Monohakobi Techno Forum 2015

きらり技術力対水船速の計測精度向上に関する研究開発

2015年11月24日

株式会社MTI

船舶情報グループ
上級研究員 谷川 雅彦

1© Copyright 2015
Monohakobi Technology Institute⽬次
1. 背景
2. 従来技術・研究
3. 研究の⽬的
4. 対⽔船速計測精度向上の取り組み① CFDによる船⾸船底下の流場調査② 新型対⽔船速計測⼿法の提案③ 新型対⽔船速計測⼿法の実船評価

5. まとめ
6. 今後の課題
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Monohakobi Technology Institute1. 背景近年、就航船の性能解析の精度向上に関⼼が⾼まっている
性能解析の精度向上には、対⽔船速の計測精度と燃費計の計測精度向上が必要。
特に、対⽔船速の精度は、燃費計の精度以上に、解析結果に与える影響が⼤きい。
解析イメージFOC

・省エネデバイス評価
・省エネ塗料評価
・船体・プロペラ汚損

船のパワーカーブ
燃費(y) ∝ 船速(x) 3 において、船速計測誤差(Δx/x)と燃費計測誤差(Δy/y)の関係は、Δy/y ≒ 3 Δx/x となり、船速誤差は、燃費誤差の3倍影響が⼤きいSPEED

現在、主流のドップラーログ式対⽔船速計の精度(カタログ値 1%)は⼗分でなく、1%の解析精度を得るため、船速計測には、少なくとも0.3%程度まで精度向上の取り組みが必要

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Monohakobi Technology Institute2-1. 従来の船速計測⼿法 (ドップラーログ⽅式)
船⾸船底に設置した送信機から、船底の3⽅向に超⾳波パルスを発信し、発信後、ある時間枠の間に戻ってきた⾳波を受信、ドップラーシフトによる流速を求める
3⽅向
ビーム照射

対象⽔深
計測

ベクトル
演算

Vx,VyVx：⻑⼿⽅向速度

誤差要因：①装置の誤差、②潮流、③流場、④海⽔温・塩分濃度4© Copyright 2015
Monohakobi Technology Institute2-2. 船⾸船底下の流場に関する過去の研究「船⾸船底の斜航流場調査」
1989年 ⽇本造船学会論⽂集 第173号(⼤阪府⽴⼤学・⽇⽴造船・⽇⽴造船技術研究所)

⾼速痩型船の電磁ログ配置検討について
直進時と斜航時の流速分布を⽐較し配置による計測精度について検討••

⼀般商船の流速分布の⽐較検討なし
ドップラーログの計測する数メートル〜数⼗メートルの流速分布の検討なし「船⾸船底の斜航流場調査」より
直進時・斜航時の流速分布の⽐較

⼀般商船においても⾼精度な対⽔船速計測を実施するには、船⾸船底下の流速分布を調査する必要あり

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Monohakobi Technology Institute2-3. 船⾸船底下の流場に作⽤する流体原理
原理1: 境界層平板と平⾏に流れる流体の速度分布イメージ図

BOUNDARY
LAYER
⼀様流

平板近傍には粘性影響により速度勾配が⽣じる

FLAT PLATE

原理2: ポテンシャル流れ 円柱周りを流れる流体の速度分布イメージ図

⼀様流

CYLINDER

円柱から遠⽅まで圧⼒勾配等の影響により速度勾配が⽣じる

船⾸船底下では、これらの流体原理が重なり、船型、船速によっても変化することが予想される

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Monohakobi Technology Institute3. 研究の⽬的• ドップラーログ式対⽔船速計測計の計測精度の向上•

⽬標: 計測誤差0.3%• この実現のため、まずは誤差要因である、船⾸船底下の流場の影響、及び潮流影響を排除する⼿法の開発を⾏う

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Monohakobi Technology Institute

4. 対⽔船速計測精度向上の取り組み① CFDによる船⾸船底下の流場調査•

船型：痩型船、肥⼤船② 新対⽔船速計測⼿法の提案•

単層計測から多層計測へ③ 新型対⽔船速計測⼿法の実船評価•

PCCにおける実機評価①は、横浜国⽴⼤学(⽇野教授)との共同研究②、③は、古野電気株式会社との共同研究

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Monohakobi Technology Institute4-①. CFDによる船⾸船底下の流場調査〜対象船型LppBd(Laden)d(Ballast f/a)
Lpp/B
B/d(Laden)
B/d(Ballast)

