(57)【要約】【課題】所定の精度を確保しながら、処理の低減及び時間短縮を図ること。【解決手段】船体に取り付けられたプロペラの形状を入力情報として取得し、取得した該プロペラを包含する解析空間を設定する解析空間設定部２１と、粘性影響を考慮する第１のシミュレーション計算モデルを用いて、該解析空間における該プロペラのキャビテーション形状を算出する第１の解析部２２と、プロペラへの流入速度場等の境界条件、該船体の形状、該プロペラの形状、及び該第１の解析部２２によって解析された該キャビテーション形状を入力情報として取得し、これらの情報を用いて、粘性影響を考慮しない第２のシミュレーション計算を行うことで、該プロペラの取り付け位置周辺における該船体表面の変動圧力を算出する第２の解析部２３とを具備するプロペラによる船体表面の変動圧力推定装置を提供する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
船体に取り付けられたプロペラの形状を入力情報として取得し、取得した該プロペラを包含する解析空間を設定する解析空間設定手段と、
境界条件としてプロペラへの流入速度を与え、粘性影響を考慮する第１のシミュレーション計算モデルを用いて、該解析空間における該プロペラのキャビテーション形状を算出する第１の解析手段と、
該船体の形状、該プロペラの形状、及び該第１の解析手段によって解析された該キャビテーション形状を入力情報として取得し、これらの情報を用いて、粘性影響を考慮しない第２のシミュレーション計算を行うことで、該プロペラの取り付け位置周辺における該船体表面の変動圧力を算出する第２の解析手段と
を具備するプロペラによる船体表面の変動圧力推定装置。
【請求項２】
前記第１の解析手段は、数値流体力学のシミュレーション計算モデルを用いて、該プロペラのキャビテーション形状を算出する請求項１に記載のプロペラによる船体表面の変動圧力推定装置。
【請求項３】
前記第２の解析手段は、境界要素法を用いた音場解析により、該プロペラの取り付け位置周辺における該船体表面の変動圧力を算出する請求項１または請求項２に記載のプロペラによる船体表面の変動圧力推定装置。
【請求項４】
前記第１の解析手段は、前記キャビテーション形状を推定した後に、プロペラの表面及び翼断面に複数の解析点を設定し、各解析点におけるキャビテーションの厚さを算出し、各該解析点におけるキャビテーションの厚さ情報を前記第２の解析手段に出力する請求項１から請求項３のいずれかに記載のプロペラによる船体表面の変動圧力推定装置。
【請求項５】
前記第１の解析手段は、前記キャビテーション形状を推定した後に、該プロペラを包含する円筒面を設定し、該円筒面における速度の時間変動を算出し、算出した該円筒面における速度の時間変動を前記第２の解析手段に出力する請求項１から請求項３のいずれかに記載のプロペラによる船体表面の変動圧力推定装置。
【請求項６】
前記第２の解析手段によって算出された該船体表面の変動圧力を用いて、船体における振動分析を行う第３の解析手段を備える請求項１から請求項５のいずれかに記載のプロペラによる船体表面の変動圧力推定装置。
【請求項７】
船体に取り付けられたプロペラの形状を入力情報として取得し、取得した該プロペラを包含する解析空間を設定する第１過程と、
境界条件としてプロペラへの流入速度を与え、粘性影響を考慮する第１のシミュレーション計算モデルを用いて、該解析空間における該プロペラのキャビテーション形状を算出する第２過程と、
該船体の形状、該プロペラの形状、及び該第２過程において解析された該キャビテーション形状を入力情報として取得し、これらの情報を用いて、粘性影響を考慮しない第２のシミュレーション計算を行うことで、該プロペラの取り付け位置周辺における該船体表面の変動圧力を算出する第３過程と
を有するプロペラによる船体表面の変動圧力推定方法。
【請求項８】
船体に取り付けられたプロペラの形状を入力情報として取得し、取得した該プロペラを包含する解析空間を設定する第１処理と、
粘性影響を考慮する第１のシミュレーション計算モデルを用いて、該解析空間における該プロペラのキャビテーション形状を算出する第２処理と、
