楕円形浮体の長さ幅比が抵抗力に及ぼす影響に関する研究

TUMSAT-OACIS Repository - Tokyo University of Marine Science and Technology (東京海洋大学)

楕円形浮体の長さ幅比が抵抗力に及ぼす影響に関す

る研究

著者

太田 潤也

学位授与機関

東京商船大学

学位授与年度

2004

URL

http://id.nii.ac.jp/1342/00000690/

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修士学位論文

楕円型浮体の長さ幅比が抵抗力に及ぼす影響に

       関する研究

平成16年度

（2004）

東京商船大学大学院

  商船学研究科

商船システム工学専攻

  太田 潤也

楕円型浮体の長さ幅比が抵抗力に及ぼす影響に関する研究

2003102 太田潤也

 著者は学部2年次から毎年夏に浜名湖にて開催される「目本ソーラー＆人カボートレース選手権大会」 に自らボートを製作し、出場してきた。ボートの製作期間は例年夏休み期間のみという時間的制約から、 船体設計等は理論的な裏付けや過去のデータからの論理的な解析などがほとんど無く、実際には勘や見 た目に頼って製作を行ってきた。  しかし、レースタイム等の成績の面では年々上昇傾向にあることは問違いなく、船舶関係でよく引き 合いにだされるいわゆる「経験工学的」発展はある意味成功の道を辿ってきたといえる。しかし、それ はあくまで著者自身が製作者という場合においてのみいえることであって、何の技術的継承も無いまま 製作者が変わってしまえば、その度に「東京商船大学・東京海洋大学からの出場チーム」として1ある いは0からスタートをしなければならなくなる。その上残念な事に現在のところ次回の大会以降参加し たいという製作者（後継者）は見付かっていない。 そこで、著者自身が船体設計で多用してきた楕円型浮体のうち、長さ対幅比が5・10・15となるも のに関して、抵抗係数やその特1生について計算および実験をして次の世代の製作者に幾ばくかの技術的 継承を実践したいと思う。 山県図表とテーラー図表からの造波抵抗係数の比較      優唱530輔     0．1 累壁     0．05 畑 −−−“−−、、㌧『「、“辱■“『、       ■ 一◆一No．1山県 甑No，2山県  ・・No．3山県 ・一 o．1テーラー        、羅撫鞭     L．・．』澤…■  ．寿・∴∴『 瓢瓢準 幸No．2テーラー ●一No．3テーラー 一〇，1    0    0．1    0．2    0．3    0，4    0．5       フルード数Fn 造波抵抗係数（実験値一フルード） きO 顛瞳︸集髄伸蟹幅製 ｛）沖5 ミ 魚＼

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圏

 実験では、先に示した3種類の楕円型浮体にっいて本学の運航性能実験水槽にて抵抗試験を実施した。 曳航速度は0．1（m／s）∼1．2（m／s）で、O．lm／s毎に計測を行った。  ここで、得られた実験結果と計算結果を比較した場合、造波抵抗曲線の形を見るとテーラー図表の方 が近いといえ、造波抵抗係数を見るとどちらかといえば辛うじて山県図表の方が近いといえるのだが、 何れの摩擦抵抗の式を用いて減算をしてもやはり整合性は欠けているといわざるをえない。  従って、本研究では、楕円型浮体用の造波抵抗係数に関する簡易計算用の図表を今回の実験結果を 基に提示したいと思う。

目次 1． 2。

123

222

3．

1234

3333

4． はじめに 楕円型浮体について 人カボートにおいて楕円型を採用した理由 人力ボート用の楕円型浮体に要求される条件 計算及び計測対象となる楕円型浮体の形状について 抵抗試験について 試験方法について 試験施設について 計測装置について 羅一ドセルの較正について 抵抗試験結果について 4．1 解析方法について 4。2 抵抗試験結果について 5．

123

555

6． 7．

123

777

簡易計算図表からの造波抵抗係数の推定とその有効性について 山県図表を用いた造波抵抗の推定について テーラー図表を用いた造波抵抗の推定について 造波抵抗係数の計算結果 波の位置の計算と抵抗試験結果との比較について 考察 抵抗試験結果について 図表からの計算結果について ぺ一ジ

