実海域での耐航性能

 

        谷澤 克治

 

3.1.1 はじめに

本章の表題として「実海域での耐航性能」を頂いたが、少々違和感を覚えた。他章の表題に使われている実海域は平水中の反意語であり、これを平水中と置き換えても意味をなすが、耐航性能とは本来、船舶が実海域を安全に航行する性能であって、平水中での耐航性能では意味をなさない。他章との並びで本章の表題にも実海域と冠せられているが、実海域の指す意味は自ずと異なるであろう。そこで、本章で言う実海域での耐航性能とは荒天海域での性能を指すと勝手に解釈し、本稿を執筆することにした。読者諸兄にはこの点ご了承いただきたい。

さて、荒天中での耐航性能については、重大な海難事故が発生する度にプロジェクト研究が実施され、多くの知見が蓄積されて来た。

荒天中での重大海難事故で最初に思い起こされるのは、1969年の「ぼりばあ丸」33,768GTと1970年の「かりふぉるにあ丸」34,100GTの船体折損事故である。両船はバラ積船で、野島崎沖で荒天に遭遇し、ぼりばあ丸は31名、かりふぉるにあ丸は5名の犠牲者を出した。これらの事故は船舶が急速に大型化する中で発生したもので、船舶の設計者ならびに研究者に大きな衝撃を与えた。

しかし、10年後に再び船体折損事故が発生した。1980年12月に野島崎東方海域で発生したバラ積船「尾道丸」33,833GTの事故である。尾道丸は同海域を航行中、巨大な波に遭遇して激しい船底スラミングを起こし、船首部を折損した。船体は曳航中に沈没したが、沈没までの時間が十分あったため幸い死者は出なかった。しかし、船齢の若い本船の事故により、波浪中での巨大船の安全性について大きな危険信号が灯った。本船の事故調査委員会では、事故原因を巨大な波によるものとしたが、そのような大波の発生メカニズムや発生確率については、今もほとんど解明されていない。

尾道丸と同時期の事故に「ダービシャー号(英)」91,654GTの沈没がある。これもバラ積船で、1980年に南大東島東方海域において大型台風に遭遇して沈没し、43名の犠牲者を出した。本船の事故調査は遺族により進められ、潜水艇を用いて沈没した船体が発見されている。またその撮影画像から事故原因が甲板上への激しい打込水によるハッチカバーの破損にあったと推測され、IMOにおける船首乾舷とハッチカバー強度の見直しにつながった。

近年の事故では1996年に日本海隠岐島北方で船首折損事故を起こして沈没した「ナホトカ号(露)」13,157GTが上げられる。本船は油送船で、事故当時19,000トンのC重油を積載していた。この事故による積載油の流出により日本海沿岸が長距離に渡って汚染された。また本船の船首は沈没せず、2,800トンのC重油を船内に残して漂流し、福井県三国町海岸に漂着して油汚染を拡大させ、大きな環境問題を引き起こした。運輸省に設置された事故調査委員会による調査により、本船には老朽化による衰耗に加え修理ミスがあり、それに荒天中で巨大な波浪荷重が加わった結果、折損事故に至ったことが解明されている。


 ナホトカ号は老朽船であったが、ここで述べたその他の船舶は比較的船齢の若いものが多く、荒天中での事故は必ずしも船体の老朽化によるものとは言えない。実海域での耐航性能を向上させるための努力は連綿と続けられて来たが、以上に述べたように海難事故は依然として発生しており、人命損失や環境被害が後を絶たないのが現実である。

 

Fig.1 日本近海における重大海難事故の発生位置

(写真は尾道丸)

 


3.1.2 実海域における耐航性能の諸問題

 

そこで本稿では最初に実海域における船舶の耐航性能の諸問題ついて考えたい。耐航性能研究の使命は、実海域において人と荷物を安全かつ円滑に輸送することができる船舶を設計・建造するために必要な技術の創造と開発を行うことである。より具体的には、実海域を安全に、大量に、高速で、定時性を保ち、欠航せず、乗り心地がよく、貨物にも過大な加速度や傾斜を与えず輸送できる船舶を開発するための研究ということである。もちろん、商船である以上、経済性が付帯条件に付く。

