2011.2.23
神戸大15:00～16：00

気泡が地球を救う
翼型気泡発生装置による船舶の抵抗低減
熊谷一郎・村井裕一・田坂裕司
櫛田崇文・大藪剛志・中村直哉・高橋義明
北海道大学・工学研究院・流れ制御研究室
ランドエンジニアリング社

船はエライ？

日本船主協会HPより

船（ふね）～地球に優しい輸送手段～
１トンの貨物を１km輸送した場合に必要なエネルギー

CO2排出量飛行機

トラック

１トンの貨物を１km輸送した場合に排出する二酸化炭素

４０

船
５

１
船

トラック

飛行機

dwt: 載荷トン数
船の最新知識：池田良穂（２００９）
http://www.marisec.org/shippingfacts/home/日本の造船業界の現状

日本の造船業界の現状
２０１０年１２月６日 日本経済新聞

流体力学屋としての貢献

船舶の抵抗気泡を用いた船舶の抵抗低減

長さ３００ｍクラスの石油タンカー、大型コンテナ船→約5万馬力の動力が必要
 約７０～８０％が海水との摩擦に打ち勝つためのエネルギー
 摩擦抵抗１０％の低減で3MWの節減
動力を１０％低減できると。。。


全世界の大型船舶１３００隻の抵抗低減によるエネルギー節約量： 3800 MW
日本の電力：- 太陽光発電：- 風力発電：- 水力発電：- 地熱発電：９８０００ ＭＷ
８６０ ＭＷ
９３０ ＭＷ
９０４０ ＭＷ
５４０ ＭＷ

空気を船底に送り込むためには？
ブロア
QH

ぶくぶく。。。

２００７ NEDO

１３０ｍ 運搬船

圧送に必要な動力

W圧送= W0 = r g H Q + a

低減率 １１％

正味の低減率 ５％空気の船底への導入を助ける工夫
ブロア

H

ぶくぶく。。。

W圧送= W0 – W翼負圧 + W翼抵抗

負圧

この部分を如何にマイナスにするか

ポンプを使わずに空気を船底へ導入することは可能か？

空気導入のための穴負圧

ポンプを用いずに空気の導入は可能か？（演示実験）U = 900 mm/s

U = 900 mm/s

横から撮影した画像

下から撮影した画像

逆方向に動かすと、どうなる？
U = -900 mm/s

U = -900 mm/s

横から撮影した画像

下から撮影した画像

WAIP: Winged Air Induction Pipe
Wcompressor= W0 – WL + WD
(Murai & Takahashi, 2008)• 効率的に空気を船底へ導入• 摩擦抵抗低減に効く気泡の生成

NEDO：流体力学的基礎研究（平成20年6月～）• 室内実験

- 自由界面近傍を運動する物体（円柱、WAIPなど）による空気の連行と気泡生成• 理論- 水中翼による気泡発生動力節減効果• 計算- ２相流の数値シミュレーション• 実船試験
- 軸動力低減効果の計測

室内実験による基礎研究

曳航物体： 円柱・角柱・楕円柱・翼など

Flow past a cylinder close to a free surfacer2hwU0r1d ？？？

St  f U 0 / D r1  U 02Frh   ghr
気液界面と流れとの相互作用はどのようになるであろうか？

実験画像例（Reynolds数変化）
無次元水深 a=1.0

Re ~3000

Re ~600
Re ~12000

Regime diagram for bubble generation
砕波による気泡の生成

楕円柱による実験：Angle of attack

U0=580 mm/s
h = 5 mm

WAIP用水中翼を用いた実験

界面変形の振る舞い
UlRe 
νθ
Effective Froude number Fre

0.57~5.9

Velocity U

100~1000

Reynolds number Re

2.6×103~2.8×104

Thickness s7[mm]Gap ratio a

1, 2, 4

Chord length l40[mm]Angle of attack θ5°, 15°, 30°

Hydrofoil
model

NACA653618

界面変形の振る舞いoilUlRe νθwaterdasUFre gs(ρ1 - ρ 2 ) / ρ1

翼による界面下降量を考えてみる（Fluid dynamic scaling）
1
Cpρ1U 2 ~ (ρ1  ρ2 )gh2
 (ρ1  ρ2 ) U 2gs ρ1h*  Fre



