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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Kyushu University Institutional Repository

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：

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

平成 30 年 1 月

川北 千春

目 次

第 1 章 緒 論 ··· 1 研究の背景 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 1

船舶の省エネルギー装置 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 3 1.2.1 摩擦抵抗低減技術の分類 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 4 1.2.2 摩擦抵抗低減技術の歴史 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 6 1.2.3 乱流境界層の構造 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 6 1.2.4 受動型低減技術 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 8 1.2.4.1 リブレット（Riblet） ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 8 1.2.4.2 低摩擦型塗料（Low Friction Coatings） ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 9 1.2.5 能動型低減技術 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 10 1.2.5.1 MEMS （ Micro Electro Mechanical Systems ） ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 10 1.2.5.2 Additive ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 12 1.2.5.3 空気潤滑法（Air Lubrication Method） ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 13 1.2.6 摩擦抵抗低減効果の計測技術 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 18 研究の目的 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 19 本論文の構成 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 22

第 2 章 空気潤滑法による摩擦抵抗低減効果の推定 ··· 23 緒 言 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 23

数値計算法 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 25

2.2.1 概要 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 25

2.2.2 計算の流れ ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 25

本研究で使用する気泡流モデル ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 27

2.3.1 概要 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 27

2.3.2 仮定 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 27 2.3.3 支配方程式 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 27 2.3.4 空気吹出部のモデル化 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 30

摩擦抵抗低減モデル ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 32 2.4.1 従来の摩擦抵抗低減モデル（Model-A） ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 32

2.4.2 本研究で提案する新しい摩擦抵抗低減モデル（Model-B） ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 33

事前検討計算 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 35 2.5.1 計算対象 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 35 2.5.2 境界条件および計算条件 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 35

2.5.3 従来の摩擦抵抗低減モデル（Model-A）による計算結果 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 36

2.5.4 新しい摩擦抵抗低減モデル（Model-B）による計算結果 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 41

船体を対象とした計算 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 45 2.6.1 対象船型 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 45 2.6.2 境界条件および計算条件 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 45 2.6.3 計算メッシュ ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 46 2.6.4 単相流計算の結果 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 48 2.6.5 One-way 計算の結果 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 52 2.6.6 Three-way 計算の結果 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 58 2.6.7 抵抗低減量の予測結果 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 62 2.6.8 計算効率について ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 63 空気潤滑システムによる省エネ効果予測手法 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 64

実船実験結果 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 65

2.8.1 速力試験 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 65

2.8.2 燃料消費量 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 66

2.8.3 せん断力計測 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 68

実船実験結果と予測計算結果の比較 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 71

結 言 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 76

第 3 章 船体周りの気泡挙動および気泡流中プロペラ特性 ··· 77 緒 言 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 77

模型船による船底気泡流の可視化実験 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 78 3.2.1 試験装置および方法 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 78

3.2.2 模型船による船底気泡流の可視化実験結果 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 80

船体周りの気泡挙動計算と実験結果の比較 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 86 3.3.1 計算対象・条件 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 86 3.3.2 計算結果と実験結果の比較 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 86 実船船底気泡流観察結果 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 88

プロペラ特性に対する気泡影響 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 91

3.5.1 気泡流中のプロペラ特性計測試験装置および方法 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 91

3.5.2 プロペラ特性に対する気泡影響 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 93 結 言 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 96

第 4 章 気泡流中で作動するプロペラによって誘起される変動圧力







 ··· 97 緒 言 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 97

模型プロペラによる気泡流中のプロペラ変動圧力計測 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 98 4.2.1 実験装置および方法 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 98 4.2.2 実験結果および考察 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 100 気泡流中プロペラの変動圧力の特徴 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 103

気泡流中で作動する舶用プロペラの変動圧力の増減 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 106

4.4.1 気泡流中圧力波の増減効果理論 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 106

4.4.1.1 気泡を含む水中における音速 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 106

4.4.1.2 気泡による音波の増減効果 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 106

4.4.2 気泡によるプロペラ変動圧力の増減効果予測手法 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 106

4.4.2.1 二相流体音圧伝搬解析の 3 次元数値解析 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 106

4.4.2.2 解析手法の検証 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 107 4.4.3 気泡によるプロペラ変動圧力の増減 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 108 4.4.3.1 均一ボイド率分布における増減効果 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 108

4.4.3.2 不均一ボイド率分布における増減効果 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 112

4.4.4 変動圧力の増減メカニズムに関する考察 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 115

プロペラ位置のボイド率分布に及ぼす気泡径の影響 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 117 実船実験時のプロペラ変動圧力・船体振動計測結果 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 119 結 言 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 120

第 5 章 結 論 ··· 121

謝 辞 ··· 127

参考文献 ··· 129

付録 A 乱流モデル ··· 137

A.1 Realizable k-ε モデル ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 138

A.2 SST k-ω モデル ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 139

付録 B 代表的な気液二相流モデル ··· 143

B.1 均質流モデル ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 143

B.2 ドリフトフラックスモデル ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 143

B.3 二流体モデル ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 144

B.4 数密度モデル ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 144

B.5 ラグランジアンモデル ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 144

付録 C 波浪中における船体周りの気泡挙動推定 ··· 146 C.1 計算法概要 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 146 C.2 船体強制加振条件の設定 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 147 C.3 波と流れを同時に入力する手法の検討 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 148 C.4 波浪中船体周り気泡挙動の数値計算例 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 150 C.5 結 言 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 152

