(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
船体の上甲板と両舷側部とを結ぶ両角部に、それぞれ船首から船尾のほぼ全長にわたって風圧抵抗低減用の切欠段部を設け、この切欠段部の上甲板からの深さを、バラスト積載時の乾舷に対して５〜２０％に設定したことを特徴とする船舶。
【請求項２】
船体の上甲板と両舷側部とを結ぶ両角部に、それぞれ船首からほぼ船体中央部までの範囲にわたって風圧抵抗低減用の切欠段部を設け、この切欠段部の上甲板からの深さを、バラスト積載時の乾舷に対して５〜２０％に設定したことを特徴とする船舶。
【請求項３】
船首部に、船首前縁上端から上甲板に向かって水平面に対して上向きの傾斜面を形成したことを特徴とする請求項１および請求項２のいずれかに記載の船舶。
【請求項４】
前記傾斜面の水平面に対する上向き角度を２０〜６０度に設定したことを特徴とする請求項３記載の船舶。
【請求項５】
前記傾斜面の水平面に対する上向き角度をほぼ３８度に設定したことを特徴とする請求項３記載の船舶。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車専用船，コンテナ船等の貨物船、タンカー、客船等の船舶に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図８に示すように、船舶１が航走時に受ける抵抗は、水中抵抗と風圧抵抗に分けることができる。水中抵抗には、造波抵抗と摩擦抵抗とがあり、全抵抗のうち多くを占めている。このため、水中抵抗に関しては従来から研究され、その解析結果が現在の船舶の形状に反映されている。ところが、風圧抵抗に関しては軽視されており、風圧抵抗を軽減するような形状の改良がなされていないのが実情であった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、船舶１、特に風圧を受け易い水面上形状を有する自動車専用船，コンテナ船，タンカー等は、前方から風を受けると、その風の直接的な影響によって船速が低下するばかりでなく、風に起因する船体の姿勢変化（斜航）により水中抵抗が増加して、運行性能に影響を及ぼすことがあった。
【０００４】
例えば、図９に示すように、船舶１は、針路３に対して左斜め前から風２を受けた場合、左舷から右舷方向に横力が生じ、船体に時計方向のヨーモーメント（回転力）が発生する。このヨーモーメントに対抗して船首方位を針路３の方向に維持しようとすると当て舵を取る必要がある。このときに舵に働く水の力が抵抗となる。また船舶１は、横力を受けているため斜め（矢印４の方向）に進むことになる。このように斜航することによって船体に働く水中抵抗は増大する。このときの斜航角度αが大きいほど当て舵量も大きく、また、船体が水から受ける抵抗も大きくなる。
【０００５】
本発明はこのような事情に基づいてなされたもので、その目的とするところは、風圧による抵抗，横力，ヨーモーメントを軽減できる船体構造を有することで、斜航角度を小さく、また船体に働く水中抵抗を小さくできる船舶を提供しようとするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、上記課題を解決し、目的を達成するために、船体の上甲板と両舷側部とを結ぶ両角部に、それぞれ船首から船尾のほぼ全長にわたって風圧抵抗低減用の切欠段部を設け、この切欠段部の上甲板からの深さを、バラスト積載時の乾舷に対して５〜２０％に設定した船舶にある。
【０００７】
また、請求項２に係る発明は、同様な風圧抵抗低減用の切欠段部を船首からほぼ船体中央部までの範囲にわたって設け、この切欠段部の上甲板からの深さを、バラスト積載時の乾舷に対して５〜２０％に設定した船舶にある。
【０００９】
また、請求項１または２記載の船舶において、請求項３に係る発明のように、船首部に、船首前縁上端から上甲板に向かって水平面に対して上向きの傾斜面を形成すると、より効果的である。
【００１０】
この請求項３記載の船舶において、請求項４に係る発明のように、傾斜面の水平面に対する上向き角度を２０〜６０度に設定するとよい。
【００１１】