プロペラへの流入速度場等の境界条件、該船体の形状、該プロペラの形状、及び該第２処理において解析された該キャビテーション形状を入力情報として取得し、これらの情報を用いて、粘性影響を考慮しない第２のシミュレーション計算を行うことで、該プロペラの取り付け位置周辺における該船体表面の変動圧力を算出する第３処理と
をコンピュータに実行させるためのプロペラによる船体表面の変動圧力推定プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、船体に設けられたプロペラに発生するキャビテーションにより、船体表面に誘起される変動圧力を推定するプロペラによる船体表面の変動圧力推定装置及び方法並びにプログラムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
船舶のプロペラに発生するキャビテーションにより船体表面に誘起される変動圧力を推定する方法として、例えば、数値計算を用いた流体シミュレーションによる解法が知られている。流体シミュレーションによる解法としては、粘性を考慮しないポテンシャル計算によるものや、粘性影響も考慮するＲＡＮＳ（Raynolds Averaged Navier-Stokes）を基礎においた流体解析技術（ＣＦＤ：Computational Fluids Dynamics）によるもの等が知られている。
【特許文献１】特開平１０−１１４２０号公報
【特許文献２】特開平９−３２９１０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記ポテンシャル計算による解法は、比較的短時間で計算できるが、プロペラに発生するキャビテーションの計算精度が悪く、全体として十分な精度が得られないという問題があった。
また、熱流体解析技術による解法では、プロペラに発生するキャビテーションの計算精度はポテンシャル計算を用いる場合よりも高いが、計算に多大の時間を要するという問題があった。
【０００４】
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、所定の精度を確保しながら、処理の低減及び時間短縮を図ることのできるプロペラによる船体表面の変動圧力推定装置及び方法並びにプログラムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、船体に取り付けられたプロペラの形状を入力情報として取得し、取得した該プロペラを包含する解析空間を設定する解析空間設定手段と、境界条件としてプロペラへの流入速度を与え、粘性影響を考慮する第１のシミュレーション計算モデルを用いて、該解析空間における該プロペラのキャビテーション形状を算出する第１の解析手段と、該船体の形状、該プロペラの形状、及び該第１の解析手段によって解析された該キャビテーション形状を入力情報として取得し、これらの情報を用いて、粘性影響を考慮しない第２のシミュレーション計算を行うことで、該プロペラの取り付け位置周辺における該船体表面の変動圧力を算出する第２の解析手段とを具備するプロペラによる船体表面の変動圧力推定装置を提供する。
【０００６】
上記構成によれば、キャビテーションの計算を粘性影響を考慮する第１のシミュレーション計算モデルを用いて行い、このシミュレーション結果であるキャビテーション形状を用いて粘性影響を考慮しない第２のシミュレーション計算を行うことで、船体表面の変動圧力を算出する。
ここで、粘性影響を考慮する第１のシミュレーション計算モデルは、粘性影響を考慮しない第２のシミュレーション計算モデルに比べて精度が高く、一方、第２のシミュレーション計算モデルは、第１のシミュレーション計算モデルよりも処理が少なく、処理時間の短縮を図ることができる。このように、本発明では、船体表面の変動圧力を算出するまでの全ての工程を同じシミュレーション方法を用いて計算するのではなく、船体表面の変動圧力を算出するまでの工程を大きく２つに分け、一方の工程に精度の高い第１のシミュレーションモデルを採用するとともに、他方の工程に時間短縮を図ることのできる第２のシミュレーションモデルを採用したので、両シミュレーション技術の特徴を効果的に用いて船体表面の変動圧力を算出することが可能となる。また、精度の高い第１のシミュレーション計算モデルを、船体表面の変動圧力を算出する工程ではなく、敢えて、キャビテーションの算出に用いることにより、計算精度を効果的に向上させることができる。