付録 D 空気潤滑システムの開発 ··· 153 D.1 空気吹出チャンバーの実物大モックアップによる空気吹出試験 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 155 D.2 岸壁係留時の実船空気吹出試験 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 159 D.3 空気吹出配管の流量分配解析 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 162 D.4 シーチェスト内気泡挙動予測 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 170 D.5 結 言 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 172

付録 E モジュール運搬船による実船実験計画 ··· 173

E.1 馬力計測 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 173

E.2 実船用せん断力計 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 173

E.3 船底気泡流観察用曳航式水中航走体 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 175

表図題一覧 ··· 176

記号一覧 ··· 184

第 1 章 緒 論

研究の背景

世界経済の発展に伴い、原油等の原材料価格は今後また高騰すると予想される。国際海運を取り 巻く環境としては、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。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思われる。国際的な地球温暖化防止の動きを背景に、国際海事 機関（International Maritime Organization; IMO）は、船舶から排出されるCO2を規制することを目的と した国際的な規制として「エネルギー効率設計指標（Energy Efficiency Design Index ; EEDI）」を強制 化するための改正MARPOL 条約附属書VIを2013年1月1日に発効した。この条約は、原則とし て国際航海に従事する400GT（Gross Tonnage）以上の全ての新造船舶に適用され、条約への適合を 満足しない船舶は建造することができない。

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。省エネル ギー技術は、代替エネルギー、クリーンエネルギー源の開発に並んで、最も有効かつ現実的な手段と して期待されている。したがって、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。

一般商船は、目的に応じて VLCCやバルクキャリヤ（B/C）に代表される低速・肥大船から、LNG 船

（LNGC）やコンテナ船（C/S）に代表される中速船、フェリーに代表される高速・痩せ型船まで多くの船 種が存在する。船種毎に省エネを目指した船体設計やプロペラ設計が実施される。代表的な船種毎 の抵抗成分を比較して Fig. 1.1（三菱重工業社内データより作成）に示す。船舶に作用する抵抗成分 は、造波抵抗、粘性圧力抵抗、摩擦抵抗および空気抵抗に分類できる。低速船では全抵抗に占める 造波抵抗の割合は小さいが、高速になるほど造波抵抗の占める割合は大きくなる。摩擦抵抗はどの 船種においても最も大きな抵抗成分となっており、全抵抗成分の 50～70%となる。また、船舶の推進 エネルギーは、抵抗成分以外にプロペラに代表される推進器のエネルギー損失や、船体とプロペラの 干渉影響により生じる推力減少率や伴流利得（エネルギー損失ではなく、エネルギーを回収する利得 となる）を考慮する必要がある。代表的な一般商船としてバルクキャリア（B/C）、LNGC および自動車 運搬船（PCTC）のエネルギー損失の内訳を比較して Fig. 1.2（三菱重工業社内データより作成）に示 す。エネルギー損失においても摩擦抵抗によるエネルギー損失が大きな割合を示していることが分か

る。

摩擦抵抗は船舶のエネルギー損失のうち、大きな割合を占めているにもかかわらず、現在まで船体 の浸水表面積を小さくする以外に有効な低減手段が見出されていない。摩擦抵抗低減による実用的 な省エネ装置の開発は、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。

Fig. 1.1 Resistance components of ships.

（Made from Mitsubishi Heavy Industries' internal data）

Fig. 1.2 Energy loss components of ships.

（Made from Mitsubishi Heavy Industries' internal data）

船舶の省エネルギー装置

船舶の省エネルギー装置はFig. 1.3[1]に示すように数多く提案され、実用化されているものも少なく ない。これらの省エネルギー装置は大別して船体抵抗の低減を図るものと推進効率の向上を図るもの に分けられ、実用化されているものは後者に多い[2][3][4]。これらは主としてプロペラの回転流による エネルギーの損失を回収するもので、原理的に容易であるためである。一方、船体抵抗を低減する方 法は造波抵抗を低減させる船首尾バルブの採用など船型自身の最適化が高いレベルまで到達して いるため、なかなか新しい有効な省エネ装置が見出されていない。特に、船舶の摩擦抵抗は全抵抗 の半分以上を占めているにもかかわらず、浸水面積を小さくすること以外に有効な摩擦抵抗低減手法 が見出されていない。

本 節 で は 、 船 舶 の省エネルギーをさ らに向上させること を 目 的 に 、 船 体 抵 抗の主要成 分であ る 摩 擦 抵 抗 を 低 減 す る た め の 技 術 に つ い て 、 過 去 の 船 舶関係のシンポジウ ムテキストや最近の 研 究 成 果 か ら 代 表 的 な 技 術 に つ い て 述べる。

Fig. 1.3 Classification of energy saving device for ships [1].

