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ホーム > 研究のご紹介 > 流体設計系 > 流体制御研究グループ
流体制御研究グループ
 環境に優しく省エネルギーな船舶を開発するために必要不可欠な数値流体力学(CFD)利用技術と水槽試験技術の高度化のための研究・開発、およびそれらの研究成果を反映させた船舶設計基盤ツールの開発を行っています。さらに、基礎的な研究・開発成果を適用・発展させて、お客様(船主様、造船所様など)のニーズに合わせ、より製品に密着した船型・プロペラ・省エネデバイスの開発や新たな省エネルギーコンセプトの具現化を共同研究や請負研究として行っています。
主な研究テーマ
  • 空気泡を用いて船舶の摩擦抵抗を低減させる空気潤滑システム及び低摩擦塗料の高度化
  • 摩擦抵抗低減メカニズムの解明とその原理に基づいた新たな省エネルギーコンセプトの創出
  • 推進性能向上のための船尾省エネデバイス(WAD、USTADなどの省エネダクト等)の高度化
  • 船舶からの水中放射雑音予測技術及び低雑音・高効率プロペラ開発技術の高度化
  • 船体・プロペラ・省エネデバイス周りの干渉流場及びプロペラ翼面上に発生するキャビテーションの光学的計測技術の開発
メンバー
グループ長川北 千春
川島 英幹
川並 康剛
白石 耕一郎
一ノ瀬 康雄
新川 大治朗
工藤 達郎
小山 鴻一
竹子 春弥
Roman、Vision、Mission
Roman

   海洋は、未知との遭遇の場。21世紀のフロンティア

Vision

   世界が賞賛する海事流体制御に関する技術者集団となる
   日本海事産業の国際競争力強化に貢献する

Mission

   省エネデバイス(ALS,WAD等)の性能・機能向上、および新規省エネ技術の創出
   船舶からの水中放射雑音予測技術の確立、および国際ルール作成時の国際協力
   船舶設計基盤ツール(HOPE Light等)の機能および信頼性向上

研究紹介
摩擦抵抗

 排水量型船舶において摩擦抵抗成分は全抵抗の約6~8割を占めます。そのため、摩擦抵抗の低減により、高い省エネ効果が期待できます。海技研では、摩擦抵抗を低減させる手法として、船底を気泡流で覆う空気潤滑システムを開発し、実船実験でその省エネ効果を確認しました。現在は、空気潤滑システムの省エネ効果を高めるための改良を続けています。
 運航中の船舶では、塗膜表面の凹凸や船体汚損等によって摩擦抵抗が増加することが知られています。低摩擦塗料の性能評価、船体表面のメンテナンス期間の最適化のために表面粗度による摩擦抵抗増加の定量的評価手法の開発を行っています。


50m長尺試験による、実船レイノルズ数における空気潤滑法の開発

平行平板曳航法による、低摩擦塗料の性能評価

省エネ設計技術

 CFDを活用し船体周り流れの情報を精緻に解析する高度な船型開発手法と、3Dプリンタを用いて細かな付加物まで精密に再現した模型船による水槽試験により、高次のエネルギー効率設計指標(EEDI)規制に対応できる省エネ船型を開発しています。
 肥大度や自航要素の違い等、船型の特徴に応じたプロペラ及び省エネデバイスの設計や、複数の省エネデバイスを組み合わる際、省エネ効果を相互に阻害することなく組み合わせることで、省エネ効果を最大化する研究をしています。


EEDI認証試験(ISO9001取得)(左)、実船搭載されたWAD(右)