1

2

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8

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11

13

13

15

27

27

33

36

37

42

233444

7．4

8． 9， 10． 11． 楕円型浮体用の図表について 結論 参考文献 謝辞 付録

47

52

53

54

55

1． はじめに

 著者は学部2年次から毎年夏に浜名湖にて開催される「日本ソーラー＆人力ボートレース選手権 大会」に自らボートを製作し、出場してきた。ボートの製作期問は例年夏休み期問のみという時間 的制約から、船体設計等は理論的な裏付けや過去のデータからの論理的な解析などがほとんど無く、 実際には勘や見た目に頼って製作を行ってきた。  しかし、レースタイム等の成績の面では年々上昇傾向にあることは間違いなく、船舶関係でよく 引き合いにだされるいわゆる「経験工学的」発展はある意味成功の道を辿ってきたといえる。しか し、それはあくまで著者自身が製作者という場合においてのみいえることであって、何の技術的継 承も無いまま製作者が変わってしまえば、その度に「東京商船大学・東京海洋大学からの出場チー ム」としては0からスタートをしなければならなくなる。その上残念な事に現在のところ次回の大 会以降参加したいという製作者（後継者）は見付かっていない。 そこで、著者自身が船体設計で多用してきた楕円型浮体のうち、長さ対幅比が5・10・15とな るものに関して、抵抗係数やその特性について実験により解析し、一般船舶向けの簡易計算図表の 有効性を検証することで次の世代の製作者に幾ばくかの技術的継承を実践したいと思う。

2． 楕円型浮体について 2．1 人カボートにおいて楕円型を採用した理由  船体設計において水平面の形状を楕円型とした理由は、前述のとおり制作期問の制約と参加人数 （つまりは人手）の制約があるため、可能な限り単純で製作しやすくかつそれなりの性能を発揮で きる形状を実現するためである。 2．2 人カボート用の楕円型浮体に要求される条件  先ず、人カボートを製作する上で絶対的に満たさなければならない条件は、ドライバーを搭乗さ せかつ必要な機材を搭載させた状態で十分な浮力を保たなければならないということである。  そこで、ドライバー1名の重量を60k gとし、船体を含む機材の総重量を15k g、の合計7 5k g（双胴船の場合は37．5k g）の浮力を最低限有することを船体の前提条件とする。  次に、大会のレギュレーション（規定）から、全長は6m以内という条件も満たさなければなら ない。

 以上の条件から、長さ3∼6mの閥で、基準排水量が75k gで喫水が0．15mで、長さ幅比

（LIB）が5・10・15となる楕円型浮体の113模型について計測及び理論計算を実施する。

2

2。3 計算及び計測対象となる楕円型浮体の形状について

今回の計算及び計測の対象となる楕円型浮体模型の主要目などの諸寸法を表1に、正面線図を

図1∼図3に示す。

       表1 模型船体主要目

浮体No

No．1 No．2 No。3

L：垂線問長（m）

_0，682

_0，966

_1，184

B：幅（m）

_0． 136

_0，096

_O，078

d：喫水（m）

_0．05

_0．05

_0．05

S：浸水表面積（η22）

0． 107

O，128

0． 142ダ △：排水量（9）

_2，838

_2，835

_2，819

△：排水量（t）

_0．00284

_0．00283

_0．00282

Sc：中央横断面積（〃22）

O．00534

0．00377

0．00306

Sw：水線面積（灘2）

0．0732

0．0733

0．0733

冊

5

10

15

B凡

_0．2

0． 1

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2．72

1．92

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0，368

0，521

0，641

L！d

_13．64

_19．32

_23．68

旺

0．0733

0．0518

0．0422

δ：方形係数

_0，612

_0，611

_0，610

φ：柱形係数

_0，779

_0，778

_0，777

β：中央横断面係数

_0，785

_0，785

_0，785

γ：縦柱形係数

_0，708

_0，774

_0，769

α：水線面係数

_0，789

_0，790

_0，793

2．3．1 方形係数

 方形係数δは、浮体の排水容積△を長さL、幅B及び喫水dの積で割ったもの、つまり、δ＝△

／LBdである。

 仮に浮体の主要寸法を変化させずにδを減少させ、浮体の形状を瘡せ型にして排水量を減少させ れば、当然浮体が受ける抵抗も減少する。

2．3．2 柱形係数

 柱形係数φは、排水容積△を中央横断面積Scと長さ：Lの積で割ったもの、つまり、 φ＝△／ScLである。  柱形係数は、各種の肥痔係数のなかで、最も造波抵抗に影響を及ぽすものである。また、低速で 運用される一般商船の場合は造波抵抗成分が全抵抗のうちの小部分を占めるにすぎない、したがっ て摩擦抵抗成分の低下を考慮すれぱよいので太くて短い船型つまり柱形係数をできるだけ大きく した方がよいとされている。 2．3．4 中央横断面係数  中央横断面係数βは、中央横断面Scを幅Bと喫水dの積で割ったもの、つまり、 β＝Sc／Bdで、これとδ及びφの間には、β・＝δ／φという関係がある。