2

12h
~ s

12Effect of gap ratioh*  Fre

2

2. 0

h*

1. 5
1. 0
0. 50

123F re456

Effect of gap ratioh*  Freθ = 15°22. 0a=1h*

1. 5

1. 0a=2a=40. 50123F re456

Effect of angle of attack
a =12. 0

h*  Fre2

θ = 30°θ = 15°h*

1. 51. 0
θ = 5°

0. 50123F re456

WAIPに関する理論
気泡発生理論動力（村井ら 2010）
ベルヌーイ定理，質量保存，翼揚抗力理論を結合実験による検証

1
A  W  r B  gHa U   CPa  CD U 3 2B
 
必要動力

翼負圧による動力節減

U/Uc = 0.89

U/Uc = 1.03

U/Uc = 1.15

実船実験：WAIPの性能試験

WAIPの性能試験

１０％を達成。まだ伸び代がある。

前半、おしまい地球内部のプルームのふるまい
流体力学的なイメージ
熊谷 一郎（北大・工・流れ制御）

Davaille Anne
（パリ地球物理学研究所・CNRS）

栗田 敬（東大・地震研）

地球温暖化問題

Illpop.com

大阪管区気象台など（Ｈ２１）

年平均気温の推移
札幌管区気象台・函館海洋気象台（平成２２年１２月）

地球冷却化問題
地球の表層から外へ放出される熱：４６ ＴＷ
日本の電力98 GW
北大生協が推奨する必要摂取量：
1600~2000 kcal/day~87.5 W
日本の人口 1.27 x108 人

日本人の総パワー（？）
11.1 GW
Lay et al. (2008)

ギョギョ、マントルプルーム？

Bu-ku Bu-ku

マントルプルームはどこにある？
World Map of Volcanoes

Simkin et al. (2006)

3 types of volcanoes

現在も活発な活動をするハワイ

2002, ハワイ電磁気観測（柳澤ら）

地球の断層画像：地震波トモグラフィ

高温低温
Ritsema & Allen (2003)

Mantle Plume?
Viscosity ~ 1021-1022 Pa s
Density ~ 4 x 103 kg/m3

Velocity ~ 10 cm/yr
Plume size ~ 102-103 km

Re = UD/n ~1020 <<1
Scientific Comic: 地球大進化 (NHK)実験室で観る層流の熱出発プルーム（laminar thermal starting plume)

Compositional Heterogeneity
in the lowermost mantle

Lay et al.,1998

Garnero, 2000

Thermo-chemical plume experiments

温度場の可視化

High TLow T

Thermochromic
Liquid Crystals(TLCs)Ra ~ 2 x 105
Thickness 23mm

46 mPas (glycerol + water)

Tbot=30, Ttop=15, TLCs 23-28
Yanagisawa, 2003

複数の感温液晶とレーザーを用いた温度場の可視化
メリット・光シート厚が薄い、指向性が良い→シャープな画像
デメリット
・１種類の感温液晶で１本の等温線→複数種の感温液晶を入れる

Temperature Calibration

Temperature & composition

Visualization techniquecomposition & temperature

Original Image

Temperature field
Isothermal lines(TLCs + band pass filter)

Compositional field(Fluorescent dye + cut-off filter)

Fluid properties(sugar syrup + water)

High TAnatomy of thermo-chemical plumeToriginalInitial B0 =
0.540

[K]

viscosity

300[Pa s]

Blocal5012

Particle Image Velocimetry (PIV)
Principle of PIVCross-correlation of a pair of two fieldshighest correlation field

t=t0t=t0+t
low correlation field
Fluid velocity U=l/t

l: displacementof the pattern2次元の流速場（ＰＩＶ）
0.34 mm/s

組成（密度）の異なる2層の熱対流現象で系を特徴付ける無次元パラメータは？
Buckingham’s Pi theorem
agk

DT0r0, h0

Le = D / k << 1
Pri = ni / k >> 1
Rai = a g T Hi3 / n kHUg = n0 / n1
a=H/dRd

B = rc / rTr1, h1

T1l

Re = U R / ni << 1b=l/dParametersBuoyancy Ratio: B0=rx/r0aTLarge B0 (1.25)
Stratified mode

Small B0 (0.47)
Doming mode

Initial Buoyancy ratio

B0=rx/r0aTTime dependence
B0=0.67, tcr = 66 sec

熱組成プルームの本体はどの高さまで上昇するのか？

高温の組成プルーム頭部の最大高さ

Bx = (rx – r0) / rx a T

熱組成プルームの最大高さw

h1

Le Bars and Davaille, 2004をもとに
pは高さ

p(t)

d1

力のつりあいrx, q(t)

冷却の効果

d1

p(tmax) のとき w=0p(0) = 0

無次元高さ例えば、高温の熱組成プルーム頭部が、地表まで到達するためには…
p(tmax) ~ 3000 [km]a~ 3 x 10-5 [1/K]
g~ 10 [m/s2]
T~500 [K]d1~100 [km]k~10-6 [m2/s]
n~1018 [m2/s]
Bx = (rx – r0) / r0 a T ~ 0.5(rx – r0) / r0 ~0.75%

結論
熱組成プルームの振る舞いは、、、Initial B ratio



Time

Li & Lomanovicz (1996)

昔は意志が通じあっていたのにね。。。

地表CMB

小樽の雪祭りより