実海域適応型船首形状に関する研究

研究代表者：柴田　和也

期　間　　　H20 〜 H21

要　旨

　近年、風や波等の外乱が存在する実海域における船舶の性能が盛んに議論されています。また、船首部形状を改善することで実海域性能を高めた船舶の設計も試みられており、バラ積船等では船首部満載喫水線上の形状改善が図られるなど、成果を上げつつあります。しかし、船首部形状の改善はまだ部分的かつ試行錯誤的であり、系統的な研究がまだまだ必要とされています。例えば、船首バルブは船舶の造波抵抗を低減するための重要な装置ですが、平水中を念頭において設計されており、波浪がある実海域の条件においては、その性能は評価されていません。波浪中では、バルブの形状によってはそれ自体が抵抗増加の原因となることがあり、実海域で真に高性能な船型設計には、バルブ形状と船首の水面上形状の新たな最適化が求められているのです。また、近年のフレアが大きく開いたコンテナ船等では形状非線形の影響を考慮する必要があり、実海域の条件に適した船首形状を設計するには、非線形解析が必須です。加えて、荒天中を航走する場合には、スラミングにより非常に大きな衝撃荷重が船首に加わることから、船首形状を決めるためには衝撃荷重も考慮する必要があります。このような非線形問題を扱うには、従来のストリップ法による船体運動計算、丸尾の方法による抵抗増加の推定、Wagner理論等による２次元衝撃計算、といった解析的な手法では対応が困難な場合が多く、現在これらの要求に応える汎用的な数値計算手法の開発が求められています。
　海技研では粒子法の１つであるMPS(Moving Particle Semi-implicit)法を用いて規則波中を航走する船舶の海水打ち込みを伴う船体運動ならびに波浪荷重の計算を行ってきました。MPS法はラグランジュ手法であり、自由表面を有する流体の大変形や分裂を容易に解析できるという特徴を持ちます。MPS法による計算では、海水打ち込みにより甲板上に加わる衝撃圧のピーク値に関しては、実験結果と違いがあるものの、力積の比較ではよく一致する結果が得られており、MPS法により海水打ち込み等の強非線形問題についても流体挙動および衝撃荷重が推定できることが示されています。
　本研究は、MPS法を用いて船首バルブや船首フレアの３次元形状ならびに時々刻々の自由表面との相対位置関係を正しく反映したシミュレーション計算を行うことで、入射波の攪乱と波の放射に対する船首部形状の影響を明らかにすることを目的としています。本研究により、波浪中抵抗増加におよぼす船首部形状の影響を評価できるようになれば、高い実海域性能を有する船型設計の指針を得ることができると共に、船首部形状の設計ツール開発に道を拓くことが可能になると考えています。
本研究では以下の４項目を実施します。
(1) MPS法を用いた船首近傍波浪場の非線形流体計算コードを開発します。
(2) 開発した計算コードを用いて、船首バルブやフレアの形状等を変化させたシリーズ計算を実施し、入射波の攪乱と波の放射に対する船首部形状の影響を明らかにします。
(3) 水槽実験を実施し、計算結果を検証します。
(4) 高い実海域性能を有する船首部形状の設計指針を求めます。

粒子法による波の甲板打込みのシミュレーション例