【０００７】
上記プロペラによる船体表面の変動圧力推定装置において、前記第１の解析手段は、数値流体力学のシミュレーション計算モデルを用いて、該プロペラのキャビテーション形状を算出することとしてもよい。
【０００８】
上記プロペラによる船体表面の変動圧力推定装置において、前記第２の解析手段は、境界要素法を用いた音場解析により、該プロペラの取り付け位置周辺における該船体表面の変動圧力を算出することとしてもよい。
【０００９】
上記プロペラによる船体表面の変動圧力推定装置において、前記第１の解析手段は、前記キャビテーション形状を推定した後に、プロペラの表面及び翼断面に複数の解析点を設定し、各解析点におけるキャビテーションの厚さを算出し、各該解析点におけるキャビテーションの厚さ情報を前記第２の解析手段に出力することとしてもよい。
【００１０】
キャビテーションの厚さ情報を第２の解析手段に出力することで、第２の解析手段ではキャビテーションの厚さ情報をそのまま用いてシミュレーション計算を行うことができる。これにより、第２の解析手段における処理負担を軽減させることができる。
【００１１】
上記プロペラによる船体表面の変動圧力推定装置において、前記第１の解析手段は、前記キャビテーション形状を推定した後に、該プロペラを包含する円筒面を設定し、該円筒面における速度の時間変動を算出し、算出した該円筒面における速度の時間変動を前記第２の解析手段に出力することとしてもよい。
【００１２】
円筒面における速度の時間変動を第２の解析手段に出力することで、第２の解析手段では円筒面における速度の時間変動をそのまま用いてシミュレーション計算を行うことができる。これにより、第２の解析手段における処理負担を軽減させることができる。
【００１３】
上記プロペラによる船体表面の変動圧力推定装置は、前記第２の解析手段によって算出された該船体表面の変動圧力を用いて、船体における振動分析を行う第３の解析手段を備えていてもよい。
【００１４】
このように、第３の解析手段を備えることで、船体における振動分析をも算出することが可能となる。
【００１５】
本発明は、船体に取り付けられたプロペラの形状を入力情報として取得し、取得した該プロペラを包含する解析空間を設定する第１過程と、境界条件としてプロペラへの流入速度を与え、粘性影響を考慮する第１のシミュレーション計算モデルを用いて、該解析空間における該プロペラのキャビテーション形状を算出する第２過程と、該船体の形状、該プロペラの形状、及び該第２過程において解析された該キャビテーション形状を入力情報として取得し、これらの情報を用いて、粘性影響を考慮しない第２のシミュレーション計算を行うことで、該プロペラの取り付け位置周辺における該船体表面の変動圧力を算出する第３過程とを有するプロペラによる船体表面の変動圧力推定方法を提供する。
【００１６】
本発明は、船体に取り付けられたプロペラの形状を入力情報として取得し、取得した該プロペラを包含する解析空間を設定する第１処理と、粘性影響を考慮する第１のシミュレーション計算モデルを用いて、該解析空間における該プロペラのキャビテーション形状を算出する第２処理と、プロペラへの流入速度場等の境界条件、該船体の形状、該プロペラの形状、及び該第２処理において解析された該キャビテーション形状を入力情報として取得し、これらの情報を用いて、粘性影響を考慮しない第２のシミュレーション計算を行うことで、該プロペラの取り付け位置周辺における該船体表面の変動圧力を算出する第３処理とをコンピュータに実行させるためのプロペラによる船体表面の変動圧力推定プログラムを提供する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、所定の精度を確保しながら、処理の低減及び時間短縮を図ることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、本発明に係るプロペラによる船体表面の変動圧力推定装置及び方法並びにプログラムの一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るプロペラによる船体表面の変動圧力推定装置（以下「変動圧力推定装置」という。）の概略構成を示したブロック図である。図１に示すように、本実施形態に係る変動圧力推定装置１０は、コンピュータシステム（計算機システム）であり、ＣＰＵ（中央演算処理装置）１１、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の主記憶装置１２、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等の補助記憶装置１３、キーボードやマウスなどの入力装置１４、及びモニタやプリンタなどの出力装置１５、外部の機器と通信を行うことにより情報の授受を行う通信装置１６などで構成されている。
