(57)【要約】【課題】  シンプルな構造で、簡単に船舶を移動できるこれまでにない新しい船舶推進方法を提案できるようにすることを目的とする。【解決手段】  喫水下の船体の傾斜面の下方から気泡を噴射し、当該気泡が船体の傾斜面に沿って上昇するときの浮力により、船体の傾斜面を押圧して船体を移動させるようにしたことを特徴とする。【選択図】  図６２
2005047361.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
喫水下の浮体の傾斜面の下方から気体を噴射し、気泡が浮体の傾斜面に沿って上昇するときの浮力により、浮体の傾斜面を押圧して浮体を推進させるようにしたことを特徴とする気泡による推力発生方法。
【請求項２】
浮体の傾斜面に沿って複数の空気噴射ノズルを列設し、各空気噴射ノズルからの気泡の噴射を制御することにより、浮体の推進及び／又は推進方向を制御するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の推力発生方法。
【請求項３】
空気噴射ノズルの空気噴射方向を調節することにより気体浮力に加え気体噴射の反作用も利用する請求項２に記載の推力発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は船舶等の浮体を推進させるための推力を発生させる方法に関するものである。。
【背景技術】
【０００２】
現在、船舶等の浮体の推進装置に用いられているものとしては、スクリュープロペラが圧倒的に多い。
それ以外の推進方法としてポンプにより水を吸引し、それを噴射し、その反動で進むウォータージェット推進（例えば特許文献１）や、水面上を浮上して航走するエア・クッション艇などの空中プロペラ推進などがある（例えば特許文献２）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２２５７９４号公報
【特許文献２】特表平８−５０５５８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記スクリュープロペラやウォータージェット推進、空中プロペラ推進等の船舶の推進装置では、強力な推進力が得られるものの、船舶の動きを微調整するには、推進装置の正・逆切り換え及び噴射方向等を頻繁に行なわなくてはならず、面倒である上、操船に時間もかかるという問題があった。
本発明は上記問題点に鑑み提案されたもので、シンプルな構造で、簡単に船舶等の浮体を移動できるこれまでにない新しい船舶推進方法を提案できるようにすることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために本発明にかかる気泡による推力発生方法は、先ず、喫水下の浮体の傾斜面の下方から気泡を噴射し、当該気泡が浮体の傾斜面に沿って上昇するときの浮力により、浮体の傾斜面を押圧して浮体を移動させるようにしたことを特徴とするものである。
つぎに、浮体の傾斜面に沿って複数の空気噴射ノズルを列設し、各空気噴射ノズルからの気泡の噴射を制御することにより、浮体の推進及び／又は推進方向を制御するようにしたり、空気噴射ノズルの空気噴射方向を調節することにより気体浮力に加え気体噴射の反作用も利用することも特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の気泡による推力発生方法は、以上に説明したように、喫水下の浮体の傾斜面の下方から気体を噴射し、気泡が浮体の傾斜面に沿って上昇するときの浮力により、浮体の傾斜面を押圧して浮体を移動させるようにしてあるので、気泡の供給量を制御するだけで浮体の移動を調整することができる。
更に気体噴射方向を適当に調整することにより噴射反力も利用することができる。
これにより、従来のように推進装置の正・逆切り換えを頻繁に行なわなくても済み、簡単で操舵に時間がかかることがない。
また、本発明の方法は傾斜面に気泡を供給するだけのシンプルな構造で済み安価に実施することができる利点もある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明にかかる気泡による推力発生方法の実施の形態を図面に基づいて説明する。
「実験装置」
図１は気泡による推力発生方法の実施する実験装置の概略を全体的に示す斜視図であって、この実験装置は、正面視で角形「Ｕ」字状の回流水槽１に水流形成用のプロペラ（図示せず）を設置し、このプロペラから噴射される水により回流水槽１内に水流を形成する。
そして、回流水槽１内に推進力発生ユニット２を設置するとともに、回流水槽１外には当該推進力発生ユニット２からのデータを収集・解析する分析装置３及び推力発生ユニット２に空気を供給するコンプレッサー４を設けてある。
【０００８】
上記推進力発生ユニット２は、図１乃至図４に示すように一対の円形側板５・５の中心部分に固定された円筒管からなるノズルチューブ６と、このノズルチューブ６から前後に角度θ1・θ2をもって延出された傾斜板７・８を備えてなり、ノズルチューブ６は空気供給管９を介して上記コンプレッサー４に連通されるとともに、下面部分には図に示すように複数の空気噴射ノズル１０が角度φで下向きに穿設されている。
