配管60の場合、不凍液や汚水等の水に各種の物質が混入した水溶液を取り扱うことが多い。
When electric power is applied to the
Since the
電極520には、上記した実施形態の電極20、120、220、320、420と同様の金属材料を用いることができる。また、電極520は、上記した実施形態の電極20、120、220、320、420と同様に、塗布、印刷、貼付、又は埋め込みによって形成できる。
電極520は、配管60のうちの、特に曲がり部や分岐部、急縮小部、急拡大部等の摩擦抵抗が大きくなる部分に選択的に設けてもよい。また、エルボ、ベンド、チーズ、レデューサ等の配管材料も配管のうちに入るものとする。
As the
The
(実験)
本発明に関する実験結果について以下に説明する。
図10は実験に用いた小型高速流路の全体図である。本装置は、供試流体をポンプにより駆動し、拡大縮流部で整流を行うことで、試験部で二次元流れ(平行平板間の流れ)を実現するものである。試験部は透明なアクリル製であり、矩形断面(チャネル)を持つ。その主要寸法を表1に示す。試験部では、その断面形状から流速が大きくなると流れは完全発達した乱流となる。また試験部の上部には主流方向に500mm間隔で計5ヶ所の計測窓があり、せん断力計などを取り付けた計測蓋を設置することが可能となっている。
(Experiment)
The experimental results relating to the present invention will be described below.
FIG. 10 is an overall view of the small high-speed flow path used in the experiment. This device realizes a two-dimensional flow (flow between parallel plates) in the test section by driving the test fluid with a pump and performing rectification in the expansion / contraction section. The test section is made of transparent acrylic and has a rectangular cross section (channel). The main dimensions are shown in Table 1. In the test section, the flow becomes a fully developed turbulent flow when the flow velocity increases due to its cross-sectional shape. In addition, there are a total of 5 measurement windows at intervals of 500 mm in the mainstream direction at the top of the test unit, and it is possible to install a measurement lid with a shear force meter attached.
本実験では壁面近傍でのデータレートの向上のために、電解沈殿法により電気分解の際に生じる不溶性の沈殿物を直接壁面から溶出させトレーサーとして供給する方法を用いた。
電解沈殿法は、水を電気分解する際に陽極から発生する不溶性の沈殿物をトレーサーとする可視化手法である。スズ、亜鉛、ハンダ、バビットメタルなどの金属を陽極とすると、酸素を発生させずして白色の微粒子の雲を発生させることができる(石井幸治:流れの可視化技術のまとめ,九州大学応用力学研究所技術職員技術レポート,第8号,2007,pp.142-166.)。
電解沈殿法用の電極を計測蓋に施工した。図11に施工した計測蓋の計測面側を示す。陽極は試験部の幅方向の中心になるように施工されており、陰極はレーザードップラー流速計(LDV(Laser Doppler Velocimetry))のレーザー光線を妨げないよう、プローブを設置する反対側に施工した。
数cm/sの流れにおいて沈殿物を発生させている様子を図12に示す。
In this experiment, in order to improve the data rate near the wall surface, a method was used in which the insoluble precipitate generated during electrolysis by the electrolytic precipitation method was eluted directly from the wall surface and supplied as a tracer.
The electrolytic precipitation method is a visualization method using an insoluble precipitate generated from an anode when electrolyzing water as a tracer. When metals such as tin, zinc, solder, and babbitt are used as anodes, it is possible to generate clouds of white fine particles without generating oxygen (Koji Ishii: Summary of Flow Visualization Technology, Kyushu University Applied Mechanics Research) Technical Report, No. 8, 2007, pp.142-166.).
An electrode for the electrolytic precipitation method was attached to the measuring lid. FIG. 11 shows the measurement surface side of the measurement lid constructed. The anode was installed so as to be the center in the width direction of the test part, and the cathode was installed on the opposite side where the probe was installed so as not to interfere with the laser beam of the laser Doppler Velocimetry (LDV).
FIG. 12 shows how a precipitate is generated in a flow of several cm / s.