また、好ましくは、請求項５に係る発明のように、傾斜面の水平面に対する上向き角度をほぼ３８度に設定する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
【００１３】
この実施の形態は、本発明のうち全長にわたる切欠段部を自動車専用船に適用した場合であり、自動車専用船の船体概略図を図１に示し、船体の切欠段部を設けた部位を幅方向に切断したときの断面模式図を図２に示し、船首部の側面図及び上面図を図３に示す。
【００１４】
この自動車専用船は、船体１１の船首１２から船尾１３に亙って水平面にほぼ平行の複数の甲板１４−１，１４−２，１４−３，…，１４−ｎで仕切られた階層構造を有している。最上部の甲板，いわゆる上甲板１４−１には、船首側に船楼１５が設けられている。
【００１５】
上甲板１４−１と両舷側部１６ａ，１６ｂとを結ぶ両角部１７ａ，１７ｂに、それぞれ船首１２から船尾１３のほぼ全長にわたって風圧抵抗低減用の切欠段部１８ａ，１８ｂが形成されている。船体の上甲板１４−１からキール１９までの深さをＤとし、バラスト航海状態，つまり積荷が無く適当量のバラストを搭載して航海するときの喫水をｄ，乾舷をｆ（ｆ＝Ｄ−ｄ）としたとき、両切欠段部１８ａ，１８ｂの上甲板１４−１からの深さｇは、上記乾舷ｆに対して５〜２０％に設定されている。また、両切欠段部１８ａ，１８ｂの幅ｈは、深さｇとほぼ等しくなるように設定されている。
【００１６】
因みに、この実施の形態では、両切欠段部１８ａ，１８ｂは、上甲板１４−１から第２甲板１４−２に亙って、積荷となる自動車１台分の幅で、方形状に切り欠くことによって形成されている。
【００１７】
船体１１の船首１２には、船首前縁上端１２ａから上甲板１４−１に向かって上向きの傾斜面２０が形成されている。この傾斜面２０は、水平面に対する上向き角度が２０〜６０度(deg.)の幅で設定されている。好ましくは、積荷積載量等を考慮すると、ほぼ３８度(deg.)がよい。
【００１８】
この他の船体構造は、従来周知の自動車専用船と同じであり、ここでの詳細な説明は省略する。
【００１９】
次に、本実施の形態の船体構造を有する自動車専用船が風圧抵抗の軽減に効果があることを、風洞実験の結果と、ＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics）ソルバーを用いた数値解析の結果から説明する。
【００２０】
因みに、風洞実験は、上流と下流に開口部を有する風路（高さ１１０ｍ，幅４８０ｍ，長さ６００ｍ）を造り、その内部に実験対象となる自動車専用船を船首が風路の上流側を向くように設置して、風路上流側から風向きが異なる風（相対風向＝β）を適宜流すことにより、船体に生じる流体力を実測するというものである。
【００２１】
一方、ＣＦＤソルバーを用いた数値解析，いわゆるＣＦＤ解析は、風洞実験と同様の風路を計算機内の仮想空間内に形成し、その内部に実験対象となる自動車専用船を船首が風路の上流側を向くように設置して風路上流側から風向きが異なる風を流すというシミュレーションにより、船体に生ずる流体力を解析するというものである。このとき、風路壁面の摩擦はないものとし、また、風路入口からは完全な一様流が流入することにした。
【００２２】
実験対象となる自動車専用船の主要寸法を［表１］に示す。この［表１］は、実験対象となる自動車専用船の垂線長Ｌpp、船幅Ｂ(mld.)、深さＤ(mld.)、バラスト積載時の喫水ｄ、バラスト積載時の乾舷ｆ、代表面積（＝Ｂ×ｆ）及び代表長さ（＝Ｌpp）を示すものである。
【００２３】
【表１】
0003841712.tif 000002
【００２４】
風洞実験においては、上記主要寸法を有する従来構造の自動車専用船（以下、原型船と称する）と、この原型船に対して、深さｇが２．２ｍ（乾舷ｆに対して約８．６％）で幅が１．８ｍの各切欠段部１８ａ，１８ｂと、水平面に対する角度が３８度(deg.)の傾斜面２０を形成した本実施の形態の自動車専用船（以下、最終型船と称する）を用いた。
【００２５】
ＣＦＤ解析においては、上記原型船及び最終型船に加えて、最終型船に対して傾斜面２０の角度のみそれぞれ２０度(deg.)，４５度(deg.)，６０度(deg.)及び９０度(deg.)に設定した自動車専用船を用いた。
【００２６】