USTDの流場解析

船尾形状の変化に伴う流場の変化

舶用プロペラキャビテーション

・CFDによるプロペラキャビテーション・水中騒音予測 (詳細解説はこちら
 船後で作動するプロペラの翼面上には、キャビテーションが発生します。キャビテーションとは、プロペラ翼面上において、流速が速い部分の圧力が、水の蒸気圧より低くなることで水が沸騰し、気泡が発生する現象です。キャビテーション気泡の発生および崩壊は、船体振動の一因である船尾変動圧、船内騒音、船舶水中放射雑音、翼面上のエロージョンの元となることから、それらを推定することは、プロペラを設計する上で非常に重要です。また近年、生物多様性保護の観点から、船舶水中放射雑音が海棲生物に及ぼす影響について注目されつつあります。
 このような背景から、我々の研究グループでは、数値流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)によるプロペラキャビテーション・水中騒音の予測に取り組んでいます。プロペラキャビテーションの予測では、最新のCFD計算技術を用いることで、シートキャビテーションは、かなり精度良く推定出来るようになってきました。翼端渦キャビテーションについては、計算格子の局所細分化、高次乱流モデルの導入、非線形項を考慮したRayleigh-Plesset方程式に基づくキャビテーションモデルの高度化等により、精度良く推定出来るようにすべく、研究を進めています。水中騒音の予測では、2015年に世界で初めて、プロペラキャビテーションによる船舶水中放射雑音をCFDで予測し、既存の模型及び実船試験結果と比較することに成功しました。その結果は、1次2次の狭帯域音は実用上問題無く推定出来、高次の広帯域音は低く推定する傾向にありました。特に高次の広帯域音は、キャビテーション気泡の成長・崩壊による物理量であるため、現在のCFDを以て実用的な計算時間で推定することは、非現実的です。そのため、我々の研究グループでは、経験式ベースの手法、気泡力学的手法等をCFDと併用しながら、狭帯域から広帯域までの船舶水中放射雑音を精度良く推定する方法を開発すべく、研究を進めています。


CFDによる舶用プロペラが船尾に造る渦構造の推定例

CFDによる舶用プロペラキャビテーションの推定例(初代青雲丸)

・キャビティ形状(体積)計測技術
 近年,船舶の低振動化及び低騒音化の要求が高まっており、エンジンと共に船体振動の主原因となるプロペラによる変動圧力を高精度に推定可能な技術が必要とされています。その変動圧力を高精度に推定には、プロペラに発生する非定常キャビテーションのキャビティ体積の2次の時間変化分を精度良く計算することが重要です。しかしながら、現在の理論予測法の精度は充分ではなく,更なる精度向上のためにはキャビティ形状(体積)の計測結果を用いた理論予測法の検証が不可欠です。
 当グループでは、水中において高速かつ高精度で形状計測が可能な組合せラインCCD法を用いた三次元形状計測装置を製作し、本装置を用いて模型プロペラに発生するキャビテーション形状の計測技術の開発を行っております。本装置によって従来計測が困難だったキャビティ形状を高精度かつ高解像度で計測することが可能です。
 また、本計測法によって得られる高精度なキャビティ形状計測データは、キャビテーションを伴うプロペラにより誘起される変動圧力の推定やキャビティ体積の理論的推定法に対する検証データとして大きく寄与することが期待できます。


三次元形状計測装置

青雲丸Ⅰ世CP(プロペラ角度:10deg)の計測結果
(左図:スチールカメラ写真、右図:計測装置による計測結果)

青雲丸Ⅰ世HSP(プロペラ角度:40deg)の計測結果
(左図:スチールカメラ写真、右図:計測装置による計測結果)

要目最適化プログラム HOPE Light

 2013年1月よりEEDI規制が実施され、これまで以上に省エネ船の開発に関する要求は強まっています。船型要目はその船の推進性能を決定づける第1の設計変数であり、十分な検討が必要です。
 HOPE Lightは、抵抗推進性能・実海域性能・EEDI推定等を総合的に評価し優れた船型要目を探索するツールで、自社実績のない領域の検討も可能です。また、Excelベースの簡易なツールのため、導入にあたり特殊な訓練等なく、すぐに検討したい要目の所要馬力・主機燃費・EEDI推定値等が計算できます。
(詳細解説はこちら


HOPE Light

実海域での船速低下(左図)、Lpp/Bと浮心位置lcb(中図)、
EEDI規制値と載貨重量に対する所要馬力の等高線図を変化させた場合のEEDI略算値(右図)

プロペラ直径と最適回転数

発表論文