この傾斜板７・８が船体（図示せず）の傾斜面に相当する。
即ち、角度θ1をもって前方（上流側）に延出された傾斜板７が舳先側部分に、角度θ2をもって後方に延出された傾斜板８が艫側部分にそれぞれ相当する。
【０００９】
また、推進力発生ユニット２は、図４に示すように天井板（固定部）に固定されたマルチコンポーネントロードセル１１から垂下された検出アーム１２の下端部に空気供給管９の上面中央部分が連結されることにより、前後の傾斜板７・８の各先端寄り部分が水面上に露出する状態で推進力発生ユニット２が宙吊りの状態にされる。
そして、空気供給管９には管内の圧力を検出する圧力計、管内の空気温度を検出する熱電対温度計等の計測手段が取付けられており、これらの計測手段やマルチコンポーネントロードセル１１からの検出信号は、デジタルマルチメータ１３で表示されたり、センサーインターフェース１４を介してパーソナルコンピュータ１５等からなる分析装置３に入力されるようになっている。
因みに、回流水槽１の水深Ｈは空気噴射ノズルの水深Ｌに対して十分に大きく（例えばＬ／Ｈ=０．０５５〜０．１８８の範囲で設定することにより、水槽底面や閉塞の影響を可及的になくしてある。
【００１０】
「実験方法」
回流水槽内の流速測定は、図４に示すように回流水槽内の流速分布を、UVP（超音波速度分布計）を用いて調べた。
これは傾斜板７・８の幅方向をＸ軸方向、水深方向をＹ軸方向とし、流速センサをX軸方向に２０ｍｍ間隔で、Ｙ軸方向には１０ｍｍ間隔で移動させて流速測定を行った。
次に、本発明で使用する記号並びに単位は次のとおりである。
記    号                名          称                単    位
Ａn                   ノズル孔断面積                ［ｍ2］
ＣD                  抗力係数
Ｄ                      推進装置抗力                  ［Ｎ］
（Ｆx）ex              ノズル推力（実験値）          ［Ｎ］
（Ｆx）th             ノズル推力（理論値）            ［Ｎ］
Ｆr                    フルード数
ｇ                      重力加速度                    ［ｍ／ｓ2］
Ｈ                      水槽水深                      ［ｍ］
ｌ                      平板長さ                      ［ｍ］
Ｌ                      ノズル水深                    ［ｍ］
Ｍ                      推進装置モーメント            ［Ｎ・ｍ］
（ｍ）ex                 質量流量（実験値）            ［Ｋｇ／ｓ］
（ｍ）th               質量流量（理論値）            ［Ｋｇ／ｓ］
ｎ                      ノズル孔数
Ｐ0                      流入空気圧力                  ［Ｐａ］
Ｐ2                      ノズル出口圧力                ［Ｐａ］
Ｐatom                  大気圧                        ［Ｐａ］
Ｐstat                  静水圧                        ［Ｐａ］
Ｒ                      気体定数                        ［Ｊ／（Ｋｇ・Ｋ）］
Ｔ                      推進装置推力                    ［Ｎ］
Ｔn                    ノズル内温度                      ［Ｋ］
Ｔw                    水温                              ［Ｋ］
Ｕ                      定常巡航速度                      ［ｍ／ｓ］
Ｕ∞                     水流速                            ［ｍ／ｓ］
ｖ                      ノズル出口速度                    ［ｍ／ｓ］
Ｗ                      推進装置流路幅                    ［ｍ］
α                      ノズル修正係数
ｋ                      比熱比
η                      効率
μw                      水粘度                          ［Ｐａ.ｓ］
