NACAダクトの謎 (眠気にご注意！)

前々から疑問に思っていた事・・・。

自分はこう見えても(?)一応、本当に一応ですが、流体のプロです。

空力に関する基本的な知識、屁理屈は大抵の事は理解しているつもりでいます。


なんですが、、、どうにも理解に難いものがあるのです。。。


タイトルに挙げさせて頂いた


NACAダクト。


元々はNASAの前身である米航空局、NACAが考案した最も抵抗の少なく、空気を吸入出来るダクト形状の事です。

自動車で最初に採用されたのはタイトル画像のランボルギーニ・カウンタックのサイドに付いているダクトです。



この塵取りのような形状のヤツです。

あまり深く考えずに空気を効率良く取り込もうとすると、NACAダクトのような入り口が狭く、段々広がるような形状ではなく、入り口が広く、段々と狭くなるような形状を想像してしまいます。

この段々と広くなる構造にはどのような謎があるのか？



少し調べると以下のような説明があります。


・広がり形状により渦を発生させ、その負圧によって空気を引き込み、効率良く空気を取り込む物。


成る程。なんとなく納得してしまう説明です。



つまりこういう事ですね。
徐々に広がる事により発生する剥離、渦、そして段差を越える際に発生する渦を利用する、と言う事のようです。


渦のエネルギーはなかなかに侮れません。


例えば飛行機の翼。



飛行機の翼に強力な揚力を発生させているのも渦です。翼端より発生する強力な渦により翼上流の流れが加速され、加速された流速により強力な負圧、揚力が発生するのです。(この流速が上がると圧力が下がる(負圧が発生する)、というメカニズムが分からない方はベルヌーイの定理を調べてみてください。要はエネルギー保存の法則です。)

ただし、この渦もある条件を満たさないと十分なエネルギーが生まれません。

流体には壁に沿って流れようとする力(俗に言うコアンダ効果)と、決して切り離される事の無い、連続性という性質があります。



理論的に言ってしまうと、翼の周辺の流れというのは、上図のように剥離する事無く流れてしまえば、抗力も0で揚力も0です。
しかし、ここで矛盾が生じます。図中矢印部の翼端の鋭角な曲がり部。このような曲がりでは理論上速度が無限大となってしまいます。そんな事は当然実際には有り得なく、剥離を起こしてしまいます。しかし、無限に速度を上げて翼端を回り込もうとする性質は残るため、可能な限り速度を上げて回り込もうとしつつ剥離します。ここで強力な渦が発生します。
この渦は限界まで速度を上げているため、当然強力な負圧を発生します。
そして、この負圧に引き込まれるように翼の上下の流速が加速されます。
更に、翼上面は下面に比べ長い距離を通って渦に到達しなければならず、更に到達時間は同時でないと矛盾が生じてしまうため、翼上面の流速は更に加速されます。

さて、流れが剥離してしまった場合。



この場合は、上図の点線のような仮想上の物体形状に沿って流れようとします。この場合は上面も下面も同一距離となるため、上下両側に負圧は発生しますが、揚力は発生しない為、飛行機は墜落してしまいます。
渦というのは剥離点での速度に比例して負圧を発生させるため、加速していない地点で剥離しても大した負圧にはなりません。


大分脱線してしまいましたが、(大半の方が既に見ていないような気も･･･)流体の基本を踏まえてNACAダクトの話に戻ると、渦が発生する事により負圧を、というくだりに非常に違和感を感じるわけです。

NACAダクトのような緩やかな広がりから発生する渦からは、主流を引き込むほど強烈な負圧、加速力を生み出すとは到底思えないからです。


むしろNACAダクトの秘密は別の所にあるのではないかと思います。



NACAダクトの中央のストレート部とやや外れたポイントでの断面を切り取ってみると、両者のダクト到達点までの距離は異なります。しかし、流体の連続性の法則に則って考えると、両者は同時に到達しなければいけない。つまり、段差を越えてきた方の流れは加速しなければならないのです。

仮にこの段差を越えた流れが剥離していなければ、ダクトにはダクト面積分の流量に加え、加速された流れによって発生した負圧に引き込まれた空気をも取り込む事になるわけです。

NACAダクトはある程度以上の速度でないと意味が無いとの意見も見かけますが、つまりの所、剥離が発生してしまうと効果が無い、という言葉に置き換えられるのではないのでしょうか？(速度が上がると剥離点が後方に遷移する、、、剥離し辛くなるポイントがあります。)


つまり、自分が思うNACAダクトを有効に活用するポイントは2点。

・中央ストレート部と凸部の段差を極力大きくする。
・流れを剥離させてはならない(勾配を緩やかにするor乱流境界層を生成し、剥離し辛い環境を作る。･･･これが広がりによる渦か?)、もしくは流体が合流するポイントより前にダクトを作らない。

なのではないのでしょうか？


･･･


以上、思いっきり妄想で語ってみました:P

正直良く分かっていないので、詳しい方おりましたらご教授願います。ｍ(_ _)ｍ