空気潤滑法による船舶の摩擦抵抗低減技術に関する 研究

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空気潤滑法による船舶の摩擦抵抗低減技術に関する 研究

川北, 千春

https://doi.org/10.15017/1931892

出版情報：Kyushu University, 2017, 博士（工学）, 課程博士 バージョン：

権利関係：

（様式２）

氏 名 ： 川北 千春

論文題名 ： 空気潤滑法による船舶の摩擦抵抗低減技術に関する研究 区 分 ： 甲

論 文 内 容 の 要 旨

国 際 海 運 に 対 す る 環 境 対 策 要 求 は 年 々 厳 し さ を 増 し て い る 。 船 舶 の 航 行 で 排 出 さ れ る CO2

は 2007 年 で 約 8.7億 ト ン（ ド イ ツ 一 国 が 年 間 に 排 出 す る CO2量 に 匹 敵 す る 世 界 全 体 の 排 出 量 の 約 3%）で あ り 、今 後 も 世 界 の 海 上 物 流 の ニ ー ズ は 増 加 し 、CO2排 出 量 も 増 大 す る 傾 向 に あ る と 予 測 さ れ て い る 。海 運 会 社 で は 、船 舶 か ら の CO2排 出 量 削 減 な ど の 環 境 対 策 は 重 要 な 課 題 で あ る と と も に 、 競 争 力 強 化 の た め に 必 要 な 運 航 コ ス ト の 削 減 が 必 要 と な っ て い る 。 こ れ ら の 課 題 を 解 決 す る 方 法 の 一 つ で あ る 船 舶 の 省 エ ネ ル ギ ー 技 術 開 発 へ の 期 待 は 大 き く 、 船 舶 の 省 エ ネ 化 の 推 進 が 急 務 で あ る 。 今 後 の 船 舶 の 開 発 に は 、 従 来 の よ う な 船 体 や 推 進 器 形 状 の 最 適 化 の み で な く 、 さ ら に 一 層 の 省 エ ネ ル ギ ー を 図 る た め の 方 策 が 要 求 さ れ て く る 。

船 舶 の 推 進 の た め に 供 給 さ れ る エ ネ ル ギ ー は 、 造 波 抵 抗 、 粘 性 圧 力 抵 抗 、 摩 擦 抵 抗 お よ び 空 気 抵 抗 等 の 流 体 抵 抗 や プ ロ ペ ラ と 船 体 お よ び 舵 の 干 渉 影 響 に よ り 生 じ る 抵 抗 増 加 に 費 や さ れ る の み な ら ず 、 プ ロ ペ ラ に よ る エ ネ ル ギ ー 損 失 も 少 な く な い 。 こ の う ち 、 摩 擦 抵 抗 は 大 き な 割 合 の エ ネ ル ギ ー 損 失 を 占 め て い る に も か か わ ら ず 、有 効 な 低 減 手 段 が 見 出 さ れ て い な い 。 こ の た め 、 実 用 的 な 摩 擦 抵 抗 低 減 法 の 開 発 は 、 造 船 技 術 者 に と っ て 長 年 の 課 題 ま た は 夢 で あ り 、 地 球 環 境 保 全 の た め に も 重 要 な テ ー マ で あ る 。

本 研 究 は 、 実 用 的 な 船 舶 の 摩 擦 抵 抗 低 減 法 と し て 、 気 泡 を 用 い た 摩 擦 抵 抗 低 減 手 法 の 一 つ で あ る 空 気 潤 滑 法 、 お よ び そ の 技 術 を 適 用 し た 空 気 潤 滑 シ ス テ ム （ALS ; Air Lubrication System） を 対 象 と す る 。 一 般 船 舶 の 推 進 馬 力 の 推 定 に は 模 型 船 を 用 い た 水 槽 試 験 結 果 が 用 い ら れ る が 、ALS搭 載 船 の 推 進 馬 力 を 模 型 試 験 結 果 よ り 求 め る こ と は 困 難 で あ る 。そ の 理 由 は 、 実 船 周 り を 流 れ る ミ リ オ ー ダ の 気 泡 を 模 型 ス ケ ー ル に 換 算 し た 場 合 、 マ イ ク ロ オ ー ダ の 気 泡 を 模 型 船 体 周 り に 流 す 必 要 が あ り 、 単 に 模 型 船 か ら 空 気 を 吹 き 出 す だ け で は マ イ ク ロ オ ー ダ の 気 泡 を 生 成 す る こ と が 困 難 な た め で あ る 。 こ の た め 、 水 槽 試 験 で は 縮 尺 比 よ り も 大 き な 気 泡 を 用 い る こ と に な り 、 摩 擦 抵 抗 低 減 効 果 や プ ロ ペ ラ 周 り の 気 泡 分 布 を 過 小 評 価 す る こ と に な る 。し た が っ て 、ALS搭 載 船 の 省 エ ネ 効 果 推 定 に は 、水 槽 試 験 と CFD（Computational Fluid Dynamics, 数 値 流 体 力 学 ） を 用 い た 摩 擦 抵 抗 低 減 効 果 予 測 手 法 の 組 み 合 せ に よ る 予 測 技 術 が 必 要 か つ 重 要 と な る 。