電極は壁面から沈殿物を溶出させるため、また流れを乱さないよう施工面となるべく平滑にするため、導電性銀塗料を塗布することにより製作した。製作した陽極の下流側の高さ分布を図12に示す。施工面に対して電極表面の高さは50μm程度だが、端部はそれよりも高く、特に下流端は200μm程度の高さとなっていることが分かる。端部が高くなっているのは塗布時のマスキングテープに起因するものである。 The electrodes were manufactured by applying a conductive silver paint in order to elute the precipitate from the wall surface and to make the construction surface as smooth as possible so as not to disturb the flow. The height distribution on the downstream side of the manufactured anode is shown in FIG. The height of the electrode surface with respect to the construction surface is about 50 μm, but it can be seen that the height of the end is higher than that, especially the downstream end is about 200 μm. The raised edges are due to the masking tape at the time of application.
レーザードップラー流速計はレーザー光線を交差させ形成された測定体積を通過する微小粒子の散乱光のドップラー周波数変化を測定し、流体の流速を計測する手法である。非接触で測定ができ、空間分解能、時間分解能が高い、絶対測定が可能などの特徴を持っている(レーザー計測ハンドブック編集委員会編:レーザー計測ハンドブック, 1998, pp.159-161.)。ここで、小型高速流路に整備されているLDVシステムを表2に示す。このシステムでは2次元の計測も可能だが、本実験では壁面近傍を計測する際、高さ方向の流速を計測するレーザー光線を計測位置に差し込むことが難しいため1次元で計測を行った。プローブはトラバーサーに設置され、高さ方向に最小0.01mm間隔でトラバースさせた。 The laser Doppler velvet is a method of measuring the flow velocity of a fluid by measuring the Doppler frequency change of scattered light of fine particles passing through a measurement volume formed by crossing laser beams. It has features such as non-contact measurement, high spatial resolution and time resolution, and absolute measurement (Laser Measurement Handbook Editorial Committee: Laser Measurement Handbook, 1998, pp.159-161.). Here, Table 2 shows the LDV system installed in the small high-speed flow path. Two-dimensional measurement is possible with this system, but in this experiment, when measuring the vicinity of the wall surface, it was difficult to insert a laser beam that measures the flow velocity in the height direction into the measurement position, so the measurement was performed in one dimension. The probe was placed on the traverser and traversed in the height direction at a minimum interval of 0.01 mm.
次に実験手法を説明する。
電極を施工した計測蓋を上流から3つ目の計測窓に設置した。計測部の概要図を図13に示す。LDV計測は幅方向の中心において陽極の下流端の3mm 下流(Pos.1)、また下流端からL/4=23mm上流の位置(Pos.2)で流路内の上面y=0mmから高さ方向の中心y=10mmまでの主流方向の流速分布を計測した。図10のように縮流部下流端をx=0mmとするとPos.1はx=1621mm、x=1596.5mmである。計測の様子を図15に示す。
Next, the experimental method will be described.
The measuring lid with the electrodes was installed in the third measuring window from the upstream. A schematic diagram of the measuring unit is shown in FIG. LDV measurement is performed at the center in the width direction, 3 mm downstream (Pos.1) of the downstream end of the anode, and L / 4 = 23 mm upstream position (Pos.2) from the downstream end, and the height from the upper surface y = 0 mm in the flow path. The flow velocity distribution in the mainstream direction up to the center of the direction y = 10 mm was measured. As shown in FIG. 10, when the downstream end of the condensing portion is x = 0 mm, Pos.1 is x = 1621 mm and x = 1596.5 mm. The state of measurement is shown in FIG.