このニーズに対し、これまでの耐航性能研究では波浪中での船体応答の計算手法の研究を中心課題に据え、ストリップ法、細長体理論、Unified theory、Enhanced Unified Theory, 3D panel method, Rankin Panel Method 等が開発され、実用レベルで波浪中での船体応答の計算を可能にしてきた。また、船体運動や波浪荷重の短期予測や長期予測の手法も研究され、船舶の構造設計に用いる事ができるようになった。これらの研究は船舶の耐航性能の向上に大きく寄与したと考えられる1)2)3)4)。

しかし、これらは穏やかな海象中での耐航性能の評価には十分であるが、その外挿で荒天中での耐航性能を評価できるかとなると、はなはだ心許ない。船舶の安全性は荒天中でこそ問題になる。現在の耐航性能研究の成果は、まだ安全性に対して十分な回答を与えていないといえる。これには耐航性能研究の分野に依然として立ちはだかっている強非線形問題に本格的に取り組む必要がある5)6)。

耐航性能分野での強非線形問題に対する取り組みの歴史は実は線形問題と同じくらい古い。スラミング、甲板冠水、スロッシング等の波浪衝撃荷重の正確な推定値は船舶の構造設計には不可欠であり、古くから熱心に研究されて来た。特にスラミングの問題は、はじめに述べたように重大海難事故の主原因であり、これまでにも多くの研究が成されている。

 

(1)スラミング

スラミングとは波面が船体を打つことにより生じる衝撃現象で、発生する場所により船底スラミング、バウフレアスラミング、船尾スラミング等と呼ばれる。中でも船底スラミングは船体の折損事故につながる危険な現象で、露出した船底が着水する際に発生し、バラ積船等の平坦な船首船底を有する船舶では巨大な衝撃荷重を与える。透明模型を用いて船底スラミングを観察すると、スラミング発生時の波面と船体との位相関係により傾斜衝撃、空気巻き込みを伴う衝撃、正面衝撃の3タイプが観察できる7)。

 

 

Fig.2 透明模型と高速ビデオを用いた船底スラミングの観察

(左から傾斜衝撃、空気巻込を伴う衝撃、正面衝撃)

 

傾斜衝撃は船底と波面との交線が船尾から船首方向に走るのが特徴である。これまでの傾斜衝撃の研究では、ストリップ法的な考え方で船体断面内での二次元的な水面衝撃のモデルを用い、各断面の衝撃荷重を船長方向に積分してスラミング衝撃荷重が推定されて来た。断面内の衝撃荷重の推定には、von Karmanの運動量理論やWagnerの水面衝撃理論が適用できる。最近ではスプレー部とのマッチングにより特異点を除去した理論8)9)も利用できるが、Wagnerの理論による結果と荷重において大きな違いはない。しかし、実際に傾斜衝撃を観察すると、二次元楔の水面衝撃に見られる幅方向の現象ではなく、長さ方向に接水面が急激に拡大することによって生じる船長方向の衝撃現象であることが分かる。そこで渡辺8)は傾斜衝撃を船長方向の現象ととらえた衝撃圧の計算法を提案した。また、遠山10)はWagnerの衝撃理論を応用し、楕円体の水面衝撃圧の計算方法を示した。遠山の方法は扁平な楕円体にも適用できるので、船底形状を扁平な楕円体面で近似し、長さ方向への接水面の拡大も考慮した三次元傾斜衝撃の解析が可能であると思われる。傾斜衝撃の研究では現象に則したモデル化が必要であろう。