空 気 潤 滑 法 で は 、 船 底 に 放 出 し た 空 気 が 船 体 周 り の 流 れ に よ る せ ん 断 力 で 引 き ち ぎ ら れ 、 気 泡 と な っ て 船 体 周 り を 流 れ る 。 摩 擦 抵 抗 を 効 果 的 に 低 減 さ せ る た め に は 、 船 体 周 り を 流 れ る 気 泡 が 、 船 体 の 広 範 囲 で 船 体 壁 面 近 傍 を 流 れ る 必 要 が あ る 。 壁 面 か ら 離 れ た 気 泡 は 摩 擦 抵 抗 低 減 に は 寄 与 し な い 。 ま た 、 船 底 に 空 気 を 吹 き 出 す た め の 動 力 が 新 た に 必 要 と な る た め 、 可 能 な 限 り 少 な い 空 気 量 で 、 大 き な 摩 擦 抵 抗 低 減 効 果 を 得 る た め の 省 エ ネ シ ス テ ム の 開 発 が 課 題 と な る 。 ま た 、 船 体 周 り を 流 れ た 気 泡 が プ ロ ペ ラ に 混 入 し た 場 合 、 プ ロ ペ ラ 効 率 の 低 下

や プ ロ ペ ラ 変 動 圧 力 の 増 加 に 起 因 す る 船 体 振 動 の 増 加 と い っ た 背 反 事 象 も 課 題 の 一 つ で あ る 。 空 気 潤 滑 法 を 応 用 し た ALS 実 現 の た め に 必 要 不 可 欠 な 技 術 は 、1） 船 体 周 り の 気 泡 挙 動 予 測 技 術 、2） 気 泡 に よ る 摩 擦 抵 抗 低 減 効 果 の 予 測 技 術 、3） 気 泡 流 中 で 作 動 す る プ ロ ペ ラ 特 性 お よ び プ ロ ペ ラ 変 動 圧 力 予 測 技 術 で あ り 、 本 研 究 は 、 こ れ ら の 技 術 開 発 を 目 的 と す る 。

本論文は、5章で構成されており、その内容は以下のとおりである。

第 1 章 は 緒 論 で あ り 、 本 研 究 の 必 要 性 な ら び に 舶 用 省 エ ネ 装 置 開 発 に 関 連 す る 研 究 の 経 緯 に つ い て 概 説 し 、 本 研 究 の 目 的 で あ る 船 舶 の 摩 擦 抵 抗 を 低 減 さ せ る た め の 一 手 法 で あ る 空 気 潤 滑 法 を 用 い た 舶 用 省 エ ネ 装 置 ALSを 開 発 す る た め の 重 要 な 課 題 を 述 べ た 。

第2章 で はCFDを 用 い た 空 気 潤 滑 法 に よ る 船 体 周 り の 気 泡 挙 動 予 測 技 術 お よ び 摩 擦 抵 抗 低 減 効 果 予 測 技 術 に つ い て 述 べ た 。 そ し て 船 体 周 り を 流 れ る 気 泡 流 を 取 り 扱 う た め の 気 泡 流 モ デ ル と 本 研 究 で 開 発 し た 摩 擦 抵 抗 低 減 モ デ ル に つ い て 、 平 板 と 船 体 を 対 象 と し た 試 計 算 、 お よ び 、ALSを 搭 載 し た 世 界 初 の 新 造 船 で あ る モ ジ ュ ー ル 運 搬 船 の 海 上 運 転 結 果 と 計 算 結 果 を 比 較 し 、 予 測 法 の 有 効 性 に つ い て 述 べ た 。

第 3 章 で は 模 型 を 用 い た 船 体 周 り の 気 泡 挙 動 計 測 法 や プ ロ ペ ラ 特 性 計 測 法 に つ い て 述 べ る と と も に 、ALSを 搭 載 し た モ ジ ュ ー ル 運 搬 船 対 応 模 型 を 対 象 に 実 施 し た 実 験 結 果 を 元 に 、船 体 周 り の 気 泡 流 れ の 特 徴 や プ ロ ペ ラ に 気 泡 が 混 入 し た 場 合 の プ ロ ペ ラ 特 性 へ の 影 響 に つ い て 述 べ た 。

第 4 章 で は 気 泡 流 中 で 作 動 す る プ ロ ペ ラ の 変 動 圧 力 に 関 し 、 そ の 特 性 や 気 泡 が プ ロ ペ ラ に 発 生 す る キ ャ ビ テ ー シ ョ ン に 与 え る 影 響 に つ い て 述 べ た 。 さ ら に 、 二 相 流 体 音 圧 伝 搬 解 析 に よ る プ ロ ペ ラ 変 動 圧 力 の 増 減 効 果 の 予 測 手 法 を 用 い た 数 値 計 算 結 果 か ら プ ロ ペ ラ 周 り に 気 泡 が 存 在 す る 場 合 の プ ロ ペ ラ 変 動 圧 力 の 増 減 メ カ ニ ズ ム に つ い て 述 べ た 。

第 5 章 は 本 論 文 の 結 論 で あ り 、 本 研 究 に よ っ て 得 ら れ た 成 果 を ま と め る と と も に 、 本 研 究 に お い て 不 足 す る 点 や 、 今 後 取 り 組 む べ き 課 題 に つ い て 述 べ た 。