2．3．4 縦柱形係数

 縦柱形係数γは、排水容積△を水線面積Swと喫水dとの積で割ったもの、つまり、 γ＝△／Swdである。  これは、浮体の排水量の垂直方向における分布で、言い換えればフレームラインの形状の一般的 性質を表すものである。また、縦柱形係数と水線面係数α＝Sw／LBとの間には、γ＝δ／αとい う関係がある。

4

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図1 No．1浮体正面線図

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㊤ ゆ 図3 Nσ．3浮体正面線図

3． 抵抗試験について 3．1 試験方法にっいて  抵抗試験では、先に示した3種類の楕円型浮体について本学の船舶運航性能実験水槽にて実施し た。曳航速度は以下に示す通りで、0．1皿1s毎に計測を行った。 曳航速度：  0．1 （mls） ∼1。2 （】11／s〉 水温； 15℃ 水面状態： 平水 3．2 試験施設について  運航性能実験水槽の概要については下の図4の通りである。 水槽の長さ54m、幅10m、水深2mで、東端に造波装置、西端に消波ビーチが設けられている。 さらに水槽の両面には昇降式の消波装置が設けられている。 ②造波装置 _レール ①曳航電車 ③消波装置 レ  ’レ ／／  だ一 冊衙1 量 ．國  Y       登1、卜■     一     ﹄     ﹄

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・薫

図4 実験水槽概要図

8

3．3 計測装置について  本抵抗試験では、ロードセル（容量5kg〉を用いて浮体にかかる全抵抗値を計測した。今回の曳 航試験では、横揺れ（ロール）は固定とした。計測装置の概要とブロック図を以下に示す。（図5 ∼図6）

上下動装置

1 贈 ．

曳航電車レール

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ビーム（H型鋼）

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模型船

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ロードセルガイド装置

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図5 計測装置

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文化響織 賀o。480ユ ロードセル

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WS

ユニパルス  ？盛6’ リニア  レコーダー 驚丁3200翼 図6 ブロック図 10

3．4 ロードセルの較正について  今回使用したロードセルおよびポテンショメータの較正結果を以下のグラフに示す。（図7∼図 9） ロードセルは、プーリーを介して重錘によりワイヤーを引くという実荷重較正法によって行った。 ポテンショメータでは、定規により定量的な変位をさせるという実変位較正法によって行った。

 1600

1400

1200

＞1000

） 800R壬1600

志400

 200

  0

−200

→一電圧（mV）

線形（電圧（mV））

0

y＝5．5402x−0．05

負荷（gf）

図7 ロードセルの較正

︵＞∈︶R昭

一226．86

y＝一35．044

5  −10

5   10   1

＋出力（mV）

一線形（出力（mV））

変位（mm）

図8 ポテンショメータ（F〉の較正 ︵＞∈︶Rヨ

5  −10  −5

10   1

＋出力（mV）

線形（出力（mV））

y＝52．702x−398．44

変位（mm）

図9 ポテンショメータ（A）の較正 12

4． 抵抗試験結果について 4．1 解析方法について 4．1．1 楕円型浮体の抵抗の解析について  3次元解析法によれば流体中の物体の全抵抗は、浸水表面積に相当する平板の摩擦抵抗と船体形 状による抵抗と造波抵抗に分離できる。そこで今回は、まず全抵抗係数CRを解析し、次に「プラ ントルの式」「1．T、T，C1957の式」「フルードの式」の3種類の摩擦抵抗係数の計算式を用いて全抵 抗から摩擦抵抗成分を除去した船体形状による抵抗成分と造波抵抗成分（剰余抵抗）の係数を解析 し、最終的に造波抵抗係数を解析する。 4。1．2 摩擦抵抗の計算について  抵抗の解析に用いた摩擦抵抗の計算方法について以下に示す。 ①Prandtl・Schlichtingの式         0．445    1700     C ＝      一一  適用範囲：5×蓋05＜Re＜109      ∫ （logRe）λ58  Re

