3.4 プロペラの流体力学的特性に及ぼすチップレーキの影響
3.4.2 CFD 計算結果
キャビテーションが船尾変動圧力と強い関係性があるため，キャビテーションが発生 するプロペラ翼回転角度が直上位置相当のプロペラ前進率 J = 0.1およびプロペラ設
計点の J = 0.4 のストレート，バックワードチップレーキとフォワードチップレーキプロペ
ラの定常計算を行い，半径方向推力分布，誘導速度と流速，圧力分布について確認 する．乱流モデルは LKE k-kL- モデルを用い，計算領域などの詳細は付録 B に示 す．
(1) 半径方向推力分布
Fig. 3.15(a), (b)にそれぞれ J = 0.1, 0.4 のストレート，バックワードチップレーキとフォ ワードチップレーキプロペラの半径方向の推力分布を示す．プロペラ全体の推力は同 一ピッチで計算しているため，ストレートに対してバックワードチップレーキは, J = 0.1 において-3.8%，J = 0.4 において-3.0%，フォワードチップレーキは, J = 0.1 において -4.5%，J = 0.4において+2.3%である．
0.9R の推力はストレートに対してバックワードチップレーキは, J = 0.1 において-24%， J = 0.4において-17%，フォワードチップレーキは, J = 0.1において+28%，J = 0.4に おいて+22%と，J = 0.1，0.4 ともに，ストレートに比べて翼先端付近ではバックワード チップレーキの推力は小さく，フォワードチップレーキの推力は大きくなることが分かる．
一方で J = 0.1，0.4ともに，翼根付近ではバックワードチップレーキの推力は大きく，
フォワードチップレーキの推力は小さくなることが確認できる．
Fig. 3.15(a) Thrust distributions (J = 0.1)
Fig. 3.15(b) Thrust distributions (J = 0.4) 0.0E+00
5.0E-04 1.0E-03 1.5E-03 2.0E-03 2.5E-03
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
KT (r)
r/R TR0_0
BTR_0 FTR_0
0.0E+00 5.0E-04 1.0E-03 1.5E-03 2.0E-03 2.5E-03
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
KT (r)
r/R TR0_0
BTR_0 FTR_0
(2) 翼面近傍の誘導速度
Fig. 3.12からCFDとSQCM計算結果が同様の圧力変化の傾向を示していることか
ら，境界層の外側の領域の主流の流れが変化しているものと思われる．全流速からプ ロペラ前進速度とプロペラ回転周速度を差し引いて誘導速度とし，境界層より十分外 側の翼面から3mm離れた翼面近傍の流れを確認する．
Fig. 3.16(a), (b)にそれぞれ J = 0.1のバック面とフェイス面の翼面から 3mm離れた 位置の誘導速度ベクトルを示す．ストレートプロペラに比べて，0.7R，0.9R 付近のバッ ク面の誘導速度は，バックワードチップレーキプロペラでは遅い，もしくは主流を減速さ せる傾向に，フォワードチップレーキプロペラでは速い，もしくは主流を増速させる傾向 にあることが確認できる．
また 0.9R 付近から翼先端部のフェイス面からバック面への誘導速度は，バックワー
ドチップレーキ < ストレート < フォワードチップレーキの順で大きくなっており，翼端 渦の強さと関係していることが考えられる．一方，0.7R 付近から翼根部のバック面前縁 側の誘導速度は，フォワードチップレーキ < ストレート < バックワードチップレーキの 順で大きくなっている．
Fig. 3.17(a), (b)にそれぞれ J = 0.1のバック面とフェイス面の翼面から 3mm離れた 位置の相対流速を示す．誘導速度の違いからストレートプロペラに対してバック面の バックワードチップレーキプロペラの流速は遅く，フォワードチップレーキプロペラの流 速は速くなっていることが確認できる．
Fig. 3.16(a) Induced velocities on the back side
Fig. 3.16(b) Induced velocities on the face side
TR0_0 BTR_0 L.E.
T.E.
0.7R
0.9R
FTR_0
Induced velocity (m/s)
L.E.
T.E.
0.7R 0.9R
FTR_0
Induced velocity (m/s) TR0_0 BTR_0
Fig. 3.17(a) Velocities on the back side
Fig. 3.17(b) Velocities on the face side
T.E.
