115PS-19

屈折率整合法を用いた内部流場計測―ダクト単体の内部流場計測と CFD の比較―
流体設計系

＊濱田達也、金子杏実、久米健一

船舶の省エネルギー技術の一つに，推進性能向上を目的とト中心が x=0mm，z=100mm の位置に設置した．座標の原点は，x 軸と y 軸は小型回流水槽計測部の中央，z 軸は計測部の底したダクト型省エネ付加物(例えば WAD, USTD1))がある．ダク面とした．また，主流方向速度 u の正の向きは，下流方向とト 型 省 エ ネ 付 加 物 は す で に 実 用 化 さ れ て い る が ， GHGした．計測の際は水面に波が発生しないよう制波板を設置し(Greenhouse Gas)排出規制が強化されるため，これまで開発た．

1．はじめにしてきた省エネ付加物の効果向上がより一層必要になる．

計測は，2 台の CCD カメラ(1600pixel×1200 pixel)を用いダクト型省エネ付加物の効果向上を目的とした流場把握

たステレオ PIV より行った．また，画像の撮影は，フレームのため，PIV(Particle Image Velocimetry)によるダクト模ストラドリング法によって行われ，2 画像間の時間間隔は 1662)

3)型周辺の流場計測が行われている ．また,Hiroi et al. はμs とし 10Hz ごとに画像を撮影した．画像の解像度は実船計測にてダクト上部の流場を PIV により計測している． 0.12mm/pixel である.レーザ光源は出力 300mJ，グリーン光
ただし，PIV を用いたダクト周辺の流場計測では，ダクト本(波長 532nm)のダブルパルスレーザを使用した. CCD カメラ

体が影となりダクト内部にレーザ光が届かないため，ダクトにて撮影した水中のダクト模型の様子を図－3 に示す．

外部の計測に限定されている．
この課題を解決するため，著者らは水(清水)の屈折率(nD

表－1 ダクト模型の主要目=1.333)に近い透明模型と屈折率整合法を用いたダクト内部の流場計測を行う手法の開発を行っている．これまでの研究

流入口直径71mm

により，1/4 周が CYTOP(nD =1.34)のダクト模型を用いて，ダ流出口直径49mm

クト内部(上半分)の流場計測を行い，ダクト内部で主流方向

ダクト長さ28mm

翼断面形状

NACA4420

開き角23°4)の速度が加速していることを実験により確認した ．
計測結果の検証のためには別の手段による計測データが

図－1 1/4 周 CYTOP ダクト模型必要であるが，ここでは CFD 計算結果をその代用とし，CYTOPダクト模型と屈折率整合法を用いた計測結果と CFD 計算にどの程度の差があるかを調査したため報告する．
2．試験方法試験に用いたダクト模型は図－1 に示すとおり，1/4 周がCYTOP，残り 3/4 周が 3D プリンターで製作された.ダクト模型を組み合わせて試験に使用した．ダクト模型の主要目を表－1 に示す．ダクト上半分と下半分の内部流場をそれぞれ計

図－2 計測断面位置

図－3 水中のダクト模型の様子測するために，ダクトを 90°回転して固定する方法を採用した．
PIV 計測は，小型回流水槽(計測部：長さ 680mm×幅 300mm

3．試験結果3．1 試験条件

×水深 200mm，最大流速 0.8m/s)にダクト模型を設置し，ダク

計測は，流速 0.6m/s にて行い，流体には清水を用いた．流

トの内部流場はレーザシートと CCD カメラにて計測した．

速は，小型翼車式流速計を x=-240mm，z=100mm の位置に設置

計測範囲は，ダクト模型を画角に入れるため幅 100mm×高して計測し，代表速度 U とした．

さ 100mm とした．レーザシートは CYTOP を通してダクト内部照射するため，小型回流水槽の横から照射し，幅方向(y 軸)と3．2 試験結果

鉛直方向(z 軸)を 2 軸とした平面を計測範囲にした．また，レ

図－4～6 に x=-10mm，-5mm，0mm の位置で計測した主流方

ーザシートは小型回流水槽の長さ方向中央位置(x=0mm)で照

向速度 u の無次元値 u/U の面内分布を示す．u/U の計測結果射した(x は下流方向を，y は上流を見て右向きを，z は鉛直は，z=100mm を境にダクト上半分と下半分を合成している．

