三菱重工技報 Vol.53 No.2 (2016) 船舶・海洋特集

技 術 論 文50

造波影響及びプロペラの回転影響を考慮した
大規模非定常 CFD による船体周りの流場の推定
Development of Estimation Technique of Flow Field around Ship HullConsidering Wave Making and Propeller Rotating Effect

川 淵 信 *1

窪 田 雅 也 *1

Makoto Kawabuchi

Masaya Kubota

石 川 暁 *2
Satoru Ishikawa

近年，商船の設計段階において，“エネルギー効率設計指標（Energy Efficiency Design Index,EEDI）”に関連する規定が適用されるなど，推進性能向上に対するニーズや関心がますます高まっている。当社では，CFD を用いて効率的かつ高精度に船型開発を実施しており，同時に CFD技術の高度化にも取り組んでいる。できる限りモデルの簡略化を廃して，実現象に近い状態を再現することにより，船体周りの流場の推定精度の向上につながった。本稿では，開発した CFD ツールとその製品開発への適用事例について説明する。

|1. はじめに商船の推進性能は，船体抵抗，船体とプロペラとの干渉影響である自航要素，プロペラ単独特性に分解して考えることが一般的なプラクティスとなっており，それぞれ，抵抗試験，自航試験，プロペラ単独特性試験と呼ばれる水槽試験を実施して求めることができる。これら性能パラメータは船体や付加物形状，プロペラ形状の変更にともなって，互いに影響し合いながら変化するため，省エネ性能に優れた船型の開発のためには，抵抗，自航要素，プロペラ特性を精度良く評価し，性能の良し悪しを見極めていく必要がある。
推進性能にかかわる数値パラメータの推定精度を向上させるためには，流場の推定精度を向上させていくことが必須である。そのため，当社では超高速メッシュジェネレータ(1)を活用し，解析対象の形状を忠実に再現するとともに，船体の周辺で起こる現象についても忠実に再現するために必要十分な格子密度の計算メッシュを用いた大規模解析技術を開発している。
従来の解析手法(2)に対し，特に自航試験に対応した自航解析の手法を改良し，より汎用性が高く，かつ流場の推定精度が高い解析手法を開発した。

|2. 解析手法の整備
2.1 従来手法の概要
従来の解析手法は主に解析時間と安定性を高めた手法であり，とりわけ自航要素の推定においては，表１に示すように，自由表面影響とプロペラ回転影響の２つの現象について，解析モデルの簡略化を図っている。具体的には，自由表面影響を微小と仮定して，静止水面に相当する境界に上下対称の条件を与える二重模型流れ（Double Model Flow）による解析手法を採用してい る 。 ま た ， プ ロ ペ ラ モ デ ル は 計 算 領 域 内 に 定 義 し た デ ィ ス ク 領 域 に UQCM （ UnsteadyQuasi-Continuous Method）により計算したプロペラ回転と吸込み流れの影響をボディフォースとして与えることでプロペラが発生する流れを模擬している。
*1 総合研究所 流体研究部*2 総合研究所 主幹プロジェクト統括

三菱重工技報 Vol.53 No.2 (2016)

51表１ 解析手法の比較
船尾形状の取扱方法
格子タイプ
格子数
自航計算におけるプロペラモデル
自航計算における自由表面取扱法
乱流モデル
並列 CPU 数

従来 CFD
複雑形状を忠実に考慮
非構造ヘキサ格子
数百万～１千万
UQCM によるボディフォースモデル

最新 CFD
複雑形状を忠実に考慮
非構造ヘキサ格子
２千５百万～５千万
実形状プロペラによるスライディングメッシュ

固定水面界面捕獲法（VOF）

SST k-ω（２方程式）
16～64

SST k-ω（２方程式）
64～2562.2 解析手法の改良
従来手法で簡略化している現象を忠実にモデル化することにより解析精度の改善を図った。すなわち，自航解析においても自由表面を VOF（Volume of Fluid）モデルにより解析し，プロペラはブレード形状を忠実に再現し，スライディングメッシュ法によりプロペラ形状を回転させるモデルを採用した。船型と水槽試験結果が公開されているバルクキャリア船型である Japan Bulk Carrier（以後，JBC）を対象とした解析格子のプロペラ近傍のメッシュアレンジメントを図１に示す。バルクキャリアのような肥大船の船尾では，３次元的な剥離渦が発生することが知られているが，この剥離渦の初生を捉え，かつ渦の減衰を抑えるよう，メッシュを細分化している。長手方向は，船体中央部（Midship）から船尾端付近まで，幅方向は船幅の半幅程度，高さ方向は船の Base Line から静止水面までの距離を包括する領域に対しメッシュリファインメントを施している。
図２に速度勾配テンソルの２次不変量の等値面(3)を示す。メッシュを細分化した領域で渦の初生を捉えており，渦が減衰することなくプロペラ面に流れ込んでいる様子を捉えている。