造波抵抗（含砕波抵抗）

船首尾バルブ SEB

船首水平フィン

摩擦抵抗 空気潤滑法 リブレット LEBUｓ 境界層吸込 弾性皮膜 高分子ポリマー 界面活性剤

低荷重度化 MEMS

大直径プロペラ

ダクトプロペラ 剥離抵抗

プロペラ前方ダクト ビルジロータ

タンデムプロペラ ビルジフィン

多軸プロペラ Vortex Generator

タンネル船尾 吸込と吹出

整流フィン 回転流回収

二重反転プロペラ

リアクションフィン 推力減少率

非対称船尾 Boulbous Open船尾　

ステータフィン リアクションラダー

フィン付ラダーバルブ

伴流係数

キール下突出船尾 Tip & Hub Vortex軽減 ビルジフィン

ブレードレットプロペラ Vortex船尾

ウイングレットプロペラ ｵｰﾊﾞﾗｯﾋﾟﾝｸﾞﾌﾟﾛﾍﾟﾗ TVFプロペラ

PBCF BHP；主機馬力

HVFC R　　；船体抵抗

V　　；船速

高揚抗比 e_p；推進器効率

低抗力翼断面 e_r；推進器効率比

境界層制御プロペラ e_H；船殻効率

Ht r

p e e

e V BHP R





 

1.2.1 摩擦抵抗低減技術の分類

船舶や航空機等の周りの流れは、粘性力に比べて慣性力が卓越している高レイノルズ数流れと なっている。レイノルズ数が大きい流れでは、物体の表面近傍に境界層と呼ばれる速度勾配の大きい、

薄い領域が存在する。粘性の影響はこの境界層内にのみ顕著で、境界層の外側の領域では粘性は 無視できる流れとなっている。境界層は層状をなして規則正しく流れる層流境界層と不規則で乱れた 流れの乱流境界層に大別され、流体の粘性に起因する摩擦抵抗は層流境界層では小さく、乱流境 界層になると急増する。物体表面に沿って発達する境界層は、まず前端から層流境界層がはじまり、

遷移域を経て乱流境界層になる。したがって、摩擦抵抗を減らすためには、できるだけ遷移域を下流 に移動させ、物体表面の広い範囲で層流境界層を保つような工夫をすることが必要である。また、乱 流境界層でも、流体運動の乱れを抑制することにより、摩擦抵抗を減らすことが可能である。一方、物 体表面から流れが剥離すると抵抗は大きくなるので、抵抗低減のためには、剥離を防止したり遅らせ たりするための工夫が必要である。このように遷移を遅らせたり、乱れを抑制したり、剥離を防止したり することを境界層制御と呼び、古くから研究されて、数多くの方法が提案されている[2][3]。

摩擦抵抗低減の現象的な分類では、層流境界層から乱流境界層への遷移をできるだけ遅らせる 方法と乱流の乱れそのものを抑制しようとする方法がある。前者は、層流境界層の摩擦抵抗は乱流境 界層の摩擦抵抗に比べて著しく小さいことに基づくもので、古くから多くの研究があって、層流翼型や 境界層吸い込みなど航空機の分野で実用化が図られているものもある。一方、後者は、乱れの生成 や散逸などの壁乱流の組織的構造（coherent structure）の理解が進み、この構造を何らかの方法で制 御あるいは変更することにより乱流摩擦抵抗を低減しようとするものである。船舶はレイノルズ数が非 常に高く、また海水中を航行するため船体表面の汚損が避けられず層流境界層を保つのは至難のこ とであるから、本項では乱流遷移の制御による摩擦抵抗低減技術は取り上げず、乱流摩擦抵抗を低 減する技術について述べる。

摩擦抵抗低減手法の代表的な分類は、受動型（Passive型）と能動型（Active型）に分ける方法であ る。受動型は抵抗低減装置を稼動するのに特別のエネルギーまたは動力を要しないのに対して、能 動型はそれを必要とするものである。一般的には能動型の方が抵抗低減効果は大きいが、動力に要 したエネルギー分を差し引いて正味のエネルギー低減効果を評価しなければならないことになる。代 表的な受動型および能動型の抵抗低減技術の一覧をTable 1.1および1.2に示す[1～6]。近年、マイ クロバブルと空気膜法を併せ、空気潤滑法（air lubrication method）と称されている。

Table 1.1 Drag reduction by passive means.

Table 1.2 Drag reduction by active means.

名 称 概 要

リブレット Riblet

流れに平行にV字型やU字型断面の微小溝（100μmオーダ）を物体表面に 設け，境界層の壁近くの乱動を制御する技術。8%程度の摩擦抵抗低減効果 あり。

Convex Curvature/

Wavy Wall

Convex Curvatureは平板よりも局所的な摩擦抵抗が小さいことを利用して，適

当な凹凸の曲率を持つ曲面とする技術。10%程度の抵抗低減の実験例あり。

LEBUs ( Large Eddy Break-Up devices )

乱流境界層内に挿入した薄い板状のもので，物体表面に垂直な方向の速度 変動を抑制することにより，物体表面の摩擦抵抗を減少させる技術。薄い板又 は翼型を流れ方向に2列に並べたtandem方式の効果が大きい。LEBU自身 の抵抗を考慮する必要がある。

弾性皮膜 Compliant Wall

物体表面を適度の密度と弾性係数を持つ弾性体で覆うことにより，摩擦抵抗 が減少する。層流から乱流への遷移を遅らせる働きと，乱流境界層の乱れを 抑制する働きがあるといわれている。

Fence

流れに直交して突起物（Fence）を設ける。Fence の後流側に剥離域が形成さ れて，摩擦抵抗が減少する。しかし圧力抵抗が増加するので，両成分のトレー ドオフによる抵抗低減が可能なFence形状の選定が課題である。

高機能塗料

防汚機能を有する塗料による摩擦抵抗低減方法として，①自己研磨型塗料，

②撥水性塗料，③低摩擦型塗料がある。自己研磨型では，船舶の航走により 表面粗度が減少し，摩擦抵抗が減少する。撥水性塗料は，空気潤滑との組み 合せにより，抵抗低減効果が増加する。低摩擦型は，自己研磨型よりも抵抗 低減効果が数%大きいと報告されている。