次に計測結果を説明する。
まずPos.1での計測結果について述べる。計測条件を表3に示す。Pos.1-Flatは電極を施工していないケース、Pos.1-0.00A/mは電極が施工されているが電流を流していないケース、Pos.1-0.23A/m、Pos.1-0.40A/m、Pos.1-0.56A/mはそれぞれ電圧(Volt.)を20、30、40Vかけたケースである。0.00A/m、0.23A/m、0.40A/m、0.56A/mはそれぞれ流した電流を電極の長さL=86mmで除した値である。Um(m/s)は断面内平均流速で、Pos.1-FlatとPos.1-0.00A/mではLDV計測結果から求めた値、Pos.1-0.23A/m、Pos.1-0.40A/m、Pos.1-0.56A/mでは平均流速分布の変化が大きかったためPos.1-0.00A/mと同じ値を用いた。T(deg.)は水温で、RemはUmとチャネルの高さ2δで無次元化されたバルクレイノルズ数(Rem= Um(2δ)/ν, ν(m2/s):動粘性係数)である。平行平板間の流れはRem=3000程度から乱流に遷移するため、計測条件は完全発達した乱流であることがわかる。Reτは壁面摩擦速度uτ、チャネルの半高さδで無次元化されたレイノルズ数(Reτ= uτ(δ)/ν)である。摩擦速度uτ(m/s)はDeanの式(R. B. Dean : Reynolds number dependence of skin friction and other bulk flow variables in two-dimensional rectangular duct flow, ASME Trans. J. Fluids Eng, 100, 215, 1978)(cf=0.073×Rem-0.25)から算出した。
Next, the measurement results will be described.
First, the measurement results at Pos.1 will be described. The measurement conditions are shown in Table 3. Pos.1-Flat is the case where the electrode is not installed, Pos.1-0.00A / m is the case where the electrode is installed but no current is flowing, Pos.1-0.23A / m, Pos.1- 0.40A / m and Pos.1-0.56A / m are cases where the voltage (Volt.) Is applied to 20, 30, and 40V, respectively. 0.00A / m, 0.23A / m, 0.40A / m, and 0.56A / m are the values obtained by dividing the applied current by the electrode length L = 86mm. Um (m / s) is the average flow velocity in the cross section, and for Pos.1-Flat and Pos.1-0.00A / m, the values obtained from the LDV measurement results, Pos.1-0.23A / m, Pos.1-0.40 At A / m and Pos.1-0.56A / m, the change in the average flow velocity distribution was large, so the same value as Pos.1-0.00A / m was used. T (deg.) Is the water temperature, and Rem is the dimensionless Reynolds number (Rem = Um (2δ) / ν, ν (m 2 / s): kinematic viscosity coefficient) with Um and channel height 2δ. is there. Since the flow between parallel plates transitions from about Rem = 3000 to turbulent flow, it can be seen that the measurement conditions are completely developed turbulent flow. Reτ is the Reynolds number (Reτ = u τ (δ) / ν) that is dimensionless with the wall friction velocity u τ and the half height δ of the channel. The friction velocity u τ (m / s) is Dean's equation (RB Dean: Reynolds number dependence of skin friction and other bulk flow variables in two-dimensional rectangular duct flow, ASME Trans. J. Fluids Eng, 100, 215, 1978). It was calculated from (c f = 0.073 × Rem -0.25).
主流方向の平均速度分布を図16に示す。図16(a)は主流方向の平均速度分布を示した図、図16(b)は図16(a)に速度勾配の減少を示す長破線を追加で示した図、図16(c)は図16(a)から一部のデータを抜粋して見やすく示した図である。各図において破線は岩本らによるチャネル乱流(Reτ=650)のDNS計算結果(K. Iwamoto, et al. : Fully Developed 2-D Channel Flow at Re_tau = 650, DNS Database of Turbulence and Heat Transfer, 2002, http://thtlab.jp/DNS/CH12__PG.WL10)である。LDV計測は1点ごとに90秒間(最大5000samples)計測した。Pos.1-Flatを見ると粘性底層、バッファー域、対数則域がよく捉えられていることがわかる。またDNSと比較すると、対数則域において流速が小さい傾向となっている。Pos.1-0.00A/mを見ると概ねPos.1-Flatの結果と一致しているが、y+=5〜40において流速が小さくなっていることが分かる。ここで、図12を見ると陽極の下流端の高さは200μm程度あり、この計測条件においてはy+=12程度に相当する。この値はPos.1-0.00A/mの流速の低下がもっとも大きい位置と一致していることから、この流速の低下は電極の形状の影響によるものと考えられる。Pos.1-0.23A/m、Pos.1-0.40A/m、Pos.1-0.56A/mを見るとy+=300より大きいところでは流速はPos.1-0.00A/mと一致していること、y+=7〜300付近では流速は大きく低下していることがわかる。y+=7〜20付近においてはPos.1-0.23A/m、Pos.1-0.40A/m、Pos.1-0.56A/mの順に流速の低下が大きくなっている。またy+=40〜100付近においてはPos.1-0.56A/m、Pos.1-0.40A/m、Pos.1-0.23A/mの順に流速の低下が大きくなっており、電流を大きくすると流速の低下が大きくなっていることがわかる。またy+=1〜7付近においてはPos.1-0.56A/m、Pos.1-0.40A/m、Pos.1-0.23A/mの順に流速が増加している。