θ1                      前後傾斜角度                    ［ｄｅｇ］
θ2                      前後傾斜角度                    ［ｄｅｇ］
φ                      空気流入角度                      ［ｄｅｇ］
ρ0                      流入空気密度                      ［Ｋｇ／ｍ3］
σ                      表面張力                          ［Ｎ／ｍ］
【００１１】
「質量流量の測定」
空気噴射ノズル１０から噴射される空気の質量流量ｍを厳密に実験的に求めるため、流出空気を直接容器に取り込んで、単位時間あたりに取り込んだ空気の量と容器内の温度測定から質量流量（ｍ）exを測定した
【００１２】
「ノズル単体の推力測定」
ノズル１０単体の空気噴出による推力Ｆｎを測定するため、舳先側および艫側の傾斜板を除き、空気流入角度をφ=０°（水平）として空気を水中に放出し、水流を停止した状態で推力を測定した。これによって実験的に（Ｆn）exを求めた。
【００１３】
「推進装置全体の抗力測定」
前後に傾斜板を付けた推進力発生ユニット２を回流水槽に設置し、空気を噴出せずに水槽１内の水を回流させ、回流によって生じる推進装置全体の抗力（推進力に対する負の推力）Ｄを計測した。
このとき、前部傾斜板角度θ1＝１０°後部傾斜板角度θ2＝１０°、２０°、３０°で行った。
【００１４】
「推進装置全体の推力測定」
前後に傾斜板をつけた推進力発生ユニット２を回流水槽に設置し、前部傾斜板角度をθ1＝１０°に固定して、流入空気圧力Ｐ0、水流速Ｕ∞、後部傾斜板角度θ2、空気流入角度φを変え、推進力発生ユニット全体の推力（負の抗力）Ｔを計測した。
また、空気噴射ノズル１０の孔数ｎを変えることにより、空気噴射ノズル１０から噴出する空気流量を変化させて推力を測定した。
さらに、図６に示すように、空気噴射ノズルと後部傾斜板の間に平板１６を挿入して推力を測定した。
【００１５】
「推進装置全体のモーメント測定」
前後に傾斜板をつけた推進力発生ユニットを回流水槽に設置して、前部傾斜板角度と空気噴射角度をそれぞれθ1＝１０°φ=３０°に固定して、流入空気圧力Ｐ0、水流速Ｕ∞、後部傾斜板角度θ2を変えて、推進装置全体のモーメントＭを計測した。
【００１６】
上記の実験方法により実験した結果とその考察
「回流水槽内の流速分布」
本実験では、推進力発生ユニットを曳航せずに回流水槽内に固定して実験を行う。
そのため、水槽内の水が回流しているときの流速分布を調べる必要がある。
図７に示す流速分布からＸ軸方向の推進装置の設置域、６０≦Ｘ≦２４０
ではほとんど速度のばらつきはないことがわかる。
一方、Ｙ軸方向をみると水槽底面では流速は小さいが、推進力発生ユニットの設置域、Ｙ≧１００ではほぼ一定の値を示している。
したがって、水を回流させた水槽内に設置した推進装置は曳航しているものとすることができる。
【００１７】
「質量流量の検定」
ノズル孔の直径を変えた場合の修正係数αと圧力比Ｐstat／Ｐ0の関係を図８に、空気噴射ノズルの孔数を変えた場合の修正係数αと圧力比Ｐstat／Ｐ0との関係を図９に示す。
これらの図からαは空気噴射ノズル孔直径ｄにも孔数ｎにも関係ないことがわかる。
この補正は、ほとんどが空気噴射ノズルでの縮流を反映していると思われる。
実際、空気噴射ノズル内側のエッジをごく簡単にとってやった結果、他の条件は図８と同じであるにも関わらずαは０．８以上となることが図１０で示されている。
本例では実験装置の構造と測定圧力範囲を考慮して、ｄ＝１．６ｍｍ（ｎ＝１０）に決定した。そのときのαを図１１示す。
また、図１１から実際の実験に用いる空気噴射ノズルの孔径ｄ＝１．６ｍｍでは平均値をとりα=０．６１とした。
【００１８】
「空気噴出による推力の検定」
推進力発生ユニットの傾斜板を除き、空気流入角度をφ＝０として空気を水中に放出したときの推力の実験値（Ｆn）exと、理論値（Ｆn）thの比を図１２に示す。
横軸は圧力比Ｐstat／Ｐ0である。（Ｆn）ex/（Ｆn）thは概ね１に近く、理論値はよい近似を与えていることがわかる。
圧力比Ｐstat／Ｐ0が１に近づくにつれて実験値は理論値よりも小さくなるが、主に粘性の影響を反映していると思われる。
図より以下の近似式が得られる。
（Ｆn）ex/（Ｆn）th ＝−０。７〔Ｐstat／Ｐ0〕＋１。３６(非チョーク時)
（Ｆn）ex/（Ｆn）th ＝０。１１〔Ｐstat／Ｐ0〕＋０。９１(チョーク時)
以降、ノズルから空気を放出したときに生じる推力は上式を用いて計算する。
【００１９】
「抗力測定」
推進装置の抗力Ｄと水流速Ｕ∞の関係を図１３に示す。
図１４では軸を無次元化し、抗力係数ＣDとフルード数Ｆrの関係を示す。
θ2はＣDに大きな影響を及ぼさないことがわかる。
これより以下の近似式を得た。
ＣD（ｇ）＝１．３７〔１／Ｆr2〕(-1.16)
以降、各フルード数における抗力には上式を用いる。
【００２０】
「ウォーターエアジェットの推力」