名 称 概 要

マイクロバブル Microbubbles

微細気泡（～数 mm）を境界層内に供給すると摩擦抵抗が減少する。80%の低 減が得られた実験例あり。抵抗低減のメカニズムは明らかになっていない。船体 模型実験では，圧力抵抗の増加があって，効果が少なくなる例が多い。

空気膜法

Air-Sheet Method

船底を薄い空気膜，または空気層で覆うことにより摩擦抵抗を低減する。低減の 理由は空気の密度が水の約 1/800 であること。船速が 26%増加したという高速 艇の実例あり。

ポリマー, 界面活性剤 Additive

微量（10～数100ppm）のポリマーや界面活性剤の水溶液により，最大70～80%

の摩擦抵抗低減効果がある。ポリマーの付加により，乱動現象が抑制され，粘性 底層が厚くなるとともに，レイノルズ応力が著しく減少することが確認されている。

MEMS MSMS（Micro Electro Mechanical Systems）は，微小なセンサと多数の微小アク

チュエータを組み合わせたマイクロマシン技術を用いて乱流を制御する技術

1.2.2 摩擦抵抗低減技術の歴史

推進性能研究委員会シンポジウムで摩擦抵抗低減技術について記載のあるシンポジウムテキスト および取り上げられている摩擦抵抗低減技術を以下に示す。

1) 船体まわりの流れと流体力（1989）[3]

マイクロバブル、弾性皮膜、LEBUs、リブレット、ポリマー、波状表面など 2) 乱流研究の現状とその応用（2002）[6]

マイクロバブル、空気膜法、界面活性剤（ポリマー）、表面処理法（リブレット、弾性被膜、撥水 性塗膜など）、MEMS

国内外で産官学が共同して摩擦抵抗低減技術に取り組んだ代表的なプロジェクトを以下に示す。

3) （社）日本造船研究協会SR239「船舶の摩擦抵抗低減に関する研究」（1998～2001）[7]

マイクロバブル、空気膜法、表面処理法（自己研磨・撥水性塗膜、弾性皮膜）

4) 文科省「乱流制御による新機能熱流体システムの創出」（2000～2003）[8]

マイクロバブル、界面活性剤、MEMS

5) NEDO「マイクロバブルを用いた船舶の省エネルギー技術の研究開発」（2005～2007）[9]

マイクロバブル

6) 国交省「船舶からのCO2削減技術開発支援事業」（2009～2012）

空気潤滑法、低燃費型船底塗料

7) オランダ「PELS；Project Energy saving air Lubrication Ships」（2001～2005）

空気潤滑法

8) EU「Smooth; Sustainable Methods for Optimal design and Operation of ships with air-lubricaTed Hulls」（2006～2010）[10]

空気潤滑法

上記の流れから分かるように、国内では 1980年代後半にはじまった船舶の摩擦抵抗低減の取り組 みは、はじめ様々な手法が試みられていたが、2000年を過ぎた頃から、空気を船体周りに注入するマ イクロバブルや空気潤滑法の研究が多くなっている。

摩擦抵抗低減に関する書籍としては参考文献[11～15]などが出版されている。

1.2.3 乱流境界層の構造

流れの可視化実験やマイクロスケールの計測器の開発および直接数値シミュレーション（Direct Nu- merical Simulation; DNS）などの数値シミュレーション技術の発展などにより、乱流境界層の構造が次 第に明らかになってきている。乱流摩擦に関わる現象は、壁近傍に起こるサイクリックな現象（エジェク

ション、バースト、スィープ現象）であることが明らかになってきた。壁面付近の流れの構造を模式的に

Fig. 1.4 に示す[16]。壁面近くには低速流体と高速流体が横方向に交互に並んだ縞状のストリークと

ヘアピン渦が存在し、ヘアピン渦の下方が低速ストリークとなっている。ヘアピン渦は上流側の壁近傍 に脚（leg）があって、下流側の頭部（head）は壁から持ち上がった形になっている。壁近傍の長さの尺 度として、viscous unit

 u

ここで、動粘性係数を







u







/

u 

レイノルズ数によって異なるが、

u

y

y

y



y^  (1.2.2)

壁面に近い方から

y

y

y

（outer layer）である。

Fig. 1.4 Conceptual turbulent boundary layer near-wall phenomenology [16].

ヘアピン渦の無次元直径は

d

l

h





=0.3mm 程度になる。ヘアピン渦の下方領域では流れ方向に逆圧力勾配が形成されるため、低速スト リークは下流にゆっくりと流れるうちに局部的に剥離し、ヘアピン渦の誘導速度によって上昇し、あると ころで突然壁から外に向かって流体塊を放出する(エジェクション；ejection)、その後、激しく振動して、

渦構造が崩壊する(バースト；burst)、続いて、高速の流体が壁面に向かって流れ込む(スウィープ；

sweep)が起こる。burst や sweep の過程でレイノルズ応力が発生し、これが乱流摩擦を大きくしている

原因となっている。したがって、このようなサイクリックな乱流構造を制御することにより、摩擦抵抗低減 が得られることになる[16]。

1.2.4 受動型低減技術

1.2.4.1 リブレット（Riblet）

リブレットは Fig. 1.5 に示すような、流れの方向に並んだ規則正 しい多数の溝で構成されており、その溝の深さおよびピッチは 50

～100μm と極めて微小なものである。乱流の組織的構造を変える ことで摩擦抵抗低減を図った受動型低減技術である。1970年前後 頃よりリブレットが注目され、精力的な研究が行われた。リブレット は壁面上に流れと平行に小さな溝を並べたもので、溝の深さや幅

