95PS-9

周期吹出による空気潤滑法の抵抗低減効果拡大について
流体設計系

1．はじめに船舶の省エネルギー技術として船底から空気を吹出し船体表面を気泡流で覆うことで，船体抵抗の大きな割合を占める摩擦抵抗を低減させる空気潤滑法がある 1)．
本研究では摩擦抵抗低減効果の向上を目的に，気泡を連続＊若生

大輔 、川北千春、濱田達也

空気なしの S2 の摩擦抵抗𝑅𝑅𝑅𝑅� は， Schoenherr の平均摩擦抵抗係数の式を用いて(3)式より算出する．
�𝑅𝑅𝑅𝑅� � 𝐶𝐶𝑓𝑓� �𝑅𝑅𝑅𝑅�𝐿𝐿� �� ∙ � 𝜌𝜌𝜌𝜌� 𝑉𝑉� � � 𝐶𝐶𝑓𝑓� �𝑅𝑅𝑅𝑅�𝐿𝐿�� ���∙ � 𝜌𝜌�𝜌𝜌� � 𝜌𝜌� �𝑉𝑉� �的に吹出す従来の方法（連続吹出）と周期的に吹出す方法（周(3)ここで，𝐶𝐶𝐶𝐶� は，空気なしの相当平板の摩擦抵抗係数で，(4)期吹出）2)による摩擦抵抗低減効果を実験的に調査した．

式の Schoenherr の式より算出する．𝑅𝑅𝑅𝑅[-]はレイノルズ数，
𝜌𝜌[kg/m3]は水の密度，𝜈𝜈[m2/s]は水の動粘性係数，𝐿𝐿�� [m]は船2．供試模型および試験条件

首から空気吹出部の距離 3.110m である．

2．1 供試模型
供試模型は平らな船底を持つ長尺模型で，分割模型となっており長さ 6m の船首部模型および船尾部模型と，8m の中間部模型を組み合わせることにより長さの異なる模型とすることができる．模型船の主要目を表－1 に示す．本論文では

1⁄�𝐶𝐶𝐶𝐶� � ��1� ����� 𝑅𝑅𝑅𝑅 �𝐶𝐶𝐶𝐶�

せん断力計設置位置における局所摩擦抵抗低減率∆𝜏𝜏 𝜏 𝜏𝜏�

を(5)式に示す．

∆𝜏𝜏⁄𝜏𝜏� � �𝜏𝜏� � 𝜏𝜏�⁄𝜏𝜏�

36m 模型について報告する．
表－1 模型船主要目.
Length on water line: Lm[m]Breadth[m]Draft[m]Wetted Surface: S[m2]Wetted Surface Area on bottom: S1[m2]Wetted Surface Area of bubble coating on bottom: S2[m2]

(4)

(5)

ここで，𝜏𝜏[gf]は空気ありの局所摩擦抵抗，𝜏𝜏� [gf]は空気な

36.00
1.00
0.07
46.81634.22832.164

しの局所摩擦抵抗である．

3．計測結果および考察
3. 1 摩擦抵抗低減率(1) 連続吹出

2．2 試験条件
試験は海上技術安全研究所 400m 水槽にて実施した．模型

連続吹出における𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡� と摩擦抵抗低減率∆𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅 𝑅𝑅𝑅𝑅� の関係を図－1 に示す．図より𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡� が大きくなると摩擦抵抗低減

4)船の Pitch，Roll および Heave はフリーとし，Surge，Sway， 率も大きくなる．これは，川島ら と同様の傾向である．

Yaw は固定としている．
(1) 連続吹出（CBI：Continuous Bubble Injection）
連続吹出は，𝑡𝑡𝑡𝑡[mm]：相当空気膜厚さと，𝑉𝑉� [m/s]：船速を変化させ行った．𝑡𝑡𝑡𝑡は投入した空気が船底に均一にかつ膜状に広がったときの相当空気膜厚さであり，式(1)で表される 3)．
𝑡𝑡𝑡𝑡 � 𝑄𝑄 ⁄�𝑉𝑉� ∙ 𝐵𝐵� �(1)

𝑄𝑄は空気吹出量[L/min]，𝐵𝐵� は空気吹出部幅[mm]である．

(2) 周期吹出（RBI：Repetitive Bubble Injection）

周期吹出は，
𝑡𝑡𝑡𝑡[mm]：相当空気膜厚さ，Duty 比[-]，𝑉𝑉� [m/s]：

図－1 摩擦抵抗低減率の比較（連続吹出）.

(2) 周期吹出
船速 8m/s における周期吹出の相当空気膜厚さ𝑡𝑡𝑡𝑡と摩擦抵船速，𝑓𝑓[Hz]：吹出周波数をそれぞれ変化させ試験を行った．
Duty 比は,1 周期中の空気を吹出している時間の割合である．一周期当たりの吹出し量は,𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡が等しければ Duty 比にかかわらず同一である．周波数が異なる場合も時間当たりの流量は同一である．
2．3 解析手法
計測した全抵抗より求めた気泡被覆部（S2）の摩擦抵抗低減率∆𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅 𝑅𝑅𝑅𝑅� を(2)式に示す．
∆𝑅𝑅𝑅𝑅⁄𝑅𝑅𝑅𝑅� � ∆𝑅𝑅𝑡𝑡� ⁄𝑅𝑅𝑅𝑅�

(2)図－2 摩擦抵抗低減率の比較（周期吹出）.