静止液体内の場合、図１５及び図１６では後部傾斜板のあるときの無次元推力Ｔ／（ρwｇＬ2Ｗ）と後部傾斜板のないときの無次元推力（（Ｆn）exＣＯＳθ−Ｄ）／（ρwｇＬ2Ｗ）を縦軸にとり、粘性係数の無次元量ρw√ｇＬ3／μw、を横軸にとっている。
図１７及び図１８では横軸に表面張力の無次元量をとっている。いずれの図を見ても、後部傾斜板があるときは推力が大きくなっていることがわかる。
また推力増加率Ｔ／（Ｆn）exＣＯＳθとρw√ｇＬ3／μw、ρwｇＬ2／σの関係を図１９及び図２０に示す。いずれの値も１を超えていることがわかる。
この値が１を上回るとき、推進装置にはノズルから放出した空気の反作用の他に、何らかの影響が付加されていることを示す。何による影響かは後述する。
また、ノズル水深が大きくなると推力増加率がわずかに大きくなっていることがわかる。
【００２１】
「液体が流速Ｕ∞ｍ／ｓの場合」
水槽内の水が回流しているときの推進装置の推力を計測した。
図２１及び図２２に後部傾斜板のあるときの無次元推力Ｔ／（ρwｇＬ2Ｗ）と後部傾斜板のないときの無次元推力（（Ｆn）exＣＯＳθ−Ｄ）／（ρwｇＬ2Ｗ）のフルード数との関係を示している。
図２３及び図２４には圧力比Ｐ0／Ｐatmとの関係を示している。
これらの図から水が回流していないときと同様に、後部傾斜板があるときは推力が大きくなっていることがわかる。
また、本実験で支配的な無次元パラメータはフルード数と圧力比であることがわかる。
【００２２】
「ノズル反力以外の推力」
図２５に推力増加率Ｔ／（（Ｆn）exＣＯＳθ−Ｄ）とフルード数１／Ｆr2の関係を、図２６に推力増加率と圧力比Ｐ0／Ｐatmとの関係を夫々示す。多少のばらつきはあるものの液体が静止状態のときと同様いずれの値もほぼ１を上回っている。
図２５から、各フルード数による推力増加率は多少ばらつきがあるが、おおむね一定であることがわかる。
また図２６の曲線が示す特性は、流入空気の圧力が小さいほどノズル反力以外の推力効果の影響が大きいことである。
圧力を大きくした場合でも、特にチョーク時（Ｐ0／Ｐatmが約２を上回る範囲）では、ノズル反力以上の推力増加効果は望めない。
これらの図から推力増加率に関しては、他の６個のパラメータ同様にフルード数もあまり重要ではなく、圧力比のみが唯一重要であることがわかる。
【００２３】
「後部傾斜板角度θ2の影響」
もし発生した気泡の浮力効果を想定すると、傾斜板、その中でも特に後部傾斜板の寄与が大きくなるはずである。
図２７には液体が静止状態で傾斜板角度を変えたときの、無次元推力Ｔ／（ρwｇＬ2Ｗ）の変化を示す。
いずれの圧力比においてもθ2が小さいほど推力が大きいことがわかる。
また、水が流速を持つ場合でもθ2が小さいほど推力が大きいことが図２８及び図２９からわかる。
推力増加率とθ2の関係を示す図３０及び図３１を見ると、 θ2が小さいほど推力増加率が１より大きくなっていることがわかる。
圧力比は支配的なパラメータであり、圧力比が小さいほど推力比が大きくなることが追認できる。
この推力増加率が１より大きくなる理由は、圧縮された気体の膨張エネルギーが、傾斜板で回収されたためとは考えにくいが、一方で抵抗減少効果や自由表面に及ぼす幾何形状の複雑な影響なども考えられる。
しかし、圧力比や傾斜角に関する特性からは、推力増加率が大きくなるのは放出した空気の浮力効果によるものと考えられる。
【００２４】
「空気流入角度φの影響」
静止液体中で傾斜板を付けないときの空気流入角度φと無次元推力の関係を図３２に示す。
この図からφが大きくなると推力が減少しているのがわかる。
これは空気流入角度が大きくなるとジェット反力の水平方向成分が小さくなるためである。
一方、後部傾斜板を付けた場合のφと無次元推力の関係を図３３乃至図３５に示す。いずれのフルード数においても圧力比が小さいときはφの増大とともに推力が増加しているのがわかる。
圧力比が大きい場合、推力は単純減少せずに極大値を有しており、これは後部傾斜板がないときの結果と大きく異なっている。
【００２５】
この結果を詳細に調べるために、図３６乃至図３８に空気流入角度φと推力増加率の関係を示す。これらの図からφが大きくなると推力増加率は増大することがわかる。
以上の結果を総合すると次のように考えられる。
空気流入角度φが大きくなると、空気ジェットの反力は減少するが、推力増加率の増大分が推進装置の推力増加に寄与し、推進装置の推力が増加する。
しかし、あるφの値を境にジェット反力の減少が大きくなって、推力増加率の増大分を足しても推進装置の推力は減少する。そのため推力の極値を有している。φの増加に伴って推力増加率が大きくなるのは前述した放出空気の浮力効果によるものである。
【００２６】
「質量流量の影響」
空気の浮力エネルギーの回収をより大きくするために、放出空気の質量流量を大きくすることを考える。そこで、これまでと同じ圧力範囲でノズル孔数ｎ=１０とｎ＝２０で比較した。
ノズルの孔数が２倍になるとノズルの空気噴出による反力は２倍になるはずである。
図３９にノズルの空気噴出による反力（Ｔ＋Ｄ）／（ρwｇＬ2Ｗ）とフルード数の関係を、図４０ではノズルの空気噴出による反力と圧力比との関係を示す。