空気巻き込みを伴う衝撃は、波面が船体を打つ際に空気が間に挟まってAir Cushionになった衝撃と考えている方が多いのではなかろうか。確かに二次元楔の落下衝撃実験では、Dead rise angleが小さくなると、楔と水面との間に空気が挟み込まれる。また局所的な衝撃では、波面の窪みに残された空気が船体との間に挟まってAir Cushionを形成する。しかし、船底スラミングにおける大規模な空気巻き込みは傾斜衝撃の延長線上で発生し、大量の空気を巻き込むメカニズムはもっとダイナミックで三次元的であることが、透明模型を用いた観察から分かっている。実験で傾斜衝撃が発生する状態から船速を増加させて行くと、空気巻き込みを伴う衝撃へと移行する過程が観察できる。最初は傾斜衝撃で、船尾方向から船首方向へと接水面が拡大して行くが、船速を上げて行くと接水面が船首端に達する前に船首端が次に波の斜面に突入して着水し、船首端から船尾方向へと向かう第二の接水面が発生する。これらの二つの接水面に前後から挟まれて大量の空気が巻き込まれ、大規模な空気巻き込みが発生するのである。空気は前後を接水面で挟まれており、船側へジェットとなって吹き出す。この現象を正しくモデル化した衝撃荷重推定法の研究は見当たらない。水槽実験においても、空気巻き込みを伴う衝撃では相似則の問題が見逃されがちである。相似則を満たすためには、水槽内の気圧をスケールの平方根に比例するように下げる必要がある11)。例えば1/100スケールの模型実験では、気圧を1/10に下げなければならない。これには減圧水槽が必要となる。しかし、ほとんどの水槽実験は大気圧下で実施されているため、水槽実験では相対的に空気の影響が強く出る。大気圧下で行われた水槽実験では、空気巻き込みを伴う場合は衝撃圧のピーク値等に関する定量的な議論を避けるべきであろう。

正面衝撃は船底全体が瞬時に着水する衝撃現象で、最も大きな衝撃荷重が発生する。接水面の拡大速度が非常に早く、秒間500コマの高速ビデオを用いて撮影した水槽実験の映像では、接水開始から全面接水までが2コマ程度で終わっており、瞬時に着水しているように見える。水槽実験の観察では、船速を空気巻き込みを伴う衝撃よりさらに増加させると正面衝撃へと移行する。正面衝撃による衝撃荷重の推定にはストリップ法的な考え方は適用できないため、三次元衝撃として取り扱うしかない。解析的な手法では先に述べた遠山の方法が適用可能と思われるが、衝撃荷重のピーク値は巨大な値になろう。

以上は船底スラミングの話題であった。次にバウフレアスラミングや船尾スラミングについても触れておきたい。近年、コンテナ船の急速な大型化により、バウフレアスラミングの問題が顕在化してきている。コンテナ船は定時性を維持するため余程の荒天でない限り速力を大きく下げない。また、甲板上のコンテナ積載面積を広げるため、船首フレアが大きく張り出しており、バウフレアスラミングが発生する条件が揃っている。また水面上の部位への衝撃であるため、船底スラミングと比べて発生頻度が高く、不規則波中で非常に厳しい状態で波面に打たれる確率が無視できない。一般にフレア部への衝撃は船底に比べてDead rise angleが大きいため、衝撃理論が適用しやすいように思われるが、実際には理論が適用できる理想的な状態は希である。バウフレアスラミングではフレアパネルの凹損等の局所的な被害が主である。実海域で船体表面を打つ波面の形状と相対速度を局所的に求める事は困難であるだけに、衝撃荷重を正確に推定することも難しい。最悪の場合としてパネル全面への正面衝撃を想定すると、衝撃荷重の推定値は過大となり、その値でパネル厚を設計することは現実的ではない。しかし、不規則波中での実験結果を外挿した値で設計すると、凹損すると言われている。不規則波中での水槽実験では、出会波の数において高々103波程であるため、これから106〜108に一回の頻度で発生する衝撃荷重を外挿により推定するには精度の問題があるが、局所的なスラミングでは他にも相似則の問題があるように思われる。フルード則だけで良いのかどうか、模型実験における粘性や表面張力の影響を評価する必要があろう。