図16(b)に示すように、Pos.1-0.23A/m、Pos.1-0.40A/m、Pos.1-0.56A/mにおいては、Pos.1-Flat又はPos.1-0.00A/mと比べて速度勾配が大きく減少していることが分かる。このように流場が大きく変化するということは、摩擦抵抗の低減効果が得られていることを意味する。
The average velocity distribution in the mainstream direction is shown in FIG. 16 (a) is a diagram showing the average velocity distribution in the mainstream direction, FIG. 16 (b) is a diagram in which a long dashed line indicating a decrease in the velocity gradient is additionally shown in FIG. 16 (a), and FIG. 16 (c) is a diagram. It is the figure which showed the part data excerpted from FIG. 16A in an easy-to-read manner. In each figure, the broken line is the DNS calculation result (K. Iwamoto, et al .: Fully Developed 2-D Channel Flow at Re_tau = 650, DNS Database of Turbulence and Heat Transfer, 2002 by Iwamoto et al. , Http://thtlab.jp/DNS/CH12__PG.WL10). LDV measurement was performed for 90 seconds (maximum 5000 samples) for each point. Looking at Pos.1-Flat, it can be seen that the viscous bottom layer, buffer region, and law of the wall region are well captured. Also, compared to DNS, the flow velocity tends to be smaller in the law of the wall region. Looking at Pos.1-0.00A / m, it is almost in agreement with the result of Pos.1-Flat, but it can be seen that the flow velocity decreases at y + = 5 to 40. Here, looking at FIG. 12, the height of the downstream end of the anode is about 200 μm, which corresponds to about y + = 12 under these measurement conditions. Since this value coincides with the position where the decrease in the flow velocity of Pos.1-0.00A / m is the largest, it is considered that this decrease in the flow velocity is due to the influence of the shape of the electrode. Looking at Pos.1-0.23A / m, Pos.1-0.40A / m, and Pos.1-0.56A / m, the flow velocity matches Pos.1-0.00A / m where y + = 300 is larger. It can be seen that the flow velocity drops significantly around y + = 7 to 300. In the vicinity of y + = 7 to 20, the decrease in flow velocity increases in the order of Pos.1-0.23A / m, Pos.1-0.40A / m, and Pos.1-0.56A / m. In the vicinity of y + = 40 to 100, the decrease in flow velocity increases in the order of Pos.1-0.56A / m, Pos.1-0.40A / m, and Pos.1-0.23A / m, and the current increases. Then, it can be seen that the decrease in flow velocity is large. In the vicinity of y + = 1 to 7, the flow velocity increases in the order of Pos.1-0.56A / m, Pos.1-0.40A / m, and Pos.1-0.23A / m.
As shown in FIG. 16B, at Pos.1-0.23A / m, Pos.1-0.40A / m, and Pos.1-0.56A / m, Pos.1-Flat or Pos.1-0.00 It can be seen that the velocity gradient is greatly reduced compared to A / m. Such a large change in the flow field means that the effect of reducing the frictional resistance is obtained.