KCS *
190 m
26.6 m
8.922 m5.40/5.40 m
7.14292.98144.9259JBC280 m
45.0 m16.5 m
6.54/8.69 m
6.22222.72735.9055＊実船計測対象のPCCに合わせてスケール調整
満載状態とバラスト状態において、それぞれ複数船速、実船スケール(1/1)でCFD実施

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Monohakobi Technology Institute4-①. CFDによる船⾸船底下の流場調査〜計算結果⼀例例) KCS 満載状態
⻑⼿⽅向流速分布と船体表⾯圧⼒分布

⻑⼿⽅向の流速分布（計測値に対応）

20Kts(右枠の拡⼤)

調整中
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Monohakobi Technology Institute4-①. CFDによる船⾸船底下の流場調査〜船⾸船底下流速分布⽐較
KCS (12~22Kts)

JBC (12~18Kts)
異傾向Ballast

同傾向

異傾向

Laden
異傾向

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Monohakobi Technology Institute4-①. CFDによる船⾸船底下の流場調査〜船⾸船底下流速分布⽐較
KCS (12~22Kts)

BallastJBC (12~18Kts)
異傾向・ 船型によってバラスト状態と満載状態で流速分布の傾向が異なる
・ 同船型・同状態でも船速が異なると傾向が異なる
同傾向
異傾向
船型・船速によって適切な計測深度を設定する必要がある

Laden
異傾向

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Monohakobi Technology Institute4-②. 新対⽔船速計測⼿法の提案
従来は単層で計測した船速を、多層化し、船⾸船底下の流場の速度勾配を捉える → 多層型対⽔船速計 *3⽅向ビーム照射複数⽔深計測ベクトル演算

Vxi, Vyi
計測⽔深分算出

Vx：⻑⼿⽅向速度・・・多層計測イメージ* ⽇本国特許取得済み。海外特許出願中。

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Monohakobi Technology Institute4-②. 新型対⽔船速計測⼿法の提案〜多層式の優位性

理由①②③

境界層・船体影響の除外

・ 遠⽅計測のみでよいが・ 単層計測ではそれらの影響がどれくらいの深度まで影響しているのか確かめる
⽅法がない

潮流の除外

・ 単層計測：計測層に存在する潮流が⼀様に存在するとしている
・ 多層計測：潮流影響を深度⽅向に分解可能
局所的な影響を⾒極めが⾒込める

データの蓄積による流速の検証

・ 流速分布の実船検証が可能となりデータを蓄積することで、個船ごとの真の対⽔船速分布を取得・修正することが可能となる

誤差要因 ①流場、②潮流の影響を除外できる
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Monohakobi Technology Institute4-②. 新型対⽔船速計測⼿法の提案〜多層式対⽔船速計（実験機）の仕様①23m

実験機では、最⼤深度60m程度まで計測可能
・ 深度60mまで計測深度を深くすることで、改善が⾒込める実験機では、分解能向上により速度分布の影響誤差を⼩さくすることが可能
・ 従来器と⽐べ約半分の7.5m程度の計測幅でも精度はほぼ等価

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Monohakobi Technology Institute4-②. 新型対⽔船速計測⼿法の提案〜多層式対⽔船速計（実験機）の仕様②
CFD結果を援⽤すると・・・(例) KCS船型 満載状態 22Kt では・・・

従来機
計測位置

0.8%

実験機
最⼤計測位置例) KCS船型 満載状態 22Kt

16単層型：
計測対象として、中央深度で0.8%の真値からの乖離がある領域を計測
この区間の平均的な流速を船速として算出
多層型：
計測深度を深めて真値からの乖離を最⼩化
⽔深毎に異なる速度勾配に応じた流速分布の算出が可能© Copyright 2015
Monohakobi Technology Institute4-③. 新型対⽔船速計測⼿法の実船評価
対象船： PʼMAXクラスPCC
計測機：
新型多層式船速計(古野電気製 DS-60改造機)
Case