最近の大型客船やコンテナ船は船尾形状が平で、追波や斜め追波中を低速航行時に船尾にスラミングが発生しやすい。船尾スラミングでは波面が船体を打つ速度は船首スラミングより小さいが、ほとんど水平な広い船尾面積を持つ船では、大きな衝撃荷重が発生する13)。大型客船は観光のため低速航行することが多く、船尾スラミングとその衝撃荷重による船体振動は、旅客に快適な航海を提供する上で問題となっている。コンテナ船においても船尾スラミングは乗組員の居住区画に近い場所で発生するため、就労環境を悪化させている。このように船尾スラミングは安全上の問題に加え、旅客や乗組員の乗り心地の観点からも問題になっている。

 

(2)甲板冠水

甲板冠水とは船首部において波面が乾舷を超えて上昇し、甲板上に水塊となって打ち込んでくる現象である。はじめに述べたダービシャー号の沈没では、打込水による衝撃荷重によりハッチカバーを損傷したことが事故原因と推測されている。これは垂直方向の荷重であるが、甲板冠水による被害は甲板上を流下する水塊による水平方向の衝撃によるものも多い。大規模な甲板冠水では、水塊が船橋の窓硝子を破り、電子機器が冠水して航行不能に陥る場合がある。

甲板冠水による衝撃荷重についても古くから研究されて来た。田崎14)は水槽実験により甲板打ち込み水を研究し、船首部水位と打ち込み水量、衝撃荷重等との関係を詳細に報告した。その後、郷田ら15)は水槽実験を実施して打ち込み水による衝撃荷重を計測すると共に、ダム崩壊モデルによる荷重の推定を試みた。溝口16)は浅水流の数理モデルを用いて打ち込み水の数値解析を行い、打ち込み水の甲板上での2次元的な挙動を計算した。また、最近では小川ら17)が洪水流モデルを用いて打ち込み水の挙動とこれによる衝撃荷重の推定を行っている。これら数理モデルは、どれも比較的穏やかに流れ込むタイプの甲板冠水のモデルであり、しかも溝口のモデル以外は船長方向の1次元モデルである。しかし実際の打込水は非常に複雑な3次元的な流れである。甲板上にはブリッジ、ハッチ、遮波板等の構造物やコンテナ等の積載物があるため、これらにより打込水の流れは大きく乱される。甲板冠水により甲板ならびに甲板上構造物、積載物に働く衝撃荷重を正確に推定するには、数理モデルでは限界があろう19)

 

左舷甲板上への打込を真上から撮影

(船体中心線上の板は透明整流板)

 

透明整流板を通して見た打込水

 

Fig.3 規則波中を向波状態で航走する模型船の

    甲板上への打込水の高速ビデオ画像

 

(3)スロッシング

スロッシングはタンク内の液体と船体動揺との共振現象である。共振により非常に激しい液体運動が励起され、液面がタンクの側面、天板、両者の接合部等を打って大きな衝撃荷重を発生させる。油送船、LPG/LNG船等の液体貨物を運搬する船舶の安全設計にはスロッシング対策は重要であり、バラ積船でも環境汚染の問題でバラスト水の洋上置換が検討されており、バラストタンクのスロッシングが問題となっている20)

スロッシングはタンクに液体を満載すれは避けることができる。半載状態が避けられない場合には、スロッシングの固有周期を代表的な船体動揺周期から外したタンク設計を行う。しかし、バラストタンクや燃料タンク等では液面水位が一定でないため、スロッシングの固有周期が変化し、船体運動との共振点を完全に外すことは困難である。タンク内に仕切板やポーラス材を設けて流体運動を減衰させると効果的にスロッシングを抑制できるが、タンク重量の増加やタンク内洗浄の問題等で十分な減衰材を設けることが困難であることが多く、造船会社ではタンクの設計に苦心している。スロッシングは閉領域で発生する現象であるため、数値解析は比較的容易である。荒井はMAC法を用いた数値計算コードYNU-SLOSHを開発し21)、スロッシングの解析を行った。また、本コードを用いてバラスト水置換時のスロッシングの数値シミュレーションを行った22)