補助記憶装置１３には、各種プログラム（例えば、プロペラによる船体表面の変動圧力推定プログラム等）が格納されており、ＣＰＵ１１が補助記憶装置１３から主記憶装置１２にプログラムを読み出し、実行することにより種々の処理を実現させる。
【００１９】
図２は、変動圧力推定装置１０が備える機能を展開して示した機能ブロック図である。図２に示されるように、変動圧力推定装置１０は、解析空間設定部（解析空間設定手段）２１と、第１の解析部（第１の解析手段）２２と、第２の解析部（第２の解析手段）２３とを備えている。
解析空間設定部２１には、船体に取り付けられたプロペラの形状、船体におけるプロペラの取り付け位置等、シミュレーションを行うのに必要な情報が入力されるようになっている。解析空間設定部２１は、船体に取り付けられたプロペラの形状を入力情報として取得すると、図３に示すように、取得した該プロペラ３０の表面を分割して、プロペラ３０の表面上に複数のグリッドを作成する。更に、解析空間設定部２１は、図４に示すように、該プロペラを包含する解析空間を設定し、この解析空間を分割することにより、複数のグリッドを作成する。このとき、プロペラ近傍のグリッドは細かく、プロペラから離れたところのグリッドは粗く設定するとよい。このようにすることで、グリッド数を抑えることができる。このときのグリッド数は、例えば、１００万個のオーダーである。
【００２０】
第１の解析部２２は、粘性影響を考慮する第１のシミュレーション計算モデルを用いて、解析空間設定部２１によって設定された該解析空間におけるプロペラ３０のキャビテーション形状を算出する。例えば、第１の解析部２２は、数値流体力学（ＣＦＤ）のシミュレーション計算モデルを用いて、該プロペラのキャビテーション形状を算出する。このように、粘性影響を考慮するＣＦＤ等のシミュレーション計算モデルを用いることにより、精度を高いシミュレーション結果を得ることが可能となる。
【００２１】
具体的には、第１の解析部２２は、解析空間設定部２１によって設定されたグリッドを用いて、以下に示す式を解くことで、該解析空間におけるプロペラ３０の動的なキャビテーション形状を算出する。本実施形態では、プロペラ周囲の粘性流場解析の基礎式として、以下の（１）式に示す非定常非圧縮性流体ＲＡＮＳ（Reynolds-Averaged Navier-Stokes）方程式と、（２）式に示す連続の条件式とを用いる。なお、以下の（１）式、（２）式は、デカルト座標テンソル表記にて示されている。また、定常解析の場合は、非定常項が省略される。
【００２２】
【数１】
2010036600.tif 000003
【００２３】
乱流に対しては、ｕi、ｐ、τij等にアンサンブル平均値（時間平均値）が当てはめられ、そのとき、τijは以下の（３）〜（４）式のように表される。
【００２４】
【数２】
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【００２５】
第１の解析部２２は、上記（１）式及び（２）式を解くことにより、時々刻々と変化するプロペラ周辺に発生するキャビテーション形状を時間毎に推定する。
図５及び図６は、第１の解析部２２による解析結果の一例を示している。図５において、範囲Ｒは、キャビテーションが発生する範囲を示している。また、図６は、図５に示すＡ−Ａの半径位置でのキャビテーションの発生状況を示した図である。
【００２６】
続いて、第１の解析部２２は、第２の解析部２３がシミュレーションを行いやすいように、上記解析結果から任意の解析点におけるキャビテーションの厚み情報を算出する。以下、具体的に説明する。