これらの図から、前述の予想のとおり、質量流量が２倍になったときノズルの空気噴出による反力は単純に約2倍になっていることが示されている。
図４１に推力増加率とフルード数の関係を、図４２に推力増加率と圧力比の関係を示す    。
これらの図を見ると、ｎ＝２０のときもｎ＝１０と同じような特性を示していることがわかり、放出した空気の質量流量が大きくなっても基本特性は変わらないことがわかる。
また、図４３乃至図４５に質量流量比と推力増加率の関係を示す。空気量すなわち質量流量比が増加すると若干だが推力増加率は小さくなる。
しかし圧力比の影響に比べると、その減少は大きくない。よって実機で用いる際に大きな推力の絶対値が要求される場合には、圧力比を小さく保ち、質量流量を大きくするのは一つの有効な手段であると考えられる。
【００２７】
「平板の効果」
これまでの形状では、ノズルから放出した空気が遠方に達しない範囲、すなわち圧力比の小さい範囲では浮力効果の影響が大きいことがわかったが、気泡が遠方に達する圧力比の大きい範囲では、浮力効果の影響はわずかであった。
そこで圧力比の大きい範囲でも多量の浮力エネルギーを画収できるよう傾斜板とチャンバーとの間に平板を挿入して実験を行った。
図４６にｌ／Ｌ=２．００における推力増加率と圧力比の関係を示す。圧力比の小さい範囲では推力増加率は平板がないときに比べて大きくなっていることがわかるが、圧力比の大きい範囲ではあまり変化が見られない。
そこでｌ／Ｌ=８．００の場合を図４７に示す。
このとき圧力比が多い範囲でも推力増加率が大きくなっていることがわかる。
【００２８】
また、図４８乃至図５０には無次元長さｌ／Ｌと推力増加率の関係を示す。
圧力比の小さい範囲ではｌ／Ｌの増加に伴い推力増加率は頭打ちになり、一方、圧力比の大きい範囲ではｌ／Ｌの増加に伴い推力増加率は大きくなっている。
これらの結果から、圧力比が小さい場合は噴射空気の絶対量が少ないため、浮力エネルギー回収に限界があるのに対し、圧力比が大きい場合は前述のように多量の浮力エネルギーを回収することができたからであると考えられる。
このことは、船底に貨物室などをもつ実機への応用を考えた場合に有効な結果である。
【００２９】
「傾斜板にかかる力の作用点」
空気放出時の推進装置全体のモーメントを計測することで浮力効果による力の作用点を推測した。これにより傾斜板における浮力効果の影響をより詳細に調べた。
図５１乃至図５３はｒ／δとψをそれぞれ圧力比Ｐ0／Ｐatmとの関係で示している。
図５１からψは圧力比によらずほぼψ＝８０°付近で一定である。
ψ=８０°は後部傾斜板と作用点が直交する角度であり、空気噴出の反力以外の力はほとんどが後部傾斜板における浮力効果によるものと考えられる。
また、ψは圧力比によらず一定であることはｒ／δの変化が相対的に浮力効果による作用点の変化を表していると考えられる。
θ2＝１０°では圧力比が約２を下回る範囲(チョーク前)においては、圧力比の増加、また水流速の増加に伴い作用線と傾斜板の交点の位置は傾斜板始点から離れていることが分かる。
【００３０】
また、圧力比が約２を上回る(チョーク時)と作用点の傾斜板始点からの距離はほぼ一定となる。これは圧力比が大きくなると気泡が遠方に達するためであると考えられる。このことはチョーク前では推力増加率は徐々に減少し、チョーク後では推力増加率はほぼ一定であることを示す図２６の結果に対応している。
図５２を見ると、作用線は後部傾斜板とほぼ直交して一定であるので前述のようにｒ／δの変化は浮力効果による力の作用点の変化を表している。
θ2＝２０°では圧力比が約１．５までは圧力比の増加に伴い作用点は傾斜板始点から離れていくが、圧力比が約１．５を超えると作用点の位置は傾斜板始点に近くなり一定になる。
このことは図３０及び図３１においてθ2=２０では圧力比Ｐ0／Ｐatm＝１．５４を超えると推力増加率がほぼ１に近くなる結果と一致している。
【００３１】
なお、θ2＝２０°では複数回の測定におけるばらつきが大きかったので、各測定の平均をとり測定範囲をエラーバーで示している。
図５３は平板を置いたときの結果で、平板がある分だけ作用線と後部傾斜板の交点は傾斜板始点に近くなるが、基本特性は平板なしでθ2＝２０°のときと変わらない。
以上のことから、推力増加率の変化は空気ジェットの挙動に大きく影響を受けることがわかった。この結果は、推力増加率が１を超えるのは空気の浮力効果によるものを追認しているものである。
【００３２】
「ウォーターエアジェットの空気噴出の様子」
これまで調べた数値データと実際の現象を比較するため推進装置の空気噴出の様子を可視化した。
図５４では圧力比Ｐ0／Ｐatmの違いを比較している。図中には前述した作用線を描いてある。圧力比が大きくなるにしたがって放出空気がノズルから遠方に達しているのがよくわかる。これは図５１に示す結果から考えられることによく一致している。
図５５ではフルード数の違いを比較している。この図を見るとフノレード数が大きくなっても放出空気はあまり遠方に達していないことがわかる。
そのため後部傾斜板で回収する浮力エネルギーには大きな差はないと考えられ、これを図４１に数値的に示している。