スロッシングは船舶以外の分野においても問題となっている。2003年十勝沖地震の際、長周期地震動により石油タンクにスロッシングが発生し、浮屋根を破損して火災事故につながった。以後、石油タンクのスロッシングの問題が盛んに研究されている。また航空宇宙の分野では、ロケット打ち上げ時の液体燃料タンク内のスロッシングの解析が行われている。

以上、耐航性能分野での強非線形問題としてスラミング、甲板冠水、スロッシングについて述べて来た。これらの強非線形問題を解決するため、近年では粒子法やCIP法等のロバストな数値計算法の研究開発が進められている。これらの新しい数値解析手法については次節で述べる。

 


3.1.3 実海域における耐航性能評価手法

 

荒天中を、船底露出や甲板冠水を伴って航走している船舶の運動を正確に推定するには、ストリップ法等の微小運動を仮定した計算法では限界がある。そこで、波浪中浮体運動を時間領域でシミュレートする非線形計算法の開発が進められている。

 

(1)非線形ストリップ法

非線形ストリップ法とは、船体断面の流体力係数を用いて船体運動と波浪荷重を時間領域で非線形計算する手法の総称である。各断面の時々刻々の相対水位の計算値により、没水部の形状変化を考慮して流体力係数を変化させたり、没水部に働くフルードクリロフ力を積分して波強制力に用いるなど、没水部形状の時間変化に伴う非線形を考慮した計算が可能である。理論的な厳密性には欠けるが、実用計算法としては融通性に富む便利な手法である。運動量理論等からスラミングによる衝撃力を求めて船体応答の計算に組み込むことが可能で、ホイッピング応答を計算することもできる。代表的なものに、山本らにより開発されたTSLAM23)、渡辺がSR194で開発したSRSLAM24)、土岐らによるMSLAM25)がある。これらはスラミングを伴う波浪中船体応答の実用計算法として用いられている。海外においても種々の非線形ストリップ法が開発されており、Jensenらにより比較計算結果が報告されている26)

また最近では高木らによりEnhanced Unified Theoryベースの非線形ストリップ法PLASMA27)が開発され、海技研においても小川がNMRIW28)を開発している。

 

(2)非線形パネル法

パネル法による時間領域の非線形計算法も研究されている。ここでは総称して非線形パネル法と呼ぶ。非線形パネル法は大別して、核関数に時間領域Green関数を用いる方法と、ランキンソース(1/r)を用いる方法に分類できる。

片岡ら29)は時間領域Green関数を用いた非線形パネル法の開発に取り組んでいる。この方法はGreen関数を用いる事で船体表面だけの離散化で問題が解けるため、計算時間の点で有利である。自由表面条件は線形であるが、時々刻々の水面下の船体形状の変化を考慮して、Body surface nonlinearの計算を行うことができる。これにより、水面上の船体形状の影響をある程度考慮することが可能である。

一方、核関数にランキンソースを用いる方法は数値造波水槽,NWT,とも呼ばれ、自由表面形状も未知数として時々刻々追跡計算する。自由表面条件、浮体表面条件共に非線形である。最初は二次元問題に適用され、浮体運動の非線形計算に威力を発揮した30)。その後、三次元問題へも拡張されつつある。浮体表面の変動圧の計算に加速度ポテンシャルを用いる方法と、速度ポテンシャルの後退差分で近似する方法がある。Berkvens31)や白倉ら32)は加速度ポテンシャルを用いた三次元コードを開発した。また、安川は後退差分を用いる方法で、長水槽を航行する船の波浪中船体運動の時刻歴解析を行っている33)。核関数にランキンソースを用いる方法では自由表面も含めて離散化する必要があり、膨大な記憶容量が必要である。また自由表面形状が時々刻々変化することから、係数行列を時間ステップ毎に更新しなければならず、計算時間を要する。係数行列の更新を数ステップ毎に省略したFrozen coefficient法など計算時間の節約手法も提案されているが、設計ツールとして実用化するには計算時間をもっと短縮する必要がある。

 