が約20～30viscous unit以下のときに摩擦抵抗は低減し、それより

大きいと逆に抵抗増加となる。摩擦抵抗低減量は最大で約8%程度が得られている[3]。壁面の状態を 変えることで乱流現象を抑制するアイデアは既に1937年のKramerのドイツ特許に見られる。1956年

に Douglas Air Company では遷移を遅らせる目的でリブレット状のものについて実験を行い、速度変

動が減衰することを見出している。その後、1966 年にStanford 大学の Liu らが初めて流れ方向に配 置した薄い矩形状のフィンによって摩擦抵抗が低減することを見出している。それ以来、溝形状や大 きさ、曲率の影響、流れの方向の影響、圧力勾配の影響、軸対称物体、3次元影響、超音速流、内部 流れ、他の方法との組み合わせ、メカニズム解明などについて様々な研究がなされている［5］。また、

ボーイング社とエアバス社はリブレットの実機試験を行い、全抵抗の 2％程度が低減することが実証さ れている。しかし、メンテナンスコストを考えると経済的な効果は小さく、実用には到っていない。実機 への適用を考えると、耐久性や表面の汚れの影響などについて、さらに検討が必要であると思われる。

Fig. 1.5 Riblet [1].

特に船舶の場合、最適な無次元溝深さや幅は

h

0.1mm のオーダとなる。リブレットの溝深さはレイノルズ数にほぼ反比例するため、実船へ適用するた

めには微細な溝を海洋生物等の付着から防汚することが現状技術では困難と思われる。

壁表面が滑らかなほど流体抵抗は低くなると長い間信じられていたが、リブレットのように表面に微 小な凸凹のある方が乱流構造との干渉により抵抗が減ることが明らかになり、様々な表面形状につい て研究が行われた。例えば、流れ方向と直交する方向に微小な矩形溝を設けたd 型粗面[17]や微小 な網粗面[18]についての実験で数%の摩擦抵抗低減が得られている。また、チャンネル流れの実験 において高さが150～200μmの微小突起の列を流れ方向にランダムに配置することにより、約10%の 抵抗低減を得ている[19]。これは微小突起によって壁面近傍のバースト現象が変化し、抵抗が約50%

も低減するというCFDシミュレーション結果に基づいている[20]。実験ではCFDの予測ほどの抵抗低 減は得られなかったが、新しい乱流制御法、あるいはより効果的な摩擦抵抗低減手法の開発に CFD が非常に有効なツールになっている。

1.2.4.2 低摩擦型塗料（Low Friction Coatings）

1970年代のオイルショック時に省エネ塗料として自己研磨型塗料（SPC；Self- Polishing Copolymer）

が出現した。この塗料は航行するにつれ塗膜表面が研磨され、塗膜の表面粗度が低下し燃費低減に つながるものである。現在も船底防汚塗料の主流は自己研磨型塗料であり、今までこれを上回る燃費 低減型塗料は出現していない[21]。近年、日本ペイントマリンと中国塗料は、それぞれ自己研磨型塗 料を上回る低摩擦型塗料（LFC；Low Friction Coatings）を開発し、販売している。日本ペイントマリン の塗料「LF-Sea」は、マグロやイルカなどの体の表面を覆っている粘膜にヒントを得たと宣伝されている 全く新しいタイプの低摩擦型船底塗料である。塗料を被塗物に塗装すると目視では確認できない微 細な凹凸が発生するが、LF-Sea はその成分に含まれる天然由来素材ヒドロゲルの特性を利用し、塗

膜表面に Water Trap Layer と称する層が形成され、水を捕捉させることにより凹凸部分を減少させ摩

擦抵抗を少なくするというメカニズム（Fig. 1.6）に最大の特長があり、 5%程度の燃費低減効果がある と報告されている[22]。

一方、中国塗料が開発した「SEAFLO NEO」 の最大の特長は、低粘度加水分解ポリマーを使用し た超平滑塗面の形成にある。塗装後の仕上がりを重視するよう設計されているため、海水との摩擦抵 抗の少ない平滑な塗膜が得られ、従来塗料に比べ 3～5%の燃費低減効果があると報告されている [23]。また、近年ではポリマーによる摩擦抵抗低減効果を取り入れたポリマー溶出型塗料を用いた実 験結果[24]や超撥水面による摩擦抵抗低減効果の理論予測[25]などが報告されており、低摩擦型塗 料による摩擦抵抗低減効果のさらなる向上が期待される。

1.2.5 能動型低減技術

1.2.5.1 MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）

直接数値シミュレーション（DNS）により、乱流制御の可能性についての研究が行われている[26～

29]。Choiら[26]は壁面からわずかに離れた位置の速度変動を検知し、それを打ち消すように、壁面か

ら局所的な吹き出しや吸い込みを行って、乱流構造を変えるような制御を行っている。25～30%の摩 擦抵抗低減が示されているが、速度変動の検知センサを壁面から離れた所に設置するのは実際的で ないので、壁面の渦度勾配を検知して制御する方法について検討したところ、摩擦抵抗低減は約 6%

となった。また、流れ方向の制御よりも横方向（span 方向）の制御が効果的であることも示した。Breuer ら[29]は、上流の壁面摩擦応力の変動を検知し、適切な feed-forward 型の制御アルゴリズムによって、

下流側に多数配列したマイクロジェットの吹き出しを制御することにより、乱れ強さが 30%以上も低減 することを示している。このときのセンサの大きさは約2.5μmで、マイクロジェットのスリットの大きさは約