(95)

96
抗低減率∆𝑅𝑅𝑅𝑅 𝑅 𝑅𝑅𝑅𝑅� の関係を図－2 に示す．

あると考えられる．

周波数 0Hz は連続吹出である． 𝑡𝑡𝑡𝑡が大きくなると摩擦抵抗低減率が高くなることがわかる．周波数影響は，0.5Hz でもっとも低減率が高くなることが分かる．摩擦抵抗低減効

果は，船速 8m/s，Duty 比 25%で，𝑡𝑡𝑡𝑡＝4.5mm で最大 5.2%向上している．
3. 2 局所摩擦抵抗低減率(1) 連続吹出図－4 局所摩擦抵抗低減率（周期吹出）.

船速 8m/s における連続吹出時の局所摩擦抵抗低減率の結果を図－3 に示す．横軸は船首からの距離𝑋𝑋である．局所摩擦抵抗低減率は，𝑡𝑡𝑡𝑡が大きいほど高くなる．𝑡𝑡𝑡𝑡が大きいと船首近傍で低減率は高くなり，離れるに従い低減率は低くなる．
12.5m まで低減率は下がり，以降は変化が小さくなる．

図－5 局所摩擦抵抗低減率の周波数，Duty 比での比較.

4．まとめ・が得られる可能性のあることが分かった．吹出周波数

図－3 局所摩擦抵抗低減率(𝑉𝑉� =8m/s)（連続吹出）.

0.5Hz のときに摩擦抵抗低減率がもっとも高くなり，摩(2) 周期吹出

擦抵抗低減率向上効果は連続吹出に比べ，船速 8m/s，船速 8m/s における周期吹出時の相当空気膜厚さ𝑡𝑡𝑡𝑡の局所Duty 比 25%の条件で，𝑡𝑡𝑡𝑡＝4.5mm では最大 5.2%向上が得

摩擦抵抗低減率への影響を図－4 に示す． 横軸は船首からの距離𝑋𝑋，縦軸は局所摩擦抵抗低減率である．Duty 比はすべてられた．
・50%である．

吹出周波数 0.5Hz の条件で，摩擦抵抗低減率及び局所摩擦抵抗低減率のどちらも，Duty 比 50%と比べ Duty 比 25%𝑡𝑡𝑡𝑡が大きいほど局所摩擦抵抗低減率も高くなる．局所摩擦抵抗低減率は吹出部直後から，𝑡𝑡𝑡𝑡=3mm の場合，船首部で高く，連続吹出に比べ周期吹出はより高い摩擦抵抗低減効果とした場合の低減率が高い．
謝辞

下流に向かい低下し，𝑋𝑋=12.5m より下流では変化が小さい．
図－3 の連続吹出と比較した場合，𝑡𝑡𝑡𝑡=3.0mm では連続吹出は

本研究は，JSPS 科研費 JP17H01245 の助成を受けたもので全域で 10％前後の局所摩擦抵抗軽減率となるが，周期吹出です．研究実施にあたり北海道大学工学研究院

は吹出部直後の 4.5m 位置では 20％を越え，連続吹出と同じ授，朴炫珍助教，室蘭工業大学もの創造系領域 大石義彦助

10％になるのは 12.5m 位置である．これが連続吹出と比べ周教より貴重なご指導や助言を頂きました．心よりお礼申し上期吹出の摩擦抵抗低減率が大きくなる部分だと考えられる．

げます．

船速 8m/s における周波数，Duty 比の影響を図－5 に示す．
𝑡𝑡𝑡𝑡=1.5mm，周波数 0.5，1，2Hz，Duty 比 50%，25%の結果をプ

参考文献
1)

ロットしたものである．

講演会論文集，第 6 号，2008，pp.163-166．
2)

0.5Hz が最も低減率が高く，より下流まで効果が維持される．

Park, H. J 他: Drag Reduction Promoted by Repetitive
Bubble Injection in Turbulent Channel Flows, Int.

全般的に，周波数，Duty 比に関わらず，最終的には連続吹出と同じ局所摩擦抵抗軽減率になるが，周波数，Duty 比は小さ児玉良明他：大型セメント運搬船を用いた空気潤滑法による省エネ実船実験(結果と解析)，日本船舶海洋工学会

周波数が同じ場合，Duty 比 50%と比べ Duty 比 25%は特に船首部で局所摩擦抵抗低減率が高くなる．周波数影響は，

村井裕一教

J. Multiphase Flow, Vol. 75, pp. 12-25, 2015.
3)

川島久宜他：50m 平板を用いた 2 段吹き出し法によるマい方が，より下流まで高い低減率を維持する．同じ𝑡𝑡𝑡𝑡の場合，イクロバブル抵抗低減実験，日本船舶海洋工学会講演会

吹き出す空気と空気の間隔が広くなるほど，連続吹出と比べ論文集，第 2E 号，2006．

より後方まで低減効果が高くなる．つまり，単位時間当たり4)川島英幹他：空気潤滑における速度とボイド率の抵抗低の吹出空気量を一定とした場合，吹出周波数を小さくして，減効果への影響，日本船舶海洋工学会講演会論文集，第吹出時の空気量を多くすることが，摩擦抵抗低減に効果的で30 号，2020(96)