Fig.4 非線形パネル法による数式船型まわりの波紋の計算結果

自由表面、船体表面共に境界条件は非線形

(広島大学 安川宏紀先生 提供)

 

計算時間を短縮する有望な方法の一つとして、岩下らが開発しているHybrid法がある。Hybrid法は時間領域Green関数を用いる方法とランキンソースを用いる方法を組み合わせたもので、船体近傍の狭い領域をランキンソースで自由表面も含めて非線形計算し、遠方の広い領域は時間領域Green関数を用いて解くことで計算時間の短縮を図っている。近傍領域と遠方領域のマッチングに工夫が必要であるが、両手法の長所を組み合わせた方法であり、実用計算法として今後の発展が期待されている。

 

 

Fig.5 Hybrid法によるModified Wigley の船体運動・抵抗増加 (Fn=0.2, χ=180degs.)、ならびにSeries-60(Cb=0.6)のFn=0.2, KL=1.32(τ=0.23)におけるheave radiation waveの計算結果:(自由表面条件は線形)

(広島大学 岩下英嗣先生 提供)

 

(3)CFDによる強非線形問題の数値計算法

実海域における耐航性能推定法として最近注目されているものに、粒子法とCIP法がある。これらはCFDによる数値計算法で、共に水塊の分裂や合体を伴う激しい現象に対しても数値的にロバストな計算法であり、この特性を生かして耐航性能分野の種々の強非線形問題に適用すべく研究が進められている。

 

a) 粒子法

粒子法とは多数の粒子間の相互作用を物理法則に従って計算し、それらの時間発展を求める計算法で、宇宙物理では銀河の衝突のシミュレーション等に用いられている。流体力学の問題では、流体を多数の粒子として表現し、流体の運動方程式を粒子間相互作用のモデルに置き換えることで、時間領域で流体運動をシミュレートする。粒子法では流体の質量は粒子の質量として与えられるため、質量保存則は自動的に満たされている。また、計算格子を用いないため移流項の計算に伴う数値拡散もなく、長時間の計算においても界面がぼやける心配がない。もっとも、粒子で表現しているため界面の概念は元々明確ではないとも言える。粒子法では格子を用いないため、大変形を伴う計算でも格子の変形を気にする必要がなく、流体運動の計算では分裂や合体を伴う激しい現象に対しても数値的に安定である。このように粒子法は強非線形問題の解法に適した多くの長所を有している。粒子法で最もポピュラーなものにSPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)がある。これは欧米でよく使われているが、元々圧縮性非粘性流体の陽解法であり、耐航性能分野の問題では適用範囲が限られている。これに対し、越塚34,35,36)が開発したMPS法(Moving Particle Semi-implicit)は非圧縮性粘性流体へ適用するため半陰的なアルゴリズムで非圧縮性の条件を満たしており、スラミング、甲板冠水、スロッシング等の数値解法として適している。

しかし、粒子法を船舶の設計ツールとして実用化するには、克服すべき二つの問題がある。一つは圧力振動の問題である。粒子法では流体を粒子として扱うため、局所的な圧力の計算値が大きく振動する。接水面上で圧力積分を行うと、振動が平滑化されるため、浮体運動の計算には大きな支障はない。しかし、波浪衝撃圧の計算で局所的なピーク値を問題にする場合は、圧力振動が障害となる。二つめは計算量の問題である。粒子法で実用規模の計算を行うには、膨大な計算時間を要する。大規模な計算を高分解能で行えるようにするには、まだまだ研究が必要である。

近年、日比ら37)はMPS法をスロッシングの計算に用い、圧力振動の抑制法を提案している。末吉38)はMPS法を船舶の耐航性能分野における種々の強非線形問題に適用し、その有用性を示している。その過程で並列計算機を用いた大規模計算や圧力振動の抑制法についても精力的に研究している。越塚らは39)鉄道建設・運輸施設整備支援機構の公募型研究「粒子法による船舶の波浪衝撃解析手法の研究」を実施し、開発したMPS法による甲板冠水の解析コードを、粒子法コードユーザグループを結成して会員に公開している。

http://DynaXserve.nmri.go.jp/MPSCUG/index.html

粒子法の耐航性能分野への応用は、今後ますます進むものと思われる。

 