上向きを正とした)．ダクト模型は，図－2 に示すとおりダク

また，図内のグレーの部分はダクトを示している．図－4～6(115)116の結果より，ダクト内部の上半分と下半分がそれぞれ計測でることがわかった．

きていることがわかる．また，ダクト内部壁面付近の流速について，x=-10mm では流速が遅い部分があり，下流に進むに4．まとめつれて流速が速くなっていることがわかる．同様に，ダクト

CYTOP 模型と屈折率整合法を用いたダクト内部の流場計測

内部中央部分の流速も下流に進むにつれて速くなっている結果と CFD 計算の比較を行い，以下のことがわかった．

ことがわかる．

①

計測したダクト内部の u/U の分布は，CFD 計算と同様にCFD 計算は SURF コードを用いて行った．CFD 計算の結果を下流に進むに従い速度が速くなっており，PIV 計測と図－7～9 に示す．図－7～9 は x=-10mm、-5mm、0mm の u/U のCFD 計算の主流方向速度の傾向が定性的に一致してい面内分布である．CFD 計算の結果においても x=-10mm ではダクト内部の壁面付近に流速が遅い部分あり、下流に進むにつることを確認した．
②

今回の計測結果では，ダクト内部の PIV 計測と CFD 計いて流速が速くなっていることがわかる．また，ダクト内部算の差について，ダクト中心位置の u/U を比較すると，中央部分の流速が下流に進むにつれて速くなっていることその差は±5％以内であった．そのため，ダクト内部のがわかる．これにより，PIV 計測と CFD 計算の主流方向速度流場計測とその設計への反映が可能と考えられる．の傾向が合っていることがわかった．
図－10 に PIV 計測と CFD 計算のダクト中心位置の u/U の参考文献

比較を示す．横軸は x，縦軸はダクト中心位置の u/U を示す． 1) 川島英幹，一ノ瀬康雄，笠原良和，久米健一，金子杏実，
ダクト中央より上流側の主流方向速度 u は，PIV 計測と CFD

深澤良平，田原裕介：実海域省エネデバイスの開発に関する計算ともに代表速度 U より遅くなっており，下流に進むに従研究，海上技術安全研究所報告，第 17-1 号，pp.73-86，2017.

い u は速くなっている．また，今回の計測結果では，PIV 計

2) 松村直也，池田剛大，岸本隆：省エネダクト装備船の自航測と CFD 計算の u/U を比較すると，その差は±5％以内であ要素に対する尺度影響調査，日本船舶海洋工学会講演会論文集，第 26 号，pp.155-158，2018．
3) Takamichi Hiroi, Björn Windén, Andre Kleinwächter,

ダクト内部

Eric Ebert, Junichi Fujisawa, Hikaru Kamiirisa,
Nils Damaschke, Chiharu Kawakita：Full-Scale On-board
Measurements of Wake Velocity Profiles, Underwater
Noise and Propeller Induced Pressure Fluctuations,日本
船舶海洋工学会講演会論文集,第 29 号,pp.193-198,2019.
4) 濱田達也，大場弘樹：屈折率整合法を用いた内部流場計測に関する研究―ダクト型省エネ付加物単体の流場計測―，海図 10 u/U の比較(u はダクト中心位置の主流方向速度)(116)

上技術安全研究所研究発表会，第 20 回，PS-18，2020．

図－4 PIV x =-10ｍｍ

図－5PIV x =-5ｍｍ

図－6PIV x =0ｍｍ

図－7 CFD x =-10ｍｍ

図－8

CFD x =-5ｍｍ

図－9

CFD x =0ｍｍ