主流方向の乱流強度(速度変動の標準偏差、rms値)分布を図17に示す。Pos.1-Flat はDNSとピーク位置とピーク値及びy+=10以降の傾向がよく一致していることがわかる。 y+=1〜10においてバラツキが大きいのは壁面近傍ではデータレートが低く取得したサンプル数が少ないことに起因するものと考えられる。Pos.1-0.00A/mを見ると概ねPos.1-Flatの結果と一致しているが、y+=10〜30付近でPos.1-Flatより小さい値となっている。Pos.1-0.23A/m、Pos.1-0.40A/m、Pos.1-0.56A/mを見ると、y+=300より大きいところではPos.1-0.00A/mと一致しているが、それ以外では全体的に大きな値をとっていることが分かる。またピークの位置がy+=30付近とPos.1-0.00A/mに比べ外側にあることがわかる。y+=10〜30付近においてはPos.1-0.23A/m、Pos.1-0.40A/m、Pos.1-0.56A/mの順に乱流強度が大きくなっており、これは平均流速分布のこの範囲での流速の低下の傾向と一致している。 The distribution of turbulent intensity (standard deviation of velocity fluctuation, rms value) in the mainstream direction is shown in FIG. It can be seen that Pos.1-Flat has a good match between DNS, peak position, peak value, and the tendency after y + = 10. It is considered that the large variation between y + = 1 to 10 is due to the low data rate near the wall surface and the small number of samples acquired. Looking at Pos.1-0.00A / m, it is almost in agreement with the result of Pos.1-Flat, but it is smaller than Pos.1-Flat near y + = 10 to 30. Looking at Pos.1-0.23A / m, Pos.1-0.40A / m, and Pos.1-0.56A / m, where y + = 300 is larger, it matches Pos.1-0.00A / m. However, it can be seen that other than that, the value is large as a whole. It can also be seen that the peak position is around y + = 30, which is outside of Pos.1-0.00A / m. In the vicinity of y + = 10 to 30, the turbulent flow intensity increases in the order of Pos.1-0.23A / m, Pos.1-0.40A / m, and Pos.1-0.56A / m, which is the average flow velocity. This is consistent with the decreasing trend of flow velocity in this range of distribution.
データレートの分布を図18に示す。y+=1〜100において電流が大きくなるにつれてデータレートが向上していることがわかる。またy+=100より大きいところではデータレートに大きな差はないことがわかる。 The distribution of data rates is shown in FIG. It can be seen that the data rate improves as the current increases from y + = 1 to 100. It can also be seen that there is no significant difference in the data rate where y + = 100 is greater.
Pos.1における計測ではデータレートは向上したものの、流場が大きく変化した。これはこの計測で流した電流では、沈殿物とともに酸素気泡も発生していたことが原因ではないかと考えられる。平均速度が低下し、乱流強度のピークが壁から離れるほうに移動するという傾向は、マイクロバブル流れの乱流計測でも同様の計測結果(北川石英他:PTV/LIF法によるマイクロバブル流れの乱流変調計測, 海上技術安全研究所第4回研究発表会講演集, 2003)が得られている。
そこで酸素の発生を防ぐため、より小さな電流で、また沈殿物を直接計測体積に混入させるために、電極の直下であるPos.2で計測を行った。実験条件を表4に示す。Pos.2-0.00A/mは電流を流していないケース、Pos.2-0.02A/mはPos.1での計測の1/10ほどの電圧3Vをかけたケースである。断面内平均流速UmはPos.2-0.00A/mでは計測値から算出し、Pos.2-0.02A/mではそれと同じ値を用いた。
Although the data rate improved in the measurement at Pos.1, the flow field changed significantly. It is considered that this is because oxygen bubbles were generated together with the precipitate in the current passed in this measurement. The tendency that the average velocity decreases and the peak of the turbulent flow intensity moves away from the wall is the same measurement result in the turbulent flow measurement of the microbubble flow (Kitagawa Quartz et al .: Microbubble flow turbulence by the PTV / LIF method). Flow modulation measurement, National Maritime Research Institute 4th Research Presentation Proceedings, 2003) has been obtained.
Therefore, in order to prevent the generation of oxygen, a smaller current was used, and in order to mix the precipitate directly into the measurement volume, measurement was performed at Pos.2, which is directly under the electrode. The experimental conditions are shown in Table 4. Pos.2-0.00A / m is the case where no current is flowing, and Pos.2-0.02A / m is the case where a voltage of 3V, which is about 1/10 of the measurement at Pos.1, is applied. The average flow velocity Um in the cross section was calculated from the measured value at Pos.2-0.00A / m, and the same value was used at Pos.2-0.02A / m.