 

Fig.6 MPS法による打込水の数値シミュレーション

(東京大学 越塚誠一先生 提供)

 

Fig.7 MPS法によるスロッシングの数値シミュレーション

(応用力学研究所 柏木正先生 提供)

 

b) CIP法

耐航性能分野の種々の強非線形問題に差分法を適用する際の問題点として、大変形する界面の取り扱いがある。物体表面や水面に適合した計算格子を用いることは困難であるため、空間に固定した格子で離散化し、密度関数を用いて流体領域、固体領域、気体領域を区別し、その界面を追跡する方法が用いられる。しかし、差分法では移流計算における数値拡散により、計算が進むにつれ密度関数が界面でぼやけてしまう欠点があった。CIP法(Constrained Interpolation Profile)はこの欠点を克服するため、矢部40)が開発した計算法である。CIP法では移流計算の際、格子点において計算対象の物理量とその勾配を変数として計算するのが特徴で、これにより空間内での物理量を三次の精度で表現すると共に、移流計算に伴う数値拡散を非常に小さく押さえている。CIP法から発展したC-CUP法では、気相(空気)、液相(水)、固相(船体)が混在した問題を統一的に解くことが可能であり、空気巻き込みを伴う船底衝撃や甲板冠水の計算へも適用可能と考えられる。また、計算時間も比較的短いため、耐航性能分野の大規模な計算への適用が試みられている。胡、柏木41,42,43)はCIP法を波浪中浮体運動、スロッシング、楔による造波問題等の問題に適用し、計算精度について吟味している。また、水路内を、甲板冠水を伴って航走する船舶の波浪中動揺の計算を行い、CIP法の大規模問題への適用性を探っている。CIP法についても粒子法と同様に、耐航性能分野への応用が進むものと考えられる。

 

 

Fig.8 CIP法による大波高波中を航走するコンテナ船の数値シミュレーション

(応用力学研究所 柏木正先生 提供)

 

(4)耐航性能試験水槽

以上、実海域における耐航性能の評価手法について、計算法を中心に述べて来た。次に、計算法と並んで重要な水槽実験技術について述べたい。日本の耐航性能試験水槽は総じて老朽化が進んでおり、国際基準の機能要件化が進んだ場合に安全性検証用の水槽として対応できない恐れがある。検証用水槽として国際的に認められるには、造波機により発生した波浪場の時間的・空間的均質性、方向スペクトル等の精度、曳航台車の精度、計測値の精度等の水槽試験の品質を定量的に提示することが求められるであろう。国内の水槽で対応できないと、試験を海外の水槽に委託せざるを得ない。これでは設計の主導権を握る事ができず、造船会社にとって国際競争力を保つ上で非常に不利になる。数値計算ツールだけで対応できるとの考え方は現実的ではない。現実には計算できない問題の方が多く、仮に計算できても水槽実験による検証がなければ信用されないからである。EUでは水槽の統合が進み、蘭国のMARINに新たに建造された耐航・操縦性能試験水槽が標準水槽としての役割を果たしている。中国においても新しい耐航性能試験水槽の建設が計画されており、日本においても近代的な耐航性能試験水槽の整備を急ぐ必要がある。将来の耐航性能試験水槽に求められる要件には、

1) 時間的にも空間的にも均一な波浪場の発生

2) 実海域波浪場の水槽内での再現

3) 波浪場ならびに計測結果の精度保証

4) 水槽実験の効率化、水槽実験の省力化ならびに自動化

が上げられる。これらの要件を満たすには、多分割全周吸収式造波機による高品質波浪場の発生と実海域波浪場の模擬、アクティブ消波による波待ち時間の短縮、波浪場の面計測技術等による波浪場計測技術の高度化と高精度化、位置制御方式による高精度曳航台車、造波機と曳航台車とを統合した水槽全体のプログラム制御等の機能が求められる。波浪中大振幅動揺の非接触計測技術、波浪衝撃等の高速流体現象の可視化技術も必要である。耐航性能試験水槽の建造には膨大な資金が必要であるため容易ではないが、造船技術を維持するためには不可欠であるので、我国でも理論や数値計算法と並んでバランス良く整備していく必要があろう。

