技術紹介

キャビテーション試験における最近の試み
尾崎 伯哉 *
Hakuya Ozaki

三船 正純 **
Masazumi Mifuneo

プロペラが起こすキャビテーションは、その初生／成長／崩壊／消滅という一連の事象が、瞬時に変化する急激な流体現象の一つである。そのため元来、その計測は容易ではなく、これを試験水槽内で観察/ 計測するキャビテーション試験は、古くから観測手法に様々な工夫が凝らされてきた。
当社も日常のキャビテーション試験業務を通じ、キャビテーション現象の実態を正確に把握できる計測法を模索してきた。それらの内、最近、当社が取り組んでいる幾つかの試みを紹介する。

キーワード：キャビテーション、水槽試験、光学プリズム、高速度 VTR、LDV、PIV

水槽実験である。その知見は、現状のプロペラ形

1．はじめに（キャビテーション試験の役割と課題）状の改良や新しいプロペラの開発等に利用されプロペラが回転するとプロペラにより加速される。

た水はベルヌーイの定理に従い、周囲の水圧に比キャビテーションは前述のようにプロペラの回べ強い負圧となる。そして時としてその負圧が遂転に応じ非常に短時間で気泡が発生・消滅を繰りには飽和蒸気圧に達し、部分的な沸騰状態に至る。

返す現象であるため通常、肉眼での正確な観察はこれがキャビテーション（空洞現象）と呼ばれる困難である。そこでプロペラの「回転速度×翼数」もので、キャビテーション崩壊時にはその近傍にに同期したストロボ光をプロペラに照射し、残像100MPa. 前後にもなる衝撃的な崩壊圧を生じるこ効果であたかも静止したプロペラにキャビテーとがある。キャビテーションは船体振動、騒音、ションが生じているかのような状態とし、観測胴プロペラや舵へのエロージョン（壊食）を引き起

横から写真撮影やスケッチによりその現象を記録こす原因となり、プロペラ設計者はできるだけすることが一般的に行われている。しかしこの手キャビテーションを起こさないプロペラ形状の設法には未だ様々な課題があり、次の三点もその代計に腐心する。

表的なものである。

キャビテーション試験は試験水槽内に実機と流体力学的に相似な状況を作り出し、実機と幾何学（1）プロペラ軸方向正面から流れを当てる関係上、的に相似形の模型プロペラを水槽内で駆動して、自ずと観測は側面からとなり観測上の死角とキャビテーションが発生する様を観察 / 計測するなる部分も少なくなく、またキャビテーショ＊研究開発事業部 試験技術部 大型試験機器グループ＊＊ 研究開発事業部 試験技術部 部長

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ンの発生範囲を把握し難い。

2．課題克服のための試み（2）写真撮影やスケッチでは、瞬時の非定常現象であるキャビテーションのある瞬間しか記録

2.1

光学プリズムの利用できず、また通常の VTR 撮影ではキャビテーキャビテーションは側面のみならず、できるだけションのメカニズムの細部を理解するにはフプロペラ軸方向正面に近い角度からもその発生状レーム速度が遅すぎた。そのためどのような況を観察したいが、キャビテーション水槽の観測胴性格のキャビテーションが、どの位置にどのに阻まれ、従来はままならなかった。そこでアク位発生し、どのように成長、崩壊、消滅してリル製の光学プリズムを作成し、観測胴脇に取りいるかという一連のプロセスを記録に残し難付けることによりその視角を大幅に改善できた。

い。そのためこれらのメディアによる記録は観察者に相応の評価技量を要する。

2.2

高速 VTR の利用（3）キャビテーションを理解する前提として、キャ

通常の家庭用 VTR の画像記録速度は約 30f/s 前

ビテーション周囲の流れがどのようなものか後であるのに対し、キャビテーション水槽のプロを知ることは重要である。それには従来、レーペラ回転数は 20 〜 25rps である。またプロペラ

ザー光線のドップラー効果を利用した LDV

翼数は 4 〜 6 翼が多いことを考えると、いくら同（Laser Doppler Velocimetry： レ ー ザ ー・ ド ッ

期をとったストロボ照射下での撮影とは言え、同プラー流速計）が用いられることが多かった。

一フレームに数回分のキャビテーションが通過しLDV は 高 精 度 な 流 速 計 測 が 可 能 な も の の、ていることになる。そのためキャビテーション映計測点数当たりの所要時間が長い。

像は複数回のキャビテーションの残像が平均され光学プリズムによる観察視角の改善
キャビテーション水槽観測胴
流れ

プロペラ動力計へ

キャビテーション流れ

光学プリズム観測窓

従来の観測視角

光学プリズムを通した
観測視角

カメラ

図１ 光学プリズムの利用̶

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たものとなり、ある一つのキャビテーションに着に多数点を計測することは難しく、時間的効率の目して時系列的にその成長プロセスを追跡すると良い計測とは言い難かった。その点を改善できないう観察はできなかった。一方、最近では 1,000