風洞実験及びＣＦＤ解析において得られる流体力は、実験対象となる自動車専用船の船体水線面の中央を原点とし、船体固定座標系における流体力としてまとめた。その座標系を図４に示す。得られた流体力は、次に示す無次元化係数によりまとめた。
【００２７】
抵抗係数：ＣFx＝Fx／ｑ・Ａ
横力係数：ＣFy＝Fy／ｑ・Ａ
ヨーモーメント係数：ＣMz＝Mz／ｑ・Ａ・Ｌ
ここで、
ｑ：動圧（＝ρＶ２／２）
ρ：空気密度
Ｖ：船に対する相対風速
Ａ：代表面積（＝船幅Ｂ×乾舷ｆ）
Ｌ：代表長さ（＝垂線長Ｌpp）である。
【００２８】
最終型船に対する風洞実験の結果を［表２］に、原型船に対する風洞実験の結果を［表３］に、最終型船に対するＣＦＤ解析結果を［表４］に、原型船に対するＣＦＤ解析結果を［表５］にそれぞれ示す。［表２］〜［表５］は、各種の相対風向β度に対する抵抗係数ＣFx、横力係数ＣFy及びヨーモーメント係数ＣMzを示すものである。
【００２９】
【表２】
0003841712.tif 000003
【００３０】
【表３】
0003841712.tif 000004
【００３１】
【表４】
0003841712.tif 000005
【００３２】
【表５】
0003841712.tif 000006
【００３３】
以下、これらの結果に基づいて、原型船と最終型船との各流体力係数について分析する。
【００３４】
（１）抵抗係数ＣFx
原型船に対する風洞実験結果及びＣＦＤ解析結果と、最終型船に対する風洞実験結果及びＣＦＤ解析結果の、相対風向βに対する抵抗係数ＣFxの関係を、図５に示す。
【００３５】
風洞実験及びＣＦＤ解析によって得られた結果によると、解析を行なった全ての相対風向で、最終型船は原型船に対して抵抗係数ＣFxが小さな値を示した。ＣＦＤ解析において、それぞれの相対風向での最終型船の原型船に対する抵抗係数ＣFxの軽減率は、相対風向０度(deg.)において約１８％、相対風向２０度(deg.)において約２１％、相対風向３０度(deg.)において約１９％であった。また、風洞実験においても、相対風向０度(deg.)における軽減率は約２０％、相対風向２０度(deg.)おける軽減率は約２０％、相対風向３０度(deg.)における軽減率は約２２％で、最終型船の方が原型船よりも抵抗係数ＣFxが軽減された。
【００３６】
ＣＦＤ解析結果と風洞実験結果とを対比すると、ＣＦＤ解析結果は風洞実験結果に比べて抵抗係数ＣFxが大きな値を示しているが、相対風向に対する軽減率は、定性的には比較的良好な一致を示した。
【００３７】
（２）横力係数ＣFy
原型船に対する風洞実験結果及びＣＦＤ解析結果と、最終型船に対する風洞実験結果及びＣＦＤ解析結果の、相対風向βに対する横力係数ＣFyの関係を、図６に示す。
【００３８】
風洞実験及びＣＦＤ解析によって得られた結果によると、解析を行なった全ての相対風向で、最終型船は原型船に対して横力係数ＣFyが小さな値を示した。ＣＦＤ解析において、それぞれの相対風向での最終型船の原型船に対する横力係数ＣFyの軽減率は、相対風向２０度(deg.)において約１３％、相対風向３０度(deg.)において約１９％であった。また、風洞実験においても、相対風向２０度(deg.)おける軽減率は約１９％、相対風向３０度(deg.)における軽減率は約２１％で、軽減率に若干の違いはあるものの、最終型船の方が原型船よりも横力係数ＣFyが軽減された。
【００３９】
（３）ヨーモーメント係数ＣMz
原型船に対する風洞実験結果及びＣＦＤ解析結果と、最終型船に対する風洞実験結果及びＣＦＤ解析結果の、相対風向βに対するヨーモーメント係数ＣMzの関係を、図７に示す。
【００４０】
風洞実験及びＣＦＤ解析によって得られた結果によると、相対風向２０度(deg.)以上で最終型船は原型船に対してヨーモーメント係数ＣMzが小さな値を示した。ＣＦＤ解析において、それぞれの相対風向での最終型船の原型船に対するヨーモーメント係数ＣMzの軽減率は、相対風向２０度(deg.)において約２１％、相対風向３０度(deg.)において約２１％であった。また、風洞実験においても、相対風向２０度(deg.)における軽減率は約１２％、相対風向３０度(deg.)における軽減率は約１２％で、ＣＦＤ解析結果の方が風洞実験結果よりも船型変更による違いを大きく評価しているが、いずれにしても、相対風向や形状の違いによるヨーモーメント係数ＣMzの大小関係はおよそ捉えることができている。
