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PS-15

海技研 CFD “NAGISA”を用いた自由航走計算による一般商船の操縦性能直接推定
流体性能評価系＊坂本信晶, 大橋訓英, 小林寛, 大森拓也, 鈴木良介

1．はじめに

表 1 に,供試船型の主要目を示す.表中,Lpp は垂線間長,B は全一般商船の操縦性能を,その設計段階から正確に評価して幅,d は計画満載喫水,CB は方形係数, rxx/yy/zz はそれぞれ x 軸,おくことは,船舶による安全な海上輸送を達成するためにはy 軸, z 軸回りの慣動半径である.

必要不可欠である.船舶の操縦性能推定には,自由航走試験,拘束模型試験と操縦運動数学モデルの併用,数値流体力学

表-1 供試船型の主要目(Computational fluid dynamics: CFD)によるシミュレーション

KCS

Esso Osaka等,様々な方法が提案されている.本研究では,粘性 CFD 計算

Lpp/B7.1436.132を用いて,これまで主に行われていた拘束模型試験の再現でB/d

2.981

2.439

はなく自由航走試験を直接再現し,要目が異なる 2 隻の一般CB

0.651

0.831

商船の操縦性能を,模型/実船スケールで推定した結果についrxx, rzz

0.258Lpp

0.25Lppて報告する.

ryy0.4B-2．海技研 CFD“NAGISA”の概要“NAGISA”は,海上技術安全研究所(海技研)において開発されている重合格子対応船舶用粘性 CFD ソルバーである 1).自由航走計算は,二重模型流れ状態若しくは自由表面を考慮した状態で実施し,後者には単相レベルセット法を用いた.乱流モデルには k-ω モデルベースの EASM (Explicit Algebraic

本研究では,主船体,船尾管(Esso Osaka については船尾管無し),舵,外部領域についてそれぞれ独立した構造格子を生成した.計算に用いた総セル数は,KCS 船型で約 400 万セル,EssoOsaka 船型で約 300 万セルである.それぞれの格子間の補間情報は,海技研で開発を進めている重合格子生成ソフトウェア
UP_GRID2)を用いて計算し,各計算格子の相互位置が変更すStress Model)モデルを用い,計算によって壁関数の使用/不使る度(例えば舵角変更時等)にアップデートした.壁面第１層の用を使い分けた.壁面粗度は,必要に応じて乱流モデル中で考格子間隔は,乱流モデルの要求に従い,壁関数非使用の場合慮し,粗度高さは砂粗度で 150μm を与えた.プロペラモデルには,無限翼数理論に基づく体積力モデルを用いた.船体運動は,最大で 6 自由度とした.運動量方程式の移流項離散化精度は 3(Esso Osaka)には無次元粘性長さ y+が 1~2 程度,壁関数使用の場合(KCS)には y+=200 程度となるように設定した.
表 2 に,CFD 計算を実施する際の流場条件であるフルード次であり,無次元時間刻みΔt=0.01 を用いた非定常計算を行数(Fn)およびレイノルズ数(Rn)と共に,本稿に紹介する自由航った.

走運動と供試船型の対応を示す.

3．供試船型・計算格子および流場条件
本研究では,KCS コンテナ船型および Esso Osaka VLCC 船を対象とした計算を行った.図 1 に供試船型の概要を示す.な
お両船型にビルジキールは付属しておらず,Esso Osaka についてはシューピースおよび船尾管も,形状データが存在しないため,再現していない.

表-2 計算条件

FnKCS

Esso Osaka

0.26

0.0

Rn

9.59E+06

1.52E+09

Free run

10/10 zig-zag

35deg turning

4．計算結果および考察
図 2 に,KCS 船型の 6 自由度 10/10 zig-zag 運動検証結果(赤線が CFD, 黒線が水槽試験)を示す.図中,time(s)は時間,(xE,yE)は航跡, 𝜙𝜙はロール角,Ψは方位角(右舷方向回頭が正), 𝛿𝛿

は舵角(取舵方向が正), (us, vs)は船速, p は横揺れ角速度, rは旋回角速度, n はプロペラ回転数である.なお,本計算時のGM は水槽試験同様,実船(Lpp=230m)換算で 0.6m としている.
図-1 供試船型:KCS (上), Esso Osaka (下)推定した 1st および 2nd overshoot angle は,水槽試験結果が夫々10.8deg および 20.2deg であるのに対し,CFD 計算結果は夫々(107)108
15.5deg および 18.7deg となり,操縦運動数学モデルを使用して得られた値 3)と遜色のない結果となっている.