いか昨今、キャビテーション水槽での流場計測に〜 2,000f/s の撮影が可能な高速度 VTR も、市場

PIV2）（Particle Image Velocimetry：粒子画像流速計）

価格が下がり手の届かないものでは無くなった。の適用を試みている。

そこで従来の VTR 撮影に代え高速度 VTR の適用

LDV はドップラー効果を計測する必要上、照を試みたところ、これまでは分かり難かったキャ射光源には直進性が高く照度が大きいレーザー光ビテーションの瞬時の過渡プロセスを、克明に捉を使う。一方、PIV はトレーサーの位置が撮影でえられることが確かめられた。

きればよいので、原理的にはレーザー光に拘らず、特に、翼面上でのキャビテーション崩壊の有様一般的なハロゲンライト等の適用も可能である。

を捕らえるのに高速度 VTR は有用で、翼形状のまた高速 VTR と同様、PIV に必要となる CCD カ

改良やプロペラの開発に有用な知見が多く得られメラも最近では廉価になってきた。このような観る。そのため、従来の数回分の平均として捕らえ測 器 環 境 に お い て、PIV の 最 大 の メ リ ッ ト は、られた映像に比べ、高速度 VTR の映像は経験のLDV は狙った 1 個からせいぜい少数個のターゲッ

浅い観察者にとっても、非常に役立つ観察／記録

ト に 照 射 し、 そ の 流 速 デ ー タ を 得 る の に 対 し、ツールとして今後、益々、活用の場は広がって行PIV は上流から流した無数のトレーサーを CCDくと思われる。

カメラで撮影し画像処理的に位置を割り出して、トレーサー位置の流速を算定する。そのため同時2.3に多点計測が可能となり、流場計測法としては効PIV 法の利用

前述のとおり LDV1） は高精度であるが、同時率の良い計測法となる。最近では処理能力の高い

消失
成長＆崩壊

初生

高速度 VTR 画像（翼面上の崩壊状況）

図2

通常 VTR 画像（数個分の残像の平均）

VTR の違いによるキャビテーション映像の差̶

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流れと共に移動するターゲット

ター
ゲッ
トが無いと通過する光【T＝T0の時の画像】

流体と共に動くトレーサーの単位時間後の位置の座標を写真より読み取る。

【T＝T0＋ΔTの時の画像】

流れ

ΔTとSnの長さから局所流速が分かる

光ーザー

光射レ

反射

S2

S3のト

照ッゲー

タ

S1

照射光と反射光ではターゲットの速度に応じ波長が変化している。
（ドップラー効果）

S4

LDV計測原理の模式

S7

S5

S6

PIV計測原理の模式

１）ＬＤＶ法： レーザー光を流体と同運動するターゲット（反射粒子）に当て、照射光と反射光のドップラー作用を計測することによりターゲット位置の流体速度を得る計測法で、主に水槽試験でよく用いられる。
２）ＰＩ
Ｖ法： 流体中のトレーサー位置を時間とともに撮影して計測することで、トレーサー周りの流速を得る方法
で、主に風洞試験で用いられる。ＬＤＶより多くの箇所の流速を同時計測できる利点がある。

図3

図4

LDV と PIV の流速測定原理

PIV システムで捕らえたトレーサーの画像

パソコンの普及に伴い、PIV 専用の画像処理ソフる。図 3 に LDV と PIV の計測原理の模式図を示す。

トも多数出回るようになってきた。このようなこ

また図 4 には PIV システムで撮影された、流とも PIV を用いる上での有利性を後押ししていれと共に移動しているトレーサーの画像例を示

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す。このような画像を一定時間ピッチ：DT で連○キャビテーションの成長プロセスを理解する上続的に撮影し、流速を測りたい点付近のトレーで有意な克明な映像データの取得

サーに着目して画像からトレーサーの位置を割り○キャビテーション周囲の流場情報の効率的な取出 し、DT 後 の ト レ ー サ ー の 移 動 距 離：得Sn,n=1,2,3 ････を求め、Sn を DT で除してトレー

当社は今回紹介した三項目以外にも今後とも試サーの移動速度、ひいてはトレーサーがある位置

験法の改良に取り組み、プロペラ開発やトラブルの流速を求める。

対策の検討に対し、技術支援を目指していく。
3.

おわりに謝辞以上、キャビテーション試験における当社の最最後となりましたが、本技術紹介をまとめるに近の試みを三点程、紹介した。これらにより冒頭当たり、㈱ IHI 技術開発本部 総合開発センターに述べた課題に対し、以下の改善がなされた、あ船舶海洋技術開発部 の大森 拓也 課長殿 ならびにるいは光明が見出されようとしている。

長屋 茂樹 課長殿には資料の提供や様々な助言を○キャビテーションをできるだけ正しく把握する賜りましたこと、厚く御礼申し上げます。

ための視角の改善研究開発事業部

研究開発事業部

試験技術部

試験技術部

大型試験機器グループ部長

尾崎 伯哉

三船 正純

TEL. 045-759-2094

TEL. 045-759-2085

FAX. 045-759-2107

FAX. 045-759-2137

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