0.5mm で、配列の間隔は約 16mm である。このような微小なセンサと多数の微小アクチュエータを組

み合わせたマイクロマシン技術（MEMS） を利用した能動制御の研究が1990年後半より注目され、実 験的な研究も試みられている[30]。

国内では笠木らのグループが、マイクロマシン（MEMS）技術を応用したマイクロセンサやマイクロア クチュエータを応用した壁面に沿う壁乱流の制御システムの実証研究を行った。マイクロデバイスとコ ントローラを統合したフィードハック制御システムの構築のために、ハード、ソフトの両面から研究を進 め、知的乱流制御システムによる抵抗低減を初めて実験的に実証した[8][31]。

壁乱流において摩擦抵抗の成因となる構造は、第 1.2.4項で示したように空間的にも時間的にも間 欠的なものである。したがって、これら壁面近傍の縦渦を選択的に操作することにより、効果的にレイノ

Fig. 1.6 Image for LFC mechanism [22].

ルズ応力、ひいては乱流運動エネルギーの生成を抑制し、壁面摩擦抵抗を低減できるはずである。

Fig. 1.7 に様々な応用場面における縦渦の時空間スケールを示すが[31]、その長さスケールは 10～

100μm程度、時間スケールは0.01～100ms程度であることが分かる。このように多くの乱流は、従来の

システム技術が扱う系に比べて、極めて小さな長さスケールと時間スケールの固有の縦渦を有するも のであるが、MEMSによって、その操作の可能性が見えてきた。

Fig. 1.8 は、壁面上にセンサ、アクチュエータ

を配列し、コントローラと組み合わせた壁乱流の フィードバック制御システムの概念図である。Fig.

1.9は、開発された風洞実験用の制御システムの 一例である。このシステムは 4 列の熱膜式壁面 摩擦応力センサ群および 3 列の電磁式変形膜 型アクチュエー夕群から成り立っている。一列の センサ群には 48 個のセンサが 1mm ピッチで、

また一列のアクチュエータ群には 16 個のアク チュエータが 3mm ピッチで並べてあり、それぞ れ独立に動作させることができる。これらセンサ

Fig. 1.7 Spatiotemporal scales of coherent structure in real application [31].

Fig. 1.8 Feedback control system for

wall turbulence [31].

およびアクチュエータの時間応答は約0.1msの オーダであり、またアクチュエータの膜の変位量 は約50μmである[31]。

MEMS は、壁面近傍の粘性スケール構造を 制御対象とするため、微小寸法のマイクロアク チュエータを要するため、技術や経済性の面で 課題が多い。このため、制御則から原理的に求 められるスケールに比較して、より大きなアク チュエータの導入の可能性を DNS による数値 実験により評価している研究も見られるが、大規

模乱れの制御による摩擦抵抗低減効果が、既存の壁面近傍構造の制御を凌駕する制御効果を達成 する可能性は低いようである[32]。

1.2.5.2 Additive

高分子ポリマー(polymer solution)や界面活性剤(surfactant)や微細繊維(fiber suspension)の添加に よって摩擦抵抗低減が得られる。このような方法を総称して"Additive"と呼んでいる[33]。摩擦抵抗低 減技術で最も実用化が進んでいる高分子ポリマーは数～数 100ppm の希薄濃度溶液で乱流摩擦抵

抗を約 80%低減可能であることが知られている。これは発見者に因んで Toms 効果と呼ばれており、

既に多くの研究が行われている。現在、アラスカのパイプラインに利用されている[34]ほか、地域冷暖 房における冷水温水供給パイプライン[35]、翼端渦キャビテーションの低減[36]などへの適用が検討 されている。

高分子ポリマーは機械的劣化の問題があって、強いせん断流れでは鎖状の高分子が切断しやすく、

一旦切断すると効果が著しく弱くなるが、界面活性剤が形成する棒状ミセル構造は鎖状高分子ポリ マーと同じような働きがあり、高せん断流れで切断された棒状ミセル構造は低せん断流れでは再び棒 状ミセル構造になるため、抵抗低減効果が持続する[20]。このため、最近は界面活性剤に関する研究 が多くなってきている。

魚の筋肉の発生動力から推測すると魚の抵抗が非常に小さいと考えられているが、その原因の一 つは、魚の表面が粘液で覆われているためといわれている。1970 年代初め頃に魚の粘液が調べられ、

摩擦抵抗低減効果があることが明らかにされた[37]。また、水中での運動性能が優れている水棲動物 の体型、表皮構造、鱗、鰭、羽毛などが抵抗低減の観点から注目された[38]。例えば、ペンギンは 1 リットルのベンジンオイルに相当するエネルギーで2,500kmの移動が可能という驚くべき省エネ性能を

Fig. 1.9 Feedback control system for wall turbulence with 192 wall shear force sensors

and 48 shell-deformation actuators [31].