【００４１】
次に、原型船及び最終型船について、ＣＦＤ解析によって得られた風の流場情報を検討する。図４に示すように、針路をＸ方向に向けた原型船及び最終型船に対して左斜め前方（相対風向β＝２０度）より風を流すと、原型船と最終型船とは、船体右舷下流側に生じる、流速が遅くなる領域の広さに大きな違いがある。原型船では、船体によって作られた渦や剥離によって流速が遅くなる領域が船体右舷下流側に広がる。一般に、流速が遅くなる領域が広くなるほど風圧抵抗は大きくなる。最終型船は、船側部に形成された切欠段部１８ａ，１８ｂや船首部に形成された傾斜面２０によって、この流速が遅くなる領域が小さくなっており、抵抗改善の効果を覗うことができる。
【００４２】
また、同じく左斜め前方（相対風向β＝２０度）から風を流したときの船首部の流速分布を見ると、原型船と最終型船とは、船首部上甲板面の流速に大きな違いがある。船首部上甲板面の流速を比較すると、原型船は最終型船に比べて非常に流速が遅い。原型船は、船首部のエッジ部分で流れが剥離したために流速が遅くなったと思われ、抵抗悪化の原因と認めることができる。最終型船は、船首部に水平面に対して上向きの傾斜面２０を形成しているので、この部分において流速が十分に速く剥離が発生し難いため、風圧抵抗を小さくできる。
【００４３】
さらに、同じく左斜め前方（相対風向β＝２０度）から風を流したときの船側部の流速分布を見ると、原型船と最終型船とは、上甲板１４−１上で発生する渦の有無に大きな違いがある。渦が発生した場合は、渦が発生しない場合と比べて、渦による２次流れによる損失が発生し、風圧抵抗増加の原因となる。原型船では、大きな渦が発生しているが、最終型船では大きな渦は発生していない。この効果は、最終型船が、船体の上甲板と両舷側部とを結ぶ両角部を切り欠いたことにより達成されていると思われる。
【００４４】
最後に、最終型船の船首部傾斜面２０の水平線に対する角度をそれぞれ２０度(deg.)，４５度(deg.)，６０度(deg.)及び９０度(deg.)に設定した自動車専用船を用いてＣＦＤ解析を行なった結果を［表６］に示す。［表６］は、各種の傾斜面角度（船首傾斜角）毎に、相対風向２０度(deg.)における抵抗係数ＣFx、横力係数ＣFy及びヨーモーメント係数ＣMzを示すものである。
【００４５】
【表６】
0003841712.tif 000007
【００４６】
ＣＦＤ解析によって得られた結果によると、抵抗係数ＣFxは、傾斜面２０の水平線に対する角度の増加とともに増加するが、角度が４５度(deg.)以上になると抵抗係数ＣFxの増加が大きくなり、特に６０度(deg.)を超え９０度(deg.)の範囲ではその増加が顕著となる。一方、４５度(deg.)以下の角度では大きな差はないことが確認できる。一方、横力係数ＣFy及びヨーモーメント係数ＣMzは、傾斜面２０の水平線に対する角度が異なっても、大きな差はないことが確認できる。
【００４７】
さらに、傾斜面２０の角度が異なる各自動車専用船について、ＣＦＤ解析によって得られた風の流場情報を検討する。傾斜面２０の水平面に対する角度が９０度(deg.)の自動車専用船においては、前述の原型船と同様に、上甲板１４−１上で流れが剥離している領域を確認することができる。傾斜面２０の角度が６０度(deg.)の船においても若干の剥離の兆候を認めることができるが、傾斜面２０の角度が４５度(deg.)以下では、剥離の兆候はほとんど見られない。すなわち、傾斜面２０の角度が４５度(deg.)以下であれば、抵抗係数ＣFxに大きな違いはない。
【００４８】
以上説明した風洞実験及びＣＦＤ解析の結果から、次のような事項を確認することができる。
【００４９】
▲１▼  最終型船は、原型船に対して抵抗係数ＣFxの軽減を達成できる。その軽減率は、相対風向β＝０，２０，３０度(deg.)において、約２０％程度である。
【００５０】
▲２▼  最終型船は、原型船に対して横力係数ＣFyの軽減を達成できる。その軽減率は、相対風向β＝２０，３０度(deg.)において、約２０％程度である。
【００５１】
▲３▼  最終型船は、原型船に対してヨーモーメント係数ＣMzの軽減を達成できる。その軽減率は、相対風向β＝２０，３０度(deg.)において、約１０〜２０％程度である。