図５６では空気流入角度φの違いを比較している。φが大きくなるにつれて後部傾斜板に多量の空気が接触している様子がわかる。φ=１０°ではほとんど空気が後部傾斜板に接触していない。このことは図３３や図３６で示されているφの特性とよく一致している。
【００３３】
図５７はθ2=２０°における可視化写真を示し、図中には作用線が描かれている。
２つの圧力比を比較すると、いずれのフルード数においても圧力比が小さいほうが放出空気は後部傾斜板とよく接していて、圧力比が大きいと放出空気はほとんど後部傾斜板と接していないことがわかる。
これは圧力比が大きくなると、気泡が遠方に達し、角度の大きい傾斜板では空気の浮力エネルギーを回収できなくなることを示す。
そのため前節の図の結果が示すように圧力比がある値を超えると浮力効果による力の作用点は傾斜板始点に近くなる。
【００３４】
「推進装置の基本特性」
これまでのデータを用いて、本研究で用いた推進装置の実機への応用を考えたときの特性を調べた。
図５８に推進装置の定常巡航速度と流入空気圧力の関係を示す。このとき定常巡航速度は各圧力比におけるＴ＝０におけるフルード数の値から求めている。
図５９には軸を無次元化してフルード数と圧力比の関係を示している。
この図から圧力比が小さいときは後部傾斜板の影響が大きくなり、圧力比の大きいときは後部傾斜板の影響が小さくなる。
これは図４６・図４７で示していることと一致し、質量流量が２倍になると定常巡航速度は約１．３〜１．４倍になる。
図６０には推進装置の効率と圧力比の関係を示している。後部傾斜板があると効率がよくなっており、質量流量が２倍になった場合、効率はわずかに上昇する。
また、後部傾斜板があるとき、流入空気圧力が小さいほど効率がよくなっている。
【００３５】
以上のことから、気泡による推力発生方法の理論は以下のように考えられる。
「ノズルから噴出する質量流量」
ノズル出口の形状が図６１のような形状の場合、断面積が流れ方向に減少する先細ノズルとみなすことができる。マッハ数をＭａとしたとき、入口の流れが亜音速(Ｍａ<１)のとき出口で最大Ｍａ=１まで加速でき、超音速（Ｍａ>１）のときは出口で最小Ｍａ＝１まで減速できる。
図からノズル出口の局部マッハ数Ｍａ＝ｖ2／ａ2は次のようになる。
Ｍａ22＝２[（ｐ0／ｐ2）(k-1)/k−１]／（ｋ−１）
前述のように、このときＭ２≦１である。このとき出口速度は
ｖ2＝√〔２（ｐ0／ρ0・ｋ／ｋ−１）[１−（ｐstat／ｐ0）(k-1)/k]〕
である。
理論質量流量（ｍ）thはρ2Ａnｖ2であるからｐ2／ｐ0＝（ρ2／ρ0）kの関係より
（ｍ）th＝Ａn√〔２ｋ／（ｋ−１）〕・Ｐ0ρ0[１−（ｐstat／ｐ0）(k-1)/k]となる。
【００３６】
ノズル出口で音速となるのは、Ｍａ2＝１とする圧力比  のとき、すなわち
Ｐ2/Ｐ0＝〔（２／（ｋ＋１）〕k/(k-1)
のときである。ノズルから噴出する気体が空気のとき乾燥空気の比熱比ｋ=１．４から
Ｐn/Ｐ0＝０．５２８
となる。  Ｐn/Ｐ0＞０．５２８ならば出口速度は音速以下である。このとき
Ｐn＝Ｐstat(非チョーク時)
である。次にＰn/Ｐ0＜０．５２８  のとき、出口速度は音速に達する。このとき
Ｐn＝〔２／（ｋ＋１）〕k/(1-k)・Ｐ0
である。上記の出口速度の式、ｖ2＝√〔２（ｐ0／ρ0・ｋ／ｋ−１）[１−（ｐstat／ｐ0）(k-1)/k]〕により、これを比熱比ｋ=１．４の式、Ｐn/Ｐ0＝０．５２８に代入すると、チョーク時の理論質量流量（最大質量流量）（ｍ）thは
（ｍ）th＝Ａn√〔ｋ[２／（ｋ＋１）](k+1)/(k-1)・Ｐ0ρ0〕
となる。
本実験では理論値（ｍ）thと実験値（ｍ）exの関係を（ｍ）ex＝α（ｍ）thとし、導入する修正係数αは上記実験によって定めた。
【００３７】
「空気噴出による推力」
図６１で示した形状のノズルから空気が噴出することによって生じる推力は、運動量の法則から次のように推定される。
（Ｆn）th＝（ｍ）exｖ2＋Ａn（Ｐn−Ｐstat）
「抗力係数」
ノズルから空気を噴射しないときの装置全体（ノズル、傾斜板および端板）に作用する抗力（負の推力）Ｄを水密度ρW、重力加速度ｇ、ノズル水深Ｌで無次元化することにより次のような抗力係数を定義する、
ＣD＝ＣD（ｇ）＝Ｄ／ρwｇＬ2Ｗ
このときπは推進装置の流路幅（Ｗ＝１４０［ｍｍ］）を示す。
【００３８】
「関係物理量の無次元パラメータ」
本実験で支配的であると考えられる１１個の物理量を図６２に示す。
水密度ρw、重力加速度ｇ、ノズル水深Ｌで残り８個の物理量を無次元化して得られた無次元量を以下に示す。
(1)重力と慣性力の比、ｇＬ／Ｕ∞2＝１／Ｆr2
(2)重力と粘性力の比、（ρw√（ｇＬ3））／μw
(3)重力と表面張力の比、（ρwｇＬ2）／ρ
(4)空気の比熱比、ｋ＝ｃp／ｃv
(5)圧力比、ｐ0／ｐatm
(6)重力と弾性力の比、ρwｇＬ／ｋ（ｐ0−ｐatm）
(7)ノズルから放出した空気が等エントロピー変化すると考えたときの密度比
[（ｐatm／ｐ0）kρ0 ]／ρw
(8)ノズルから放出した空気が水温と同じ温度になると考えたときの密度比