持つといわれている[39]。このように動植物の生態機構には学ぶべき点が多々あって、船舶の分野へ も展開されることが期待される。実際、第1.2.4項で記載したように塗料との組み合せによる取り組みが 行われており、実用化されることが期待される。

1.2.5.3 空気潤滑法（Air Lubrication Method）

空気潤滑法は従来、マイクロバブルや空気膜法、空気注入法(air injection method)と呼ばれていた 手法の総称である。ここでは、参考にした文献が称していた名称を使用することにする。はじめに空気 膜法と呼ばれていた手法について述べる。この方法に近い方法が、欧州や米国で実施されているの で、併せて紹介する。次に、マイクロバブルについて、主に実験室段階の研究と、その後の実船を用 いた研究に分けて述べる。

① 空気膜法

舶体表面を薄い空気膜で覆うことにより摩擦抵抗を大幅に低減できることは良く知られており、1800 年代に既に特許が出されている。川船やバージ船型を対象とした実験研究が多く、ソビエトではバー ジの実船実験で約 20%の抵抗低減を得たとの報告がある[40]。1970 年代前半くらいまで、米国、フィ ンランド、フランス、スウェーデンなどでも同じような研究が行われている。高速艇への適用が中国、米 国で検討され、高速カタマランで7～12knも速力増加が報告されている[41]。空気膜法の課題は薄い 空気膜を実船の船速城で如何にして安定に保持するかということである。空気を供給するのに要する エネルギーを考えると喫水が浅くて船底が広いバージのような船型が有利であることは当然であるが、

タンカーのような一般の船への適用を考えると、空気供給量を小さくするためにはできるだけ薄い空気 膜にすることが必要で、中型、大型のタンカーの場合、空気膜の平均厚さを約60～80mm以下にしな いと正味の省エネ効果が期待できないといわれている。

国内では SR239 において、空気膜法に関し各種実験的検討が行われた[42]。成果としては、16m

長尺模型を用いた水槽実験において、約 30%の摩擦抵抗低減が可能なこと、波浪中においても 8～

16%程度の摩擦抵抗低減が可能なこと、超撥水性塗膜を使用することにより、通常塗装の場合に比べ、

全抵抗で最大約6％程度減少すること、空気膜はFig. 1.10に示すように吹出口直後に形成される「膜 状気膜」から下流に行くに従い、「雲状気膜」、「気泡群」と形態を変遷し、雲状気膜、気泡群にも摩擦 抵抗低減効果の可能性があることを把握した。この気泡群はマイクロバブルと考えられる。このため、

空気膜とマイクロバブルを異なる技術として明確に分けることが困難であるため、その後、空気潤滑法 と呼ばれるようになったのではないかと思われる。

欧州では、空気膜法が盛んに研究されているようであり、実船実験を行っているシステムもある。Fig.

1.11 に示す Air Cavity Ship（ACS）は、船底に窪みを設け、その中に空気を供給するシステムを有す

る船舶である[43]。2,550DWT、長さ83mの船舶にACSを採用して実船実験を実施したとのことだが、

実船実験結果は公表されていないようである。また、EUプロジェクトの「SMOOTH」では、 Fig. 1.12に 示す川船を用いた実船実験を実施した。この船は、semi twin-hull bow と呼ばれる双胴船である [10][44]。

米国では、Navy がスポンサーであるためか、フルード数が 0.4～0.7 の高速船への適用を検討して いる。船底に窪みを持つAir Cavity船型でありCFDによる検討[45]および各種水槽実験を実施して いる。模型船を用いた波浪中試験では、平水中よりも抵抗低減効果が増加するとの結果も報告されて いる[46]。また、米国大型キャビテーション水槽 LCCにて、長さ約13mの模型を用いて、自由表面影 響を考慮した気膜形状の挙動観察や抵抗低減効果の計測などが実施されている[47]。

Fig. 1.10 Photograph of air behavior [42].

Fig. 1.11 The principal of the air cavity system. Fig. 1.12 Till Deymann, full-scale

test ship of SMOOTH.

② マイクロバブル (実験室段階の研究)

マイクロバブルは、ミリオーダの微小な気泡を乱流境界層の中に注入することにより摩擦抵抗を低 減させる方法である。マイクロバブルの研究は、1970年頃McCormick and Bhattacharyya[48]によっ てはじめられた。彼らは長さ3フィートの回転体に、約0.15mmの銅線を胴体後半部に巻き付けて、電 気分解により水素気泡を発生させたもので、最大30%の抵抗低減を示している。その後、ソビエトや米

国のPennsylvania州立大学などで精力的な研究が行われており、Merkle and Deutsch[49]によって詳

細なレビューがされている。これらの研究では空気を多孔質板（porous plate）から境界層内に注入す ることによってマイクロバブルを発生させている。注入する気泡流量の増加に従って摩擦抵抗の低減 量も大きくなり、最大80%もの低減が達成可能であることが発表されて、大きな注目を浴びた。このとき の気泡径の大きさは流速によって異なるが、200～600μm 程度である。マイクロバブルによって大きな 摩擦抵抗低減が可能であることが分かったが、実船への適用を考えると、多量のマイクロバブルを船 体周りの境界層内に注入するのに要するエネルギーを小さくするなどの工夫が必要となる。そのため には、より効率的な、即ち少ない気泡量でより大きな抵抗低減効果のある方法を開発する必要がある。

東京大学[50]や海上技術安全研究所[51]のグループは境界層内の気泡密度と摩擦抵抗低減の関 係を調べるために、ボイド率分布の計測を行い、壁面近傍のボイド率または気泡密度が重要なパラ メータであることを明らかにした。Palら[52]はマイクロバブルが壁面から

y

y

実船への適用では、マイクロバブルの効果がどのくらい下流まで持続されるか、ということも関心の ある調査項目である。実験設備や条件の違いもあって、持続距離は境界層厚さδ の 30 倍以上[49]、