L.E.
TR0_0 BTR_0 0.7R
0.9R
FTR_0
Velocity (m/s)
0.7R 0.9R
T.E.
L.E.
TR0_0 BTR_0
FTR_0
Velocity (m/s)
(3) 翼面上圧力分布
J = 0.1, 0.4のバック面とフェイス面の翼面上の圧力係数 CpをFig. 3.18(a)～(d)に，
J = 0.1, 0.4の 0.7R と0.9R 断面における圧力係数 Cpを Fig. 3.19(a)～(d)に示す．
ここで，プロペラ翼面上の圧力係数 Cp は，p を翼面上圧力，p0 を 基 準 静 圧 ， を 流体密度，n をプロペラ回転数，D をプロペラ直径として以下のように表される．
Cp = p−p0 1
2 n2D2 (3.7)
レーキの異なる 3 種類のプロペラの翼面近傍で誘導速度に差が生じることにより，
Fig. 3.18(a)～(d)では J = 0.1, 0.4 ともにストレートプロペラに比べて，バックワードチッ プレーキプロペラのバック面とフェイス面の圧力は高く，フォワードチップレーキプロペ ラのバック面とフェイス面の圧力は低くなることが確認された．また翼根部付近のバック 面前縁側の圧力は，ストレートプロペラに比べて，バックワードチップレーキプロペラは 低く，フォワードチップレーキプロペラは高くなっている．
翼のコード長 C ，翼断面前縁からの距離を x とすると，Fig. 3.19(a), (c)から 0.7R 断 面においては，J = 0.1, 0.4ともにコード方向位置 x/C = 0.2付近より後縁側では，スト レートプロペラに対して，バックワードチップレーキプロペラの圧力は高くなる方向に平 行移動，フォワードチップレーキプロペラの圧力は低くなる方向に平行移動しているこ とが確認できる．x/C = 0.2 付近より前縁側では，ストレートプロペラに対して，バック ワードチップレーキプロペラの圧力が低く，フォワードチップレーキプロペラの圧力が高 くなる方向に変化していることから，バックワードチップレーキプロペラの有効迎角が大 きく，フォワードチップレーキプロペラの有効迎角が小さくなることが考えられる．
Fig. 3.19(b), (d)から0.9R 断面においては，J = 0.1, 0.4ともにバック面は，前縁から 後縁までストレートプロペラに対して，バックワードチップレーキプロペラの圧力が高く なり，フォワードチップレーキプロペラの圧力が低くなることが確認できるが，フェイス面 では各プロペラによる差は大きくないことが分かる．
このことから，0.9R 付近の推力がストレートプロペラに対して，フォワードチップレー キプロペラが大きく，バックワードチップレーキプロペラが小さくなるのは，バック面の圧 力分布の変化が大きく影響していることが確認できる．
Fig. 3.18(a) Pressure distributions on the back side ( J = 0.1)
Fig. 3.18(b) Pressure distributions on the face side ( J = 0.1)
Fig. 3.18(c) Pressure distributions on the back side ( J = 0.4)
Fig. 3.18(d) Pressure distributions on the face side ( J = 0.4)
FTR_0 TR0_0 BTR_0 L.E.
T.E.
FTR_0 TR0_0 BTR_0 L.E.
T.E.
FTR_0 TR0_0 BTR_0 T.E.
L.E.
FTR_0 TR0_0 BTR_0 T.E.
L.E.
Fig. 3.19(a) Pressure distributions at 0.7R ( J = 0.1)
Fig. 3.19(b) Pressure distributions at 0.9R ( J = 0.1) -10
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Cp
x/C
TR0_0 BTR_0 FTR_0
FACE BACK
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Cp
x/C
TR0_0 BTR_0 FTR_0
FACE BACK
Fig. 3.19(c) Pressure distributions at 0.7R ( J = 0.4)
Fig. 3.19(d) Pressure distributions at 0.9R ( J = 0.4) -4
-3 -2 -1 0 1 2 3 4
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Cp
x/C
TR0_0 BTR_0 FTR_0
FACE BACK
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Cp
x/C
TR0_0 BTR_0 FTR_0
FACE BACK