主流方向の平均速度分布を図19に示す。LDV計測はPos.1での計測に比べて全体的にデータレートが低かったため、1点ごとに180秒間(最大5000samples)計測した。Pos.2では、電極表面をy=0mmとしている。Pos.2-0.00A/mを見ると、Pos.1-Flatとよく一致しており、電極端部の形状と異なり、電極表面上の凹凸は平均流速分布には大きな影響を与えないことがわかる。Pos.2-0.02A/mを見ると、y+=3〜20において流速が小さくなっているが、その変化量と変化範囲はPos.1での計測時と比較してどちらも小さくなっている。 The average velocity distribution in the mainstream direction is shown in FIG. Since the data rate of LDV measurement was lower overall than that of Pos.1, each point was measured for 180 seconds (maximum 5000 samples). In Pos.2, the electrode surface is y = 0 mm. Looking at Pos.2-0.00A / m, it matches well with Pos.1-Flat, and unlike the shape of the electrode end, the unevenness on the electrode surface does not significantly affect the average flow velocity distribution. Understand. Looking at Pos.2-0.02A / m , the flow velocity is small at y + = 3 to 20, but the amount of change and the range of change are both smaller than those measured at Pos.1. There is.
主流方向の乱流強度分布を図20に示す。Pos.2-0.00A/mを見ると、平均流速分布と同様にPos.1-Flatとよく一致しており、電極端部の形状と異なり、電極面上の凹凸は乱流強度分布にも大きな影響を与えないことがわかる。Pos.2-0.02A/mを見ると、y+=3〜20において乱流強度が小さくなっている。これは平均流速分布が変化している範囲と一致している。また、平均流速分布と同様にその変化量と変化範囲はPos.1での計測時と比較してどちらも小さくなっている。 The turbulent intensity distribution in the mainstream direction is shown in FIG. Looking at Pos.2-0.00A / m, it matches well with Pos.1-Flat as well as the average flow velocity distribution, and unlike the shape of the electrode end, the unevenness on the electrode surface also affects the turbulent intensity distribution. It can be seen that it does not have a large effect. Looking at Pos.2-0.02A / m, the turbulent flow intensity decreases at y + = 3 to 20. This is consistent with the range in which the average flow velocity distribution is changing. Also, as with the average flow velocity distribution, the amount of change and the range of change are both smaller than those measured at Pos.1.
y+=0〜20のデータレートの分布を図21に示す。これより、Pos.2-0.02A/mではデータレートが1.5〜3倍程度向上していることがわかる。Pos.1と同様にデータレートに変化があった範囲は流場に変化があった範囲と一致しており、y+=20以降はデータレートに大きな差は見られなかった。 The distribution of data rates from y + = 0 to 20 is shown in FIG. From this, it can be seen that the data rate is improved by about 1.5 to 3 times at Pos.2-0.02A / m. Similar to Pos.1, the range where the data rate changed coincided with the range where the flow field changed, and there was no significant difference in the data rate after y + = 20.
本発明の摩擦抵抗低減方法、摩擦抵抗を低減した構造物、及び摩擦抵抗低減用の電極形成方法は、水を含む流体の摩擦抵抗を受ける対象物や構造物(船舶の船体、船舶のプロペラ、配管等)に適用できる。 The frictional resistance reducing method, the structure with reduced frictional resistance, and the electrode forming method for reducing frictional resistance of the present invention include objects and structures (ship hulls, ship propellers, etc.) that are subject to frictional resistance of fluids including water. It can be applied to piping, etc.).
11 船体(対象物、構造物)
20、120、220、320、420、520 電極
21、121、221、321、421、521 陽極
22、122、222、322、422、522 陰極
30、130 電源装置
40、140 制御装置
50 プロペラ(対象物、構造物)
60 配管(対象物、構造物)
F 電気力線
X 流体
Z 流線
11 Hull (object, structure)
20, 120, 220, 320, 420, 520
60 Piping (object, structure)
F Line of electric force X Fluid Z Streamline
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