        l

    R∫ニc∫廼v2

但し、Rf：摩擦抵抗（kg），ρ：水の密度（㎏、sec2／彫4），S：浸水表面積（溺2），V：速度（m／s）

②1．TTC1957の式

    C∫一〇・075（1・gRe−2）一2

        1

    R∫＝C∫がV2

但し、Rf：摩擦抵抗（kg），ρ：水の密度（度g・sec2／’η4），S：浸水表面積（〆），V：速度（皿ノs）

③フルードの式と摩擦係数の式

    R∫＝碗＋α0043（15イ）lSV1鋤

      0．258

    λ＝0．1392＋

         2．68＋五

但し、Rf：摩擦抵抗（kg），δ：水の腫t＝水温（℃），S：浸水表面積（め，V＝速度（m1Sl， λ：摩擦係数 4．1．3 船体形状による抵抗について  船体形状による抵抗とは一般に渦抵抗あるいは粘性抵抗の一部として知られているもので、これ は、実際の船体表面まわりの流体の流れは平板とは異なり、流速も流線に沿って変化していること によるものである。  また、Hughesは平板の摩擦抵抗をλ倍したものが船体の粘性抵抗であると定義している。さ らに、浸水表面積が平板・船体ともに等しい場合に、 平板の粘性抵抗（摩擦抵抗）＜船体の粘性抵抗（＝相当平板の粘性抵抗＋船体形状による粘性抵抗） となるため λ＞1．0 よって λ＝1＋k としてこのときのλまたはkのことを形状影響係数と いう。したがって本研究では剰余抵抗成分から造波抵抗成分のみを抽出する場合にはkの値を求め る必要があるのだが、kの値を実験値から求めるためには造波抵抗がほとんど生じていない非常に 低い曳航速度における全抵抗から先に示した平板の摩擦抵抗を除去することから求められる。 4．1．4 船体平均沈下量および船体傾斜の解析について  船体平均沈下量は模型船の静止状態に対する船体中央における沈下量であり、船体傾斜は模型船 の静止状態に対する船体傾斜のことである。  一般に船首および船尾垂線（EPおよびA・P）における沈下量を求め、船体平均沈下量および傾 斜を求める。  トリム計測位置（ポテンショメータの位置）は必ずしもEPおよびA．Pではないため、今回は以 下のような計算を行った。  まず、RPから船首トリムの計測点までの距離をκ1（m）、その沈下量を4（m）、APから船尾 トリムの計測点までの距離を梅（m）、その沈下量をぬ（m）として、船首垂線における沈下量△4 および船尾垂線における沈下量△吻を求める。

       14

κ3＝勿ρ一コ‘1−」‘2 雌／勿＝｛4＋（x、／芳3）×（4一面）｝／吻 △ぬ／勿二｛ぬ＋（x、／芳3）×（4一ぬ）｝／勿 船体平均沈下量ムゴ／功ρは船体中央における値であるので、

湿／勿＝1脚／切）＋（△あ／勿）1

      2

船体傾斜△Tは

 △T＝（△4／Z勿）一（△ぬ／勿） の式により求まる。 4．1．5 波の位置の解析について  波の位置については、曳航電車の側面に設置しておいたカメラからの画像を基に計測を行った。 そのため、曳航速度0．1∼0。3（m／s）では、ほとんど造波が見られなかったので計測は行わなかっ た。 4．2 抵抗試験結果について  以下に示すグラフで、各模型船の曳航速度およびフルード数と全抵抗係数、造波抵抗係数の関係 ならぴに曳航速度およびフルード数と船体平均沈下量、トリム、波の位置の関係を示す。（図10 ∼図31）

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0

0．2 0．4     0．6     0．8    曳航速度（m／s）

1

1．2 1．4 図10 全抵抗係数（実験値）

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0．2   0．3

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0．4 0．5 図11 全抵抗係数（実験値）

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1

1．2 1．4 図12 剰余抵抗係数（フルード）

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0．4 0．5 図13 剰余抵抗係数（フルード〉

0.1 4

0.12

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1．4 図18 造波抵抗係数（フルード）

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0．4 0．5 図19 造波抵抗係数（フルード） 20

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1”  ﹂   α   ρ   0   ρ   ρ 0   0      0   0。  0   0

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1

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1．4 図20 造波抵抗係数（1！ETC）

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＋No．1

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フルード数Fn

04

0．5 図21 造波抵抗係数（1．TTC）

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﹂   −   α   n   O   P   O O   α      0   α   0   α

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1．4 図22 造波抵抗係数（プラントル）

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1”   。−   α   n   O   n   ρ 0   0        0   0   0   0

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0．4 No．1 No．2 No．3

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0．1 0．5 図23 造波抵抗係数（プラントル） 22

2

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曳航速度（m／s）

図24 船体平均沈下量

  2

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図25 船体平均沈下量

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図26 トリム

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26

5． 簡易計算用図表からの造波抵抗の推定とその有効性について  抵抗試験より得られた造波抵抗係数のデータを基に、今回の楕円型浮体のような特殊な船型に対 して造波抵抗簡易計算用図表のうち、「山県図表」及びrテーラー図表」が適用可能なのかどうか を検証したいと思う。 5．1 山県図表を用いた造波抵抗の推定について

5．1．1 山県図表について

 山県氏は、任意の形状の船が種々の速度で航行する場合に、これに作用する造波抵抗を類似船の 資料を基に簡易計算するために、第一の手段として形状の異なる109種類の船舶の模型で、フルー

      