（ｐatm／ＲＴw）／ρw
【００３９】
「後部傾斜板に働く力の作用点」
本発明では後部傾斜板に働く力の作用点を推定するために、装置全体に働く力のモーメントを求めた。
その導出方法は図に示すように、まず推進装置全体の推進方向成分Ｔ、浮力方向成分Ｂ、モーメントＭを実測する．
推進方向成分Ｔと浮力方向成分Ｂから空気噴出による反力Ｆ、と抗力Ｄの成分を除いた力を後部傾斜板の力と仮定し、それをＦPとする。
また、Ｍから空気噴出による反力のモーメントＭnと抗力によるモーメントＭdを除  いたモーメントを後部傾斜板の力によるモーメントと仮定し、それをＭpとする。
ＦpとＭpとから傾斜板にかかる力の作用線を導き、作用線と後部傾斜板との交点Ｐ  を求めた。後部傾斜板の付け根から交点Ｐまでの距離をｒ、後部傾斜板の水没長さをδ  とした。
また、平板付きの推進装置を用いたときのパラメータは図６４に示すように定義して  いる。
【００４０】
「効率」
推進装置の効率ηはノズル出力Ｅ0とノズル入力Ｅi瓦を定義して次のように定める、
η＝Ｅ0／Ｅi
ここで、ノズル出力Ｅ0は測定結果から得られる定常巡航速度Ｕとそのときの推進装置の抗力Ｄから次のように表される、
Ｅ0＝Ｕ・Ｄ
尚、ノズル入力は高圧空気のなした仕事を考え、コンプレッサーにより高圧になった空気が放出の瞬間の圧力から静水圧になったと仮定して次のように表し、空気の温度は放出前と放出後で等温と仮定している。
Ｅi＝（ｍ）ex・Ｒ・Ｔn・ｌｎ（Ｐ0／Ｐstat）
このときＲは気体定数、Ｔnはノズル内の絶対温度を示す。
【００４１】
「結語」
本発明の船舶の新しい推進装置として提案した(アンダー)ウォーターエアジェットの特性を調べた。
その結果、調べた範囲では推力には、フルード数と圧力比Ｐ0／Ｐatmが支配的力学パラメータであった。推力比に関しては圧力比のみが支配的であった。
推力は単体のジェットノズルよりも約２倍大きくなる場合もあった。この増加は浮力効果によると思われる。その理由は以下の５つである、
(1)推力増加率は圧力比が小さいほど１から徐々に大きくなる。
(2)後部傾斜板角度が小さいほど大きな推力増加率をもたらす。
(3)空気流入角度が大きくなると推力増加率が大きくなる。
(4)平板挿入により高い圧力比においても推力増加率の上昇が見られる。
(5)推力増加率の変化は空気ジェットの挙動と関係がある。
なお、放出空気の質量流量が増加した場合、若干ではあるが浮力効果は小さくなった。
本発明で調査を行った推進装置は大きな推力を得ることが困難である。しかし、浮力エネルギーは推力に大きな影響を及ぼす。そこで小型船舶への搭載への実用化も可能である。また、ノズル孔の形状も種々変化することにより、効率等の更なる向上も期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
因みに、上記実施の形態においては気泡の浮力エネルギーを推進力に変換ないしは回収するものであり、これを有効に利用するために、例えば、複数の気体噴射ノズルを船体（浮体）側の傾斜面に沿って設け、全気体噴射ノズルから略均等に気体を噴射して気泡を形成する場合は、船体には推力として作用し、一部から若しくは順次気泡を発生させる用にすることにより、船体を旋回させることもできる。
【図１】は気泡による推力発生方法の実施する実験装置の概略を示す斜視図である。
【図２】は推進力発生ユニット部分の側面図である。
【図３】は推進力発生ユニット部分の後部傾斜板側の図である。
【図４】は回流水槽に設置された推進力発生ユニット部分の側面図である。
【図５】は回流水槽に設置された推進力発生ユニット部分の流速分布の検出器の位置を示す概略平面図及びその側面図である。
【図６】は平板部分を有する推進力発生ユニット部分の側面図並びに後部傾斜板側の図である。
【図７】はウォータチャンネル内の流速分布を示すグラフである。
【図８】はノズル孔の直径を変えた場合の修正係数と圧力比の関係を示すグラフである。
【図９】はノズルの孔数を変えた場合の修正係数と圧力比との関係を示すグラフである。
【図１０】はノズルの角を面取りした場合の修正係数と圧力比との関係を示すグラフである。
【図１１】はノズル修正係数圧力比との関係を示すグラフである。
【図１２】は傾斜板のない状態での推力殿実験値と理論値との関係を示すグラフである。
【図１３】は推進力発生ユニットに対する抗力と水流速度との関係を示すグラフである。
【図１４】は推進力発生ユニットに対する抗力とフルード数との関係を示すグラフである。
【図１５】は無次元推力増加率と無次元粘性係数との関係を示すグラフである。
【図１６】は無次元推力増加率と無次元粘性係数との関係を示すグラフである。
【図１７】は無次元推力増加率と無次元表面張力との関係を示すグラフである。
【図１８】は無次元推力増加率と無次元表面張力との関係を示すグラフである。
【図１９】は無次元推力増加率と無次元粘性係数との関係を示すグラフである。
【図２０】は無次元推力増加率と無次元粘性係数の無次元量との関係を示すグラフである。
【図２１】は無次元推力増加率と後部傾斜板のあるときのフルード数との関係を示すグラフである。