図１ JBC の船尾周辺のメッシュアレンジメント

図２ JBC の船尾における速度勾配テンソルの２次不変量の等値面

図３は JBC を対象として，プロペラが無い状態におけるプロペラ面への流入流場について，PIV(Particle Image Velocimetry ; 粒子画像流速測定法)による流場計測結果，従来解析手法，改良した解析手法の主流方向の流速コンタを比較している。幅方向座標-0.01，高さ方向座標-0.04 付近に見られる低速域の分布形状，幅方向座標-0.01～0，高さ方向-0.05～-0.04 に見られる低速領域の分布など，従来解析の結果に比べ，改良後の解析結果が実験値とよく一致していることがわかる。
また図４に JBC を対象にした解析の自航要素推定結果の比較を示す。自航要素を示すパラメータとして 1-t（ｔは推力減少率(注１)），1-wm（wm は伴流係数(注２)），er（プロペラ効率比(注３)）の実験値との比を比較している。流場の推定精度の向上とプロペラモデルの高度化により従来の手法に比べ，自航要素の推定精度が大幅に向上したことがわかる。
（注１）船がある速度で自航している場合の推力と，それと同じ速度で船を曳引した場合の船体抵抗の差分を，推力との比で表した値（注２）プロペラに流入する流速と船の前進速度の流速差を，船の前進速度との比で表した値（注３）プロペラが均一な流れの中で単独で作動するときのプロペラ単独効率と，船尾の不均一な流場における船後プロペラ効率の比三菱重工技報 Vol.53 No.2 (2016)52

図３ プロペラ面における主流方向流速の比較

図４ 新旧モデルの実験値との自航要素の比較|3. 解析手法の適用事例
従来よりも自航要素解析精度を向上した手法を活用し，船体形状やプロペラ近傍の付加物の開発に役立てている。ここでは，２つの事例について紹介する。

3.1 舵・プロペラ・省エネデバイス形状の改良
高精度な流場推定結果を用いて，プロペラならびに，プロペラが作る流れの影響を強く受ける舵や省エネデバイスの形状改良に新しい解析手法を適用し，舵・省エネデバイスの断面形状やデバイス取付角度等の設計に活用している。

図５ 舵・省エネデバイス・プロペラの一体解析状況
左図：省エネデバイス・プロペラ・舵の配置状況と物体表面の限界流線
右図：船尾の空間内流線を表示し，省エネデバイスによる流場改善効果などを確認

図５は舵・省エネデバイス・プロペラの形状を再現した非定常一体解析の状況を示している。船体からの伴流，及び省エネデバイス・プロペラ・舵それぞれの流れの干渉を精度良く解析し，それぞれの効果を最大化する個別最適ではなく，船体・デバイス・プロペラ・舵を含む推進系全体の最適化を狙った開発を実施している。改良の一例として，省エネデバイスの翼の取付角度を変更

三菱重工技報 Vol.53 No.2 (2016)

53

した解析の事例を図６に示す。改良前は翼の負圧面（Suction side）で剥離が見られ，これによりデバイスの固有抵抗が高くなることが想定されるが，改良後は翼の負圧面でも正圧面（Pressureside）でも剥離が無くなっており，固有抵抗が少なくデバイス効果としても高くなると考えられる。

図６ 翼の取付角度変更による省エネデバイス翼面上の流れの比較

3.2 船尾端没水度の検討
船尾形状を忠実に再現し，かつ自由表面付近の格子解像度を高めることにより，船体抵抗を低減する上で重要な，船尾造波の改善に CFD 解析が活用できるようになっている。
コンテナ船など比較的高速で高い復原性能が求められる船種では，復原性能確保のために水線面積を広げる必要がある。図７は船尾端高さを下げることにより，船尾造波を改善した事例を示している。改良後は船尾端を低い位置に設定しているため，船尾端直後の波の盛り上がりが低減され，かつ水線面積が確保できている。これにより復原性能確保と推進性能改善を両立することができている。

図 7 船尾端の高さ変更による波高変化
船尾端の下端高さ（没水度）及び輪郭形状の調整により船尾波高を制御できる。

|4. まとめ船の自航解析において，自由表面影響とプロペラ回転影響について，従来モデルよりも現象に忠実なモデリングによる解析を実施することで，解析精度を向上させた。実際の流場を高精度に再現した解析モデルを用いることで，船体そのものの最適設計の精度を向上させるだけでなく，プロペラ周辺の舵や省エネデバイスのような付加物形状の改良が効率的に実施できるようになり，試作回数の低減につながっている。プロペラ回転による非定常性を考慮することも可能になっており，今後は，流場変動に対するロバスト性という観点も加えた，より省エネ効果の高いデバイスや舵の開発に役立てていく。

参考文献(1) 田中守ほか，数値シミュレーションを活用し，生産性を向上させるものづくり革新，三菱重工技報，Vol.48 No.1
(2011)，P.61～64(2) 西垣亮ほか，最新 CFD 技術の省エネ船型開発への活用，三菱重工技報，Vol.50 No.2 (2013)，P.71～76(3) Hino, T. et al, FLOW SIMULATIONS OF JAPAN BULK CARRIER USING OVERSET GRID APPROACH, Tokyo
2015 A Workshop on CFD in Ship Hydrodynamics, Proceedings, Volume Ⅲ, (2015)，P. Ⅲ-443～Ⅲ-447