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      2

基線上に図示した。  しかし、上記の109隻の船舶の水槽試験結果だけでは、任意の形状の船体が種々の速度において 受ける造波抵抗を推定する場合には困難であったため、第二の手段として、先ず標準的な船型を選 定し、これに対する造波抵抗係数を山県氏の水槽試験における経験により求め、これを図示した。 （図32） また、抵抗を計算しようとする船型が標準船型と異なった場合に対する修正方法を提示している。

5．1．2 標準船型について

山県氏は、標準船型として、以下に示すような諸条件を備えたものを選定した。

①B几＝0．1350

②B！d＝2．25

③ 船尾形状を巡洋艦型とする ④ 船体の一般形状、つまり肥脊係数及び浮心の位置等は、所要速度に対して理想的なものと   する。 ⑤ 船体には舵等の付加物を一切取り付けない。

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5．1．3 修正係数について

 山県図表を用いて造波抵抗係数を略算する場合に、B伍が標準値0．1350と異なった場合、B／dが 異なった場合、船尾形状が異なった場合はそれぞれの修正用の図表から修正値を求め、これらの値 を元の図表から得られた値に加算することで、BIL及びB／dが標準値と異なり、かつ船尾形状が普 通型の船体に対する造波抵抗係数が求められる。当然ながらこの中でB伍に対する修正値が抵抗係 数の算出にあたり最も影響を及ぼす。（図33∼図35）

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30

5．1．4 修正における問題点と解決方法

 先に提示した3種類の楕円型浮体の造波抵抗係数を計算する際、上記の修正方法を忠実に実行し た場合、特にBILに対する修正値が過大となり一部に明らかに異常といえる値が生じた。その例を 図36に示す。 0．16 0．14 0．12

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一〇〇2 曳航速度（m／s） 図36 山県の修正方法を忠実に再現した場合  図36に示した造波抵抗係数のグラフは山県の修正方法を手順通りに再現したものである。グラ フから分かる通り曳航速度が低い時に、No．2及びNo．3浮体の造波抵抗係数がマイナスの値を示し ており明らかに異常だといえる。例えば、No．3の浮体を例に挙げると、曳航速度二〇．5（m／s）つま りFnニ0．15として，δ＝0．61，BIL＝0．066，Bld＝1．56なので、 標準船型図表から… C∼〃＝0．00255 BIL修正図表から… （△Cw）％ ＝0．06

これに上のB伍を代入して・・1    （△Cw）％       ＝0．06   0．066−0．1350   （△Cw）ヅーα00415 B！d修正図表から…   （△Cw）％        ＝0．001

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これに上のBldを代入して…   （△（知）％         ＝0．001   1．56−2．25   （△Cw）％＝一〇・000362 船尾修正図表から…   （△Cw）sニ0・0001B 以上をまとめると…   Cw＝C婦＋（△Cw）％＋（△Cw）労＋（△Cw）5＝一α00159 となる。  しかしながら、今回は特に高速域に齢ける造波抵抗係数の推移を重視するために、低速域におい てマイナスの値を示している領域を無視することとした。

32

5．2 テーラー図表を用いた造波抵抗の推定

5．2．1 テーラー図表について

 テーラー氏の図表の経緯については、先の山県氏の場合とほぼ同様であるが、一般に高速船にお ける剰余抵抗の計算値はテーラー図表の方が良姓な値を示す。テーラーの系統模型の母型は巡洋艦 型船尾を有する、軍艦である。また、図表中の単位はフート・ポンドで示されている。  テーラーの系統模型は80種類で、B1α＝2．25及び3．75の2群に分れており、それぞれ5種類の 排水量長さ比△／（〃100）3＝50，100，150，200，250と、8種類の柱形係数（0．48∼0．86）で構成され ている。但し、中央横断面係数は0。926で一定となっている。模型の水線長は2（胱で、速長比V／π は0．6から2．0まで試験された。  テーラーは、水槽試験により得られた全抵抗値から、フルードの式で摩擦抵抗値を求めて全抵抗 値から引き、排水トン数で割ることで毎トン当り剰余抵抗Rパムを得た。  テーラー図表は、B！dニ2．25，3．75の場合のそれぞれの速長比V／冨の場合に対して、横軸に柱 形係数Cpをとり、縦軸に△〆（〃100）3をとっ て図表をつくり、Rr1∠］（1bslt）の値を示したもの である。（図37∼図38）

5．2．2 補完計算について

 今回のテーラー図表を用いての造波抵抗係数の計算にあたり、No．1∼No。3の各浮体の排水量長 さ比△／（L／100）3はそれぞれ、253，89，40 であるため、それぞれの数値に適合するようにテー ラー図表に対して補完計算を実施した。