【００５２】
▲４▼  船首部に形成した傾斜面２０の水平面に対する角度と抵抗係数ＣFxとの関係は、角度の増加とともに増加し、角度が４５度(deg.)以上になると抵抗係数ＣFxの増加が大きくなり、特に６０度(deg.)を超え９０(deg.)度の範囲ではその増加が顕著となるが、４５度(deg.)以下の角度では大きな差はない。一方、横力係数ＣFyとヨーモーメント係数ＣMzとは、傾斜面２０の水平面に対する角度が異なっても大きな差がない。
【００５３】
なお、本発明は、自動車専用船に限らず、コンテナ船などの貨物船や、タンカー，客船等にも適用することによって、風圧による抵抗，横力，ヨーモーメントの軽減を図ることができる。横力，ヨーモーメントを軽減することにより、斜航及び必要な当て舵量を小さくすることができ、それらによる水中抵抗も軽減できる。
【００５４】
また、前記実施の形態では、船体１１の上甲板１４−１と両舷側部１６ａ，１６ｂとを結ぶ両角部１７ａ，１７ｂに、それぞれ船首１２から船尾１３のほぼ全長にわたって風圧抵抗低減用の切欠段部１８ａ，１８ｂを設けたが、同様な風圧抵抗低減用の切欠段部を船首からほぼ船体中央部までの範囲にわたって設けるだけでもほぼ同様な作用効果を奏し得る。
すなわち風圧下の斜航を減らすには、前述したように横力とヨーモーメントの少なくとも一方を減らすことができればよい。横力は、風を斜め前方から受けた場合には船体中央よりも前方（船首側）に作用する。横力の作用位置は、ヨーモーメントＭｚを横力Ｆｙで除することによって求まる。
例えば［表２］に示した最終型船に対する風洞実験結果から相対風向２０度(deg.)の場合には、ヨーモーメント係数ＣMzが０．３９８であり、横力係数ＣFyが１．９２０であるので、横力作用位置（ＣMz／ＣFy）は０．２１となる。
すなわち、このとき横力は、船体中央より前方０．２１Ｌの位置に働いていることになる。そこで、船体前半部に働く横力を軽減させれば、これによるヨーモーメントをより軽減できる可能性がある。このため、船体前半部だけに風圧抵抗低減用の切欠段部を設置することも有効である。
【００５５】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、風圧による抵抗，横力，ヨーモーメントを軽減できる船体構造を有し、斜航角度が小さく、また船体に働く水中抵抗が小さい船舶を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施の形態である自動車専用船の船型概略図。
【図２】  同自動車専用船の船体の切欠段部を設けた部位を幅方向に切断したときの縦断面模式図。
【図３】  同自動車専用船の船首部における側面図及び上面図。
【図４】  風洞実験及びＣＦＤ解析の説明に用いる座標系を示す図。
【図５】  原型船に対する風洞実験結果及びＣＦＤ解析結果と、最終型船に対する風洞実験結果及びＣＦＤ解析結果の、相対風向βに対する抵抗係数ＣFxの関係を示す図。
【図６】  原型船に対する風洞実験結果及びＣＦＤ解析結果と、最終型船に対する風洞実験結果及びＣＦＤ解析結果の、相対風向βに対する横力係数ＣFyの関係を示す図。
【図７】  原型船に対する風洞実験結果及びＣＦＤ解析結果と、最終型船に対する風洞実験結果及びＣＦＤ解析結果の、相対風向βに対するヨーモーメント係数ＣMzの関係を示す図。
【図８】  船舶に作用する抵抗の説明図。
【図９】  風向きと船舶との関係を示す図。
【符号の説明】
１１…船体
１２…船首
１３…船尾
１４−１…上甲板
１５…船楼
１６ａ，１６ｂ…舷側
１７ａ，１７ｂ…角部
１８ａ，１８ｂ…切欠段部
２０…傾斜面
【図１】
0003841712.tif 000008
【図２】
0003841712.tif 000009
【図３】
0003841712.tif 000010
【図４】
0003841712.tif 000011
【図５】
0003841712.tif 000012
【図６】
0003841712.tif 000013
【図７】
0003841712.tif 000014
【図８】
0003841712.tif 000015
【図９】
0003841712.tif 000016