【図２２】は無次元推力増加率と後部傾斜板のないときのフルード数との関係を示すグラフである。
【図２３】は無次元推力増加率と後部傾斜板のあるときの無次元推力の圧力との関係を示すグラフである。
【図２４】は無次元推力増加率と後部傾斜板のないときの無次元推力の圧力との関係を示すグラフである。
【図２５】は推進力増加率とフルード数との関係を示すグラフである。
【図２６】は推力増加率と圧力比との関係を示すグラフである。
【図２７】は液体が静止状態で傾斜板角度を変えたときの無次元推力の変化を示すグラフである。
【図２８】は液体が静止状態で傾斜板角度を変えたときの無次元推力の変化を示すグラフである。
【図２９】は液体が静止状態で傾斜板角度を変えたときの無次元推力の変化を示すグラフである。
【図３０】は推力増加率と後部傾斜板角度との関係を示すグラフである。
【図３１】は推力増加率と後部傾斜板角度との関係を示すグラフである。
【図３２】は前部傾斜板のないときの空気流入角度と無次元推力増加率との関係を示すグラフである。
【図３３】は空気流入角度と無次元推力増加率との関係を示すグラフである。
【図３４】は空気流入角度と無次元推力増加率との関係を示すグラフである。
【図３５】は空気流入角度と無次元推力増加率との関係を示すグラフである。
【図３６】は空気流入角度と無次元推力増加率との関係を示すグラフである。
【図３７】は空気流入角度と無次元推力増加率との関係を示すグラフである。
【図３８】は空気流入角度と無次元推力増加率との関係を示すグラフである。
【図３９】は空気噴射による反力とフルード数との関係を示すグラフである。
【図４０】は空気噴射による反力と圧力比との関係を示すグラフである。
【図４１】は推進力増加率とフルード数との関係を示すグラフである。
【図４２】は推進力増加率と圧力比との関係を示すグラフである。
【図４３】は質量流量比と推力増加率との関係を示すグラフである。
【図４４】は質量流量比と推力増加率との関係を示すグラフである。
【図４５】は質量流量比と推力増加率との関係を示すグラフである。
【図４６】は圧力比と推力増加率との関係を示すグラフである。
【図４７】は圧力比と推力増加率との関係を示すグラフである。
【図４８】は無次元長さと推力増加率との関係を示すグラフである。
【図４９】は無次元長さと推力増加率との関係を示すグラフである。
【図５０】は無次元長さと推力増加率との関係を示すグラフである。
【図５１】は後部傾斜板に作用する力と圧力比との関係を示すグラフである。
【図５２】は後部傾斜板に作用する力と圧力比との関係を示すグラフである。
【図５３】は後部傾斜板に作用する力と圧力比との関係を示すグラフである。
【図５４】は後部傾斜板に作用する流れを可視化した図である。
【図５５】は後部傾斜板に作用する流れを可視化した図である。
【図５６】は後部傾斜板に作用する流れを可視化した図である。
【図５７】は後部傾斜板に作用する流れを可視化した図である。
【図５８】は定常巡航速度と空気流入圧力との関係を示すグラフである。
【図５９】はフルード数と圧力比との関係を示すグラフである。
【図６０】は推進力発生装置の効率と圧力比との関係を示すグラフである。
【図６１】は推進力発生ユニットのノズル部分の拡大断面図である。
【図６２】は平板部分の有無による推進力発生ユニットに作用するエアージェットの作用説明図である。
【図６３】は平板部分のない場合の推進力発生ユニットに作用するエアージェットの作用を説明する概略拡大図である。質量流量比と推力増加率との関係を示すグラフである。
【図６４】は平板部分のある場合の推進力発生ユニットに作用するエアージェットの作用を説明する概略拡大図である。
【符号の説明】
【００４３】
２・・・推進力発生ユニット
８・・・傾斜板（船体の傾斜面）
【図１】
2005047361.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2005047361.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
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【図５８】
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【図５９】
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【図６０】
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【図６１】
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【図６２】
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【図６３】
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【図６４】
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