①

計測層数
計測範囲
計測幅

②9層計測
2.2 ~ 5.2m

14 ~ 54m

0.45m

7.5m

計測幅
計測範囲
計測幅

※ 基本仕様はDS-60と同じ

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Monohakobi Technology Institute4-③. 新型対⽔船速計測⼿法の実船評価〜検証⽅法

データ処理のフローモニタリング
データ

フィルター※

エラー値
除去

解析⽤
データ

統計処理
データ解析

CFD結果と傾向⽐較※フィルター条件は外乱影響を含まないよう設定した（船体運動成分、ドリフト⾓など）

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Monohakobi Technology Institute4-③. 新型対⽔船速計測⼿法の実船評価〜検証結果例① (CFDとの⽐較）

計測条件：

計測幅 0.45m
計測深度 2.2m ~ 3.2m(0.2mピッチ), 5.2m

実船計測流速分布(±σ表⽰)

CFD流速分布 KCS船型

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Monohakobi Technology Institute4-③. 新型対⽔船速計測⼿法の実船評価〜検証結果例① (CFDとの⽐較）

計測条件：

計測幅 0.45m
計測深度 2.2m ~ 3.2m(0.2mピッチ), 5.2m

実船計測流速分布(±σ表⽰)

CFD流速分布 KCS船型・ 多層計測⼿法により速度勾配を捉えることが出来た・ 境界層の外側の計測を試みて、計測範囲の流速は⼀様流に対し、いまだ⼗分に回復していないことがわかった

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Monohakobi Technology Institute4-③. 新型対⽔船速計測⼿法の実船評価〜検証結果例② (CFDとの⽐較)

計測条件：

計測幅 7.5m
計測深度 14m ~ 54m (5mピッチ)

実船計測流速分布(±σ表⽰)

CFD流速分布 KCS船型

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Monohakobi Technology Institute4-③. 新型対⽔船速計測⼿法の実船評価〜検証結果例② (CFDとの⽐較)

計測条件：

計測幅 7.5m
計測深度 14m ~ 54m (5mピッチ)

実船計測流速分布(±σ表⽰)

CFD流速分布 KCS船型・ 多層計測⼿法により速度勾配を捉えることが出来た
・ 計測した速度勾配と、CFD計算結果の傾向が⼀致しており、流場の影響を排除できる⾒込みがたった

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Monohakobi Technology Institute4-③. 新型対⽔船速計測⼿法の実船評価〜検証結果例③ (参考：フィルター無)計測条件：

計測幅 7.5m
計測深度 14m ~ 54m (5mピッチ)

実船計測流速分布(±σ表⽰)

CFD流速分布 KCS船型

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Monohakobi Technology Institute4-③. 新型対⽔船速計測⼿法の実船評価〜検証結果例③ (参考：フィルター無)計測条件：

計測幅 7.5m
計測深度 14m ~ 54m (5mピッチ)

実船計測流速分布(±σ表⽰)

CFD流速分布 KCS船型・ 潮流影響も、明確に把握できるケースが観測された。今後、潮流影響の有無を判別するロジックを組み込む⽬処がたった24© Copyright 2015
Monohakobi Technology Institute5. まとめ1. 対⽔船速計の精度向上を⽬的として、以下を実施した


フルスケールCFDによる船⾸船底下の流場の調査
多層型船速計測⼿法の開発
多層型船速計測⼿法の実船での評価

2. 上記の検討を通して、多層型船速計測⼿法により、対⽔船速計測における誤差要因のうち、流場の影響、潮流の影響を排除して、対⽔船速の計測精度向上を実現する⾒込みがたった
3. 船型や船速によって流速分布が異なるため、計測深度や計測幅の決定には更なる検討が必要

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6. 今後の課題
1. 計測深度・計測幅は、精度に影響するため、今後、複数検討し最適な計測条件を探索する
2. 船型毎に速度勾配が異なるため、少なくとも船種ごとの速度分布の特徴を把握する必要があり、このために他船種でもCFD計算を実施する
3. その他の誤差要因（装置⾃体の誤差、海⽔温・塩分濃度影響）も含めてシステム全体の対⽔船速計測精度を評価する
4. 多層型対⽔船速計の製品化を進める

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Monohakobi Technology Instituteご清聴ありがとうございました

27© Copyright 2015
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