 


3.1.4 荒天時の海洋波浪

荒天中での船舶の耐航性能を正しく評価するためには、波浪中での船体応答を正確に推定できるだけでは不十分であり、荒天時の海洋波浪についての知識がもっと必要である。本特集の2章に海象条件についての解説があるが、本当に荒れ狂った波浪場の性質を、平常時の波浪統計等からの外挿で正しく評価できるのであろうか。1995年1月1日にノルウェー沖にて26mの孤立巨大波が観測された。また、昨年の台風23号では室戸岬沖で有義波高15mを記録し、最高で26m超の巨浪が報告されている。これらの巨大波はFreak波と呼ばれ、その存在は確認されているが、発生メカニズムはまだ解明されていない。

尾道丸の海難事故は当時異常波浪と呼ばれた孤立巨大波が原因とされているが、このような巨大波との遭遇は現在の船舶設計では想定されておらず、現行の船舶がFreak波に遭遇すると、再び尾道丸の惨事を繰り返す可能性が高い。Freak波は船舶や海洋構造部にとって最大の脅威であり、今後の研究の進展によっては、荒天時の船舶の耐航性能に係る諸基準を、大幅に見直さなければならなくなる可能性がある。

EUでは2000年からFreak波に関するプロジェクト研究”Max Wave Project (http://w3g.gkss.de/projects/maxwave/)”が開始され、人工衛星からのリモートセンシングによりFreak波を観測する試みがなされた結果、Freak波の発生確率は線形確率統計理論が示唆する値よりもずっと高いことが示された。また、日本では2004年から科研費によるFreak波に関するプロジェクト研究が東京大学と海上技術安全研究所によって進められており、成果が期待されている。荒天時の海洋波浪の性質については理論的にも観測技術の点からも課題が多く、未だによく判っていない。海洋波研究のさらなる発展が待たれている。

なお、異常波浪については冨田44)と井上45)による解説記事がある。


3.1.5 おわりに

実海域での性能を考慮した船舶設計では、何よりもまず波浪中での推進性能の改善が求められる。実海域での推進効率の向上によりもたらされる長期的な経済性向上やCO2削減効果等を推定し、船舶のライフサイクルにわたっての価値を評価することで、船社に対してより魅力的な船舶を提供する努力が造船工業会のプロジェクト研究として進められている。これにより我国の造船技術の競争力強化や新たなビジネスの創出に繋げたい考えである。

これに対し、実海域での耐航性能の問題に対する取り組みはまだまだ不十分に見える。耐航性能の問題はどうしても安全性中心となり、板厚の増加など一見経済性と相反する要求が多いため、造船会社の顧客にアピールし難いからであろう。しかし、耐航性能の問題は必ずしも経済性と相反するものではない。荒天中での欠航率が低く故障の少ない船が設計できれば、船舶のライフサイクルにわたる経済性の向上に大きく資するであろう。さらに耐航性能の向上は海難事故による人命と資産の損失を防止し、積載油等の流出による環境被害の防止にも寄与するので、これらによる経済効果を考慮した評価が求められる。推進性能ばかりを追求しすぎると、船尾スラミング等の思わぬ耐航性能の低下を招くこともあり、総合的には船舶の価値を下げているのではなかろうか。耐航性能を経済的な観点からも正当に評価することで、実海域における総合的な船舶性能を評価し、船社に耐航性能の良い船を購入するインセンティブを持ってもらうことが大事である。

今後は、耐航性能評価手法の開発等の技術的な研究だけでなく、経済的な観点からも耐航性能を正当に評価する方法を研究する必要があろう。これが結果として船舶の安全性の向上につながると考える。

 


参考文献

 

耐航性に関する研究解説記事

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スラミング

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甲板冠水

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