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 但し、No．1浮体に関しては、高フルード数域（Fn＞0．35，一＞1．15）の場合に図表の値が存在

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していなかったので、近似計算によって補完を行ったが、以下に示すグラフからも分かるとおり、 値としてはあまり有効でないと思われる。

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図37

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テーラー図表2

図38

5 3 造波抵抗係数の計算結果 先に示した図表から得た計算結果を以下に示すグラフに示す。（図39∼図41）

642186420

﹄ ﹂ 1 α o o o o

O   O   O      O   O   O   O

     δ癒瞳お駿輿廻

一◆一No．1

＋No．2

  No．3

0

0．1

骨■4

0．2    0．3

フルード数Fn

0．4 0、5 図39 山県図表から求めた造波抵抗係数

642186420

﹄﹂﹂αっρっ0

0  ︵U  O     O  O  O  ︵U

   δ癒肇牽麺

一◆一No．1

＋No．2

  No．3

0

0．1

0．2   0．3

フルード数Fn

0．4 0．5

図40

テーラー図表から求めた造波抵抗係数

     36

0．16 0．14 n∠   41   QU   6   4 1  α  O  O  O α     0。 0  α

塗O駁還垢饗輿廻

0．02

0

→一No．1山県

＋No．2山県

  No．3山県

→←No．1テーラー

＋No．2テーラー

＋Nα3テーラー

0

0．1 ■ 0．2    0．3

フルード数Fn

0．4 0．5 図41 山県・テーラー図表の比較

6． 波の位置の計算と抵抗試験結果との比較にっいて  船首で発生する波の山と谷との位置関係について図42のように定義して、以下に示す式によっ て計算を行い、先に示した抵抗試験結果との比較を行った。（図43∼図46）  浮体の曳航速度をV（mls）とすると、そこで発生する波の波長λとVの問には、

傷

匠

という関係があり、λについて整理すると

  2πV2

λ＝

9

となるため、図34の鎧、愈2に対しては、 ぞ1 ＝圭〔暑×2誓〕 ・2＝ 〔葦λ〕霰去〔牙×2誓〕 となる。但し、係数として112をかけたのは、実際に発生する波の進行速度が群速度であり、実際 に観測される91，＠2の位置に合わせるためである。また、図43∼図46では、91，￠2をNo．1 ∼No．3の各浮体の長さLに対する百分率として表示している。

38

llJ

ia

60

50

 0     0     0  4     3     ウ﹄ ︵8︶魍坦e憩灸佃程 10

0

＋cal．1

＋cal．2

  cal、3 →←exp．1 →←一exp．2

＋exp．3

0

0．2 0．4 0．6   0．8 曳航速度（m／s）

1

1．2 1．4

図43 波の谷の位置

60

50

 0    0    ハU  ﹄マ    3    ウ﹄ ︵＊︶削坦e憩灸細襲 10

0

■ 一◆一cal，1

＋cai．2

  cal．3 →←exp．1 →←exp．2 一●一exp．3

0

0．1 0．2     0．3

フルード数Fn

0。4 0．5

図44 波の谷の位置

40

90

80

0   0   0   0   0   0 ﹃ノ   6   魔︾  4   3   ウ6

 ︵＊︶脳坦e9載粗憩

10

0

＋cal．1

＋cal．2

  cal，3 →←exp．1 →←exp．2 一〇一exp．3

0

0．2 0．4 0．6   0．8 曳航速度（m／s）

1

1。2 1．4

図45 波の山の位置

90

80

70

（

悉60

_＋cal．1

削週50 ◆

＋cal．2

 cal．3 ’』40’ →←exp．1 潤梱30 _写男

_＋exp．2

●一exp．3

20

zグ ■

り

10 量 ’