まず、第１の解析部２２は、図６に示されるプロペラの翼断面及び翼表面に複数の解析点（座標）を設定し、この解析点における法線ベクトル及びキャビテーションの厚みを求める。解析点は、例えば、プロペラの半径方向に１０点、翼弦方向に１０点、回転方向に３６点（１０度間隔）設定される。図７は、ある解析点Ａにおける法線ベクトル及びキャビテーションの厚みの一例を示した図である。
第１の解析部２２は、各解析点におけるキャビテーションの厚みを求めると、このキャビテーションの厚み情報とキャビテーションの推定結果とを第２の解析部２３に出力する。
【００２７】
第２の解析部２３は、各解析点におけるキャビテーションの厚み情報を第１の解析部２２から受け取ると、このキャビテーションの厚み情報、プロペラの形状、該プロペラが取り付けられている船体の形状、及び該船体におけるプロペラの取り付け位置等を入力情報として用いて、粘性影響を考慮しない第２のシミュレーション計算を行うことで、該プロペラの取り付け位置周辺における該船体表面の変動圧力を算出する。
【００２８】
具体的には、第２の解析部２３は、図８に示すように、プロペラの取り付け位置に近い船体部分、例えば、船体後尾部分の表面に複数のグリッドを設定する。このとき、プロペラ近傍のグリッドは細かく、プロペラから離れたところのグリッドは粗く設定するとよい。このようにすることで、グリッド数を抑えることができ、処理の軽減及び処理時間の短縮を図ることができる。
続いて、第２の解析部２３は、上記キャビテーションの厚みを音源としてみなし、境界要素法（ＢＥＭ：Boundary Element Method）を用いた音場解析を行うことで、該船体表面の変動圧力を算出する。
ここで、シミュレーションに必要となる上記各種条件は、入力装置１４（図１参照）から適宜入力されるものとする。
第２の解析部２３は、各時間におけるプロペラによる船体表面の変動圧力を予測すると、その変動圧力分布を解析結果として出力する。図９は、第２の解析部２３の解析結果である変動圧力分布の一例を示した図である。
【００２９】
次に、上述した変動圧力推定装置１０の作用について図８を参照して説明する。なお、図１０に示された各処理については、ＣＰＵ１１が補助記憶装置１３に記憶されている各種プログラムを主記憶装置１２に読み出して実行することにより実現されるものである。
【００３０】
まず、プロペラ形状等の入力情報が解析空間設定部２１に入力されると、解析空間設定部２１によりプロペラの表面に複数のグリッドが設定されるとともに、該プロペラを包含する解析空間が設定され、更に、この解析空間が分割されて複数のグリッドが設定される（ステップＳＡ１）。続いて、該解析空間におけるプロペラのキャビテーション形状を予測するための数値流体力学を用いたシミュレーション解析が第１の解析部２２により行われる。続いて、第１の解析部２２により、推定したプロペラのキャビテーション形状に各解析点が設定され、各解析点におけるキャビテーションの厚みが算出される。このキャビテーションの厚み情報は、プロペラのキャビテーション形状とともに、第２の解析部２３に出力される（ステップＳＡ２）。
第２の解析部２３においては、第１の解析部２２から入力されたキャビテーションの厚み情報等を用いて第２のシミュレーション計算が行われることにより、プロペラの取り付け位置周辺における該船体表面の変動圧力が算出される（ステップＳＡ３）。
【００３１】
以上、説明してきたように、本実施形態に係る変動圧力推定装置及び方法並びにプログラムによれば、キャビテーションの計算をＣＦＤ等のシミュレーションモデルで行い、このシミュレーション結果であるキャビテーション形状を用いてＢＥＭによる音場解析を行うことにより、船体表面の変動圧力を予測する。
【００３２】
ここで、ＣＦＤは音場解析等のポテンシャル計算に比べて精度が高く、また、音場解析等のポテンシャル計算はＣＦＤに比べて処理時間が短いという長所を有する。このように、本実施形態によれば、船体表面の変動圧力を算出するまでの全ての工程を同じシミュレーション方法を用いて計算するのではなく、船体表面の変動圧力を算出するまでの工程を大きく２つに分け、一方の工程に精度の高いＣＦＤを用いた解析技術を採用し、他方の工程に時間短縮を図ることのできるポテンシャル計算を用いた解析技術を採用したので、両解析技術の特徴を効果的に用いて船体表面の変動圧力を算出することが可能となる。これにより、所定の精度を確保しながら、処理の低減及び時間短縮を図ることができる。