約200倍[51]、約2000倍[54]等の異なる実験データが計測された。下流での効果は、気泡径の違い により浮力影響が異なるため、壁面近傍のボイド率が実験設備の違いにより異なることがあるためと考 えられる。気泡の吹出方法についても、スリットを使ってマイクロバブルを発生する方法やマイクロバブ ルと水の混合流体を吹き出す方法についての検討がなされている[55]。

回転体や模型船についての実験も行われている。模型船の実験ではマイクロバブルによって抵抗 は増加している。これは実験流速が遅いために気泡径が大きくなったことが一因と推測される[56][57]。

回転体の実験では、流速が遅いときは浮力の影響で摩擦抵抗低減率は平板よりも小さくなるが、高速

（16.7m/s）では平板とほとんど同じ抵抗低減を得ている[58]。このことから、マイクロバブルの実験では、

縮尺模型船を使ったフルード則に基づいた水槽実験では気泡径についての相似性が保たれないの で、できるだけ実船に近い流速で実験をすることが要求される。流れ方向の圧力勾配の影響について 調べた回転体の実験では、逆圧力勾配があると、より大きな抵抗低減が得られている[59]。マイクロバ ブルによる抵抗低減についての理論的な研究は、殆どが気液混合流として扱ったもので、境界層内 の気泡密度、またはボイド率に応じて局所密度と局所有効粘性係数または混合長モデルを修正した ものである[60][61][62]。これらの理論計算でも、壁面近傍に気泡が集中していることが抵抗低減に重 要であることが示されている。また、尺度影響には境界層厚さと気泡径の比が重要なパラメータである ことも示されている[62]。実船と模型船の境界層厚さ比は約 50 程度であるから、模型実験では数 μm の気泡径とする必要があることになり、模型実験の難しさが分かる。このため、2000 年代になると、

SR239[7]や NEDO 研究[9]では、実験室における基礎的な実験も実施しつつ、実用化を目指した実

船実験の段階へ移行していった。また、実船実験結果などをベースにCFDによる摩擦抵抗低減効果 予測技術の高度化も行われた[63]。

③ マイクロバブル、空気潤滑法 （実船実験)

国内で実施されたSR239やNEDO研究における実船実験について述べる。本ケース以外にも、空 気吹出動力の低減を狙った翼型気泡発生装置付船舶による実船実験も行われている[64]。

(A) 航海訓練所「青雲丸」による実船実験 （2001年9月実験実施） [7][65][66][67]

大型船を用いた世界初のマイクロバブルの実船実験が実施された。本船の主要目は全長 116m、

実験時喫水5.75ｍである。Fig. 1.13に船首部に設置した気泡吹出部（「上」の字形の部分）を示す。海 上試験は船速10～19knにおいて実施され、以下の成果を得た。

・ 船速 14kn において 3%の馬力低減が得られた。気泡吹出動力を差し引いた正味の馬力低減効

果は2%の省エネとなった（Fig. 1.14）。

・ 気泡のプロペラへの巻き込みによりプロペラ効率の低下が示唆された。大量に気泡が流入したと 推定される場合には、プロペラ効率が3～6%も低下した。

・ 実船用局所せん断力計により、検出部に気泡が流れてきたときには 20%以上の摩擦力低減効果 があることが確認された。

・ 実船用局所ボイド率計により、実船のボイド率分布計測が行われ、実験時の気泡は船底より5mm 以上離れた所を通る気泡が多かったことが確認された。

(B) セメント運搬船「パシフィックシーガル」による実船実験（2008年1-2月実験実施）[9][68][69]

本船の主要目は、全長 126.6m、実験時喫水約 7m（満載時）、約 4m（バラスト時）である。本船は、

Fig. 1.15 に示すように気泡を船底から逃がさないための端板が船底船側に設置されている。実証実

験航海を凪状態から時化状態まで3回実施した。気泡吹出有無時の推力・トルク計測を実施し、以下 の成果を得た。

・ 気泡吹出により、主機馬力が低減し、船速はわずかに増加した。

・ 船体抵抗は最大11％低減し、馬力低減効果は、満載時で最大約4%、バラスト時で最大約6%が 得られた。

・ 船底に設置された次項に示す実船せん断力計により、摩擦応力が最大で 40%程度低減すること が確認された。

Fig. 1.14 3%power saving at about 14kn [7].

Fig. 1.13 The bubble injectors [7].

Fig. 1.15 General arrangement of equipments [9].

1.2.6 摩擦抵抗低減効果の計測技術

実船における摩擦抵抗低減効果を確認するための計測技術として、大阪大学が開発した Fig. 1.16 に示す実船用せん断力計（shear force sensor）[9][70]がある。本装置は、ベローズ式防水 1 分力計と 平面を保つための三つの板バネを組み合わせた方式で成り立ち、実船実験で見られるノイズレベル で問題なく表面摩擦力を計測可能なように、200mm 角とした計測面で摩擦応力を計測するよう設計さ れている。また、荒天中航行で大きな垂直圧力がかかった場合でも問題なく計測できるように計測板 の垂直変位を拘束する装置が取り付けられている。さらに、実船用せん断力計内部にCCDカメラおよ びLEDライトを装備し、実船用せん断力計の外側の流れを観測できるようにカメラおよびライトが組み 込まれている。計測結果の一例として前項で紹介したパシフィックシーガルの船底に設置されたせん 断力計の出力結果をFig. 1.17に示す。気泡により最大40％の摩擦力が低減されることが計測されて いる。

Fig. 1.16 Shear force sensor [70].

Fig. 1.17 Example of time history of shear force measurement [70].

Shear Force(N)