0

0

0．1 0．2 0．3 0．4    0．5

フルード数Fn

図46 波の山の位置

7． 考察

7．1 抵抗試験結果について  全抵抗係数および造波抵抗係数の実験結果を図10∼図31に示した。  はじめに各浮体をそれぞれ個別に詳細に見てみる。  まずNo．1浮体に関しては、船体形状による抵抗の影響からFn＝0．00∼0．20において全抵抗係数 が一旦減少する傾向にあり、Fn＝0．23付近で微小ではあるが造波抵抗係数の山、Fnニ0。28付近でも 微小ではあるが造波抵抗係数の谷が見受けられる。さらにFnニ0．29付近から急激に造波抵抗係数が 増加し、Fn＝0．39付近で二回目の造波抵抗係数の山、Fn＝0．43付近で二回目の造波抵抗係数の谷が 見受けられる。  No．2浮体に関しては、同じく船体形状による抵抗の影響からFn＝0．00∼0．11において全抵抗係 数が一旦減少する傾向にあり、Fn＝0。17付近で微小な造波抵抗係数の山、Fn＝0．20付近で微小な造 波抵抗係数の谷、Fnニ0．27付近で二回目のきわめて微小な造波抵抗係数の山、Fn＝0．30付近で二回 目のきわめて微小な造波抵抗係数の谷、Fn＝0．33付近で三回目の造波抵抗係数の山、Fnニ0．33以降 は再び造波抵抗係数が減少する傾向が見られた。  No．3浮体に関しては、同じく船体形状による抵抗の影響からFn＝0．00∼0．14において全抵抗係 数が一旦減少する傾向にあり、Fn＝0．20付近で造波抵抗係数の山l Fn＝0．23付近で造波抵抗係数の 谷、Fn＝0．27付近で二回目のきわめて微小な造波抵抗係数の山、Fn＝0．30付近で二回目のきわめて 微小な造波抵抗係数の谷、Fn＝0．32付近で三回目の微小な造波抵抗係数の山、Fn＝0．32以降は再び 造波抵抗係数が減少していく傾向が見られた。  次に船体平均沈下量の実験結果を見てみると、何れの浮体もFn＝0．28∼0．30付近から沈下量が増 加する傾向にあり造波抵抗係数の増加とも密接な関係があるといえる。特に注目すぺきは、やはり No．1浮体の船体沈下量であるが、これは正面線図からも予想できる通り水線下での船型が急激に太 ることによって船体まわりの水流の流速も急激に増加する上に船底も比較的幅広のために水中に 吸引されているものと考えられる。それに対してNo．2、No．3浮体のように細長型で、船底方向に 比較的尖っている船型においては吸引の影響をほとんど受けていないものと考えられる。  トリムについて見た場合も船体沈下量とほぽ同様の結果であるが、No．1浮体のデータはかなり上 下している部分が見受けられるのだが、これは模型船体と計測機器との連結方法の問題で、一部の 曳航速度での計測時に船首波が連結部に当るという問題が生じたためと考えられるが全体として 見ると傾向は比較的よくでているものと考えられる。また、図47に内航タンカーのトリムとフル ード数の関係を示したが、これと比較すると楕円型浮体の方がトリム変化が大きいことがわかる。  波の位置については、傾向として見た場合は計算値と良く似ているといえる。また、No．1浮体の 波の山の位置については、0．9∼1．2（mls〉でほぽ一定となっているが、これは船体形状からもわか るように、船首からの位置が50％を超した段階で船体の断面積が急激に減少し始めることで船体周 りの流体の吸い込みが生じ、結果として本来の波の山が存在すべき位置における水位が見かけ上水 平になったためと考えられる。

42

7．2 図表からの計算結果について  造波抵抗係数の計算結果について山県図表とテーラー図表を比較した場合、図39∼図41を見 るとわかる通り、造波抵抗係数の山と谷の位置がずれているということがいえる。  具体的には先ず第一に、山県図表においてはF丑＝0．30∼0．31付近で造波抵抗係数の山が現れて おり、Fn＝0．35付近で造波抵抗係数の谷が現れているのに対して、テーラー図表においては Fn＝0．24付近で一回貝の造波抵抗の山が現れ、Fn＝0．28付近で一回目の造波抵抗の谷が現れており、 さらにFn＝0．33付近で二回目の大きな由、Fn＝0．39付近で二回目の谷が現れている。  次に、それぞれの図表からの造波抵抗係数を見るとテーラー図表から求めた係数の方が全体的に 少し大きいことがわかる。  また、山県図表からの造波抵抗係数ではNo．2，No．3浮体の係数の値がほとんど同じであるのに、 対して、テーラー図表ではNo．2，No．3浮体における係数の値の違いが顕著に現れている。 7．3 試験結果と計算結果について

 前章までに得られた抵抗試験結果と図表からの計算結果を図48∼図50によって比較した場

合、造波抵抗曲線の形を見るとテーラー図表の方が近いといえ、造波抵抗係数を見るとどちらかと いえぱ辛うじて山県図表の方が近いといえるのだが、何れの摩擦抵抗の式を用いて摩擦抵抗成分を 除去してもやはり整合性は欠けているといわざるをえない。但し、No．2浮体では高速域の場合に限 りテーラー図表から求めた造波抵抗係数とよく一致しているといえる。