図-2 KCS 船型 6 自由度 10/10 zig-zag 操縦運動検証結果

図 3 に,Esso Osaka 船型の実船スケール 3 自由度舵角 35 度旋回運動検証結果(赤線が CFD, 赤丸が実船試験)4)5)を示す.図中,t’は無次元時間, (x/Lpp, y/Lpp)は航跡, ubs/U0 は船首尾方向速

図-4 Esso Osaka 船型旋回運動時の船尾流場および F’N 時系列 4)度,βは船体の重心位置における船首尾方向速度および左右限方向速度で定義したドリフト角,r’は無次元旋回角速度であ5．まとめる.推定した縦距,横距,旋回圏は,Lpp で無次元化した実船試験

本研究では粘性 CFD 計算により,要目の異なる 2 隻の一般結果が夫々3.1, 1.1, 2.85 であるのに対し,実船スケール CFD 計

商船に対して模型/実船スケールの自由航走シミュレーショ

算結果は夫々3.0, 1.4, 3.11 となり,今後更なる検証を重ねた上ンを行い,操縦性能を直接推定した.水槽試験・実船計測結果

ではあるが,CFD による実船の操縦性能直接推定が可能となを用いて船体運動航跡等の計算結果を検証し,開発した CFDり得ることを示唆する結果となっている.βについては,実船計算手法が有効な操縦性能推定法となることを示した.

計測結果 5)が同型の自由航走模型試験が示す値 6)からは外れており, 実船試験時の解析に用いられた座標系, βの定義等について精査が必要である. 図 4 に,図 3 において船体が横距

1) Ohashi et al.: Development of a structured overset Navier-Stokes

位置(t’=4.22)にある時の舵周りの軸方向流速分布, 舵の圧力

solver with a moving grid and full multigrid method, Journal of

分布および舵直圧力係数 F’N の時系列を示す.参考として,模Marine Science and Technology, Vol. 24, pp. 884-901 (2019).

型スケール計算(Rn=9.78E+05)による結果も合わせて示して

2) Kobayashi and Kodama: Developing spline based overset grid

いる.尺度影響を受けた舵周りの速度分布により,舵の圧力分assembling approach and application to unsteady flow around a

布が変化し,結果として横距位置(t’=4.22)での F’N は,実船スケ

moving body, Journal of Mathematics and System Science, Vol. 6,ールの値が模型スケールに比べ,約 30%小さくなっている.こpp. 339-347 (2016).の結果は,自由航走試験時に尺度影響を合理的に考慮するた

3) 福井他: 横傾斜を含む 4 自由度操縦運動数学モデルと操縦7)の必要性を示している.

めの,”舵効き・船速修正”

参考文献

性推定, 日本船舶海洋工学会論文集, Vol. 24, pp. 167-179(2016).
4) Sakamoto et al.: Model and full scale CFD of the Esso Osaka
under 35deg turning circle maneuver in deep water, 日本船舶海洋工学会講演会論文集, Vol. 31, pp. 165-170 (2020).
5) Crane: Maneuvering trials of a 278000-DWT tanker in shallow
and deep waters, SNAME Transactions, Vol. 87, pp. 251-283(1979).
6) 貴島他: 浅水域における船の操縦運動特性に関する一考
察, 西武造船会会報, Vol. 69, pp. 111-122 (1985).
7) Ueno et al.: Rudder effectiveness and speed correction in practice

図-3 Esso Osaka 船型実船スケール旋回運動検証結果 4)(108)

at tank test, Ocean Engineering, Vol. 145, pp. 124-137 (2017).