【００３３】
更に、解析空間設定部２１並びに第２の解析部２３が、プロペラ近傍のグリッドを細かく設定し、プロペラから離れた位置におけるグリッドを比較的大きめに設定するので、計算時間や計算機のメモリ容量を更に削減することが可能となる。更に、第２の解析部２３が、船体後尾部分の表面にグリッドを設定するので、計算時間や計算機のメモリの容量を更に削減することができる。
【００３４】
なお、上述した本実施形態においては、第１の解析部２２が、推定したキャビテーションの形状に基づいて各解析点におけるキャビテーションの厚さを算出し、これらの情報を第２の解析部２３に出力していたが、第２の解析部２３に出力する情報は、キャビテーションの厚さに限られない。
例えば、キャビテーション形状を推定した後に、図１１及び図１２に示されるように、プロペラを包含する円筒面を設定し、この円筒面における速度の時間変動を求め、この情報を第２の解析部２３に出力することとしてもよい。このとき、円筒面は、例えば、プロペラよりも１割程度大きいものを設定するとよい。
【００３５】
円筒面における速度の時間変動の情報が入力された第２の解析部２３は、円筒面における速度の時間変動を音源とみなして、上記境界要素法を用いた音場解析を行うことで、該船体表面の変動圧力を算出する。
このように、キャビテーションの厚さ情報に代えて、プロペラを包含する円筒面における速度の時間変動を第２の解析部２３に出力することによっても、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３６】
また、本実施形態においては、該船体表面の変動圧力の分布を最終的な出力情報として出力することとしていたが、この船体表面の変動圧力に基づいて更に船体における振動分析を行う第３の解析部（第３の解析手段：図示略）を設け、船体における振動分析結果を最終的な出力とすることとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施形態に係るプロペラによる船体表面の変動圧力推定装置の概略構成を示したブロック図である。
【図２】変動圧力推定装置が備える機能を展開して示した機能ブロック図である。
【図３】プロペラの表面上に設定されるグリッドの一例を示した図である。
【図４】プロペラの周辺に設定される解析空間の一例を示した図である。
【図５】第１の解析部による解析結果の一例を示した図である。
【図６】第１の解析部による解析結果の一例を示した図である。
【図７】ある解析点Ａにおける法線ベクトル及びキャビテーションの厚みの一例を示した図である。
【図８】船体後尾部分の表面に設定された複数のグリッドの一例を示した図である。
【図９】第２の解析部の解析結果である変動圧力分布の一例を示した図である。
【図１０】プロペラによる船体表面の変動圧力推定装置が実行する各種処理手順について示したフローチャートである。
【図１１】プロペラを包含するように設定された円筒面の一例を示した図である。
【図１２】プロペラを包含するように設定された円筒面の一例を示した図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０  プロペラによる船体表面の変動圧力推定装置
１１  ＣＰＵ
１２  主記憶装置
１３  補助記憶装置
１４  入力装置
１５  出力装置
１６  通信装置
２１  解析空間設定部
２２  第１の解析部
２３  第２の解析部
３０  プロペラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
2010036600.tif 000007
【図４】
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【図５】
2010036600.tif 000009
【図６】
2010036600.tif 000010
【図７】
2010036600.tif 000011
【図８】
2010036600.tif 000012
【図９】
2010036600.tif 000013
【図１０】
2010036600.tif 000014
【図１１】
2010036600.tif 000015
【図１２】
2010036600.tif 000016