l

_CD

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JL 0.5

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_0.2

_0.3

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l47 -

*+jC 5e

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44

0．16 0．14 0．12 きo   0．1 遷0．08お

＋山県

テーラー

 expプラントル 選餐0・06 _{→←exp．rrT．C} exp．フルード α04 0．02

0

0       0．1      0．2      0．3      0．4 0．5

フルード数Fn

図48 No．1浮体造波抵抗係数の比較

554535251500403020100

α00。90αOα 。0αっ

  0     0     0     0     0

     δ蓬螢登

＋山県

＋’アーフー

  exp．プラントル ーう←一exp』工丁．C ＋exp．フルード

0

0．1 0．2    0．3

フルード数Fn

0．4 0．5

図49 No．2浮体造波抵抗係数の比較

0．04 0．035 3    5    ウ畠   5   1 0   ウ﹄   0   ‘1   0 α  O  α  0  α       

 ヌO癒遷鯖壁撰姻

0．005

0

乳

＋山県

十’アー7−

  exp．プラントル 十exp』』T」T．C →←exp．フルード

0

0．1   0．2     0．3

フルード数Fn

0．4

図50 No．3浮体造波抵抗係数の比較

46

7．4 楕円型浮体用の図表について  先に述ぺた事由により、山県の図表を参考に今回の抵抗試験結果を基に人カボート向けの楕円型 浮体用造波抵抗係数簡易計算用図表を以下に提示する。（図51）  さらに、本図表により、過去に製作した2つの人カボート（図52∼53）について設計の評価 を行う。  まず、表2に船体の主要目を示し、これを基に楕円型浮体用の図表を使って全抵抗値の算出を試 みる。（表3） 表2 船体主要目 船名 壱式掃海艇 特弐式内火艇 垂線間長（m）

_4．3

_3．9

幅（m）

_0．3

_0．3

喫水（m）

_0．22

_0．18

満載排水量（t）

_{0．105（×2）}

_{0．080（×2）}

浸水表面積（溺2）

_{2．05（×2）}

_{1．70（×2〉}

製作年度

_2001年度

_2002年度

まず、それぞれの直線200mのレース結果が、壱式＝88秒，弐式＝64秒であった。

 従ってフルード数は、壱式がFn＝0．35，弐式がFn＝0．51であるから、図表と実験結果から造波抵 抗係数はそれぞれCwニ0．031，0．022となった。（但し、弐式の造波抵抗係数の算出にあたっては、 実験から得られた造波抵抗係数曲線に対して6次の多項式近似を行った。）よって造波抵抗値は、 壱式が1．811kg，弐式が2．032kgとなる。  さらに摩擦抵抗値をフルードの式によって算出した場合、壱式が2．511kg，弐式が2．583kgとな った。（但し、壱式と弐式で表面の粗度が明らかに違っていたため、粗面による摩擦抵抗影響係数 fを参照してそれぞれに乗じた。壱式の蛋＝1．4，弐式の∫＝1．0）

表3 計算結果

船名 壱式掃海艇 特弐式内火艇 平均速度（m／s）

2．27

3．13

フルード数 0．．35

_0．51

摩擦抵抗値（kg）

_2，511

_2，583

造波抵抗値（kg）

_1，811

_2，032

全抵抗値（kg）

_4，322

_4，615

 つぎに、有効馬力（EHP）と長さ幅比の関係について、例として壱式掃海艇の平均速度である 2．27（皿1s）で航行している場合のグラフを以下に示す。但し、排水量は全て75kgとした。（図 54）  その結果、図54からわかる通り壱式掃海艇は、必要とされる有効馬力が、かなり低い領域にお いて設計されていたことがわかる。  また、図55に示すように楕円型浮体用図表対して壱式・弐式それぞれのL／Bおよび巡航速度に おけるフルード数をプロットした場合、2艇ともに造波抵抗曲線の山を避けるように設計がなされ ていたこともわかる。

48

α1 0．09 0．08 0．07 6       腐︾       4 0       0       0 α     α     0．

蓼O癒瞳煽響爆蝦

0．03 0．02 0ρ1

0

一L／B＝5

レ’B＝10   レ’B＝15 ， タ ■β ■ ，冨 噛 ヂ

0

0。05 α1 0．15   0．2   0．25   0．3

 フルード数Fn

0．35  0．4

図51 楕円型浮体用図表

図52 壱式掃海艇

図53 特弐式内火艇

α18

0．16

0．14

ユエ0．12 山   0．1R曜0．08

噂

＋EHP

_弐式

壱式

摂檸0。06

0．04

0．02

0

0

5     10     15

20

長さ幅比し／B

図54 有効馬力と長さ幅比の関係（V＝2．27） 0．1 0．09 0．08 ﹃ノ   6   属︾  4   3 0   0   0   0   0 α  α  α  α  α

蓼O癒選鯖鞍輿姻

0．02 0．01

0

＋L／B＝5

＋L／B＝10

  L／B＝15 ←L／B＝14．3 L／B＝13

0

0．1

  0．2

フルード数Fn

0．3 0．4

図55 図表による設計評価