次世代風力推進船の翼型硬帆における空力干渉の解明と推進性能向上に関する研究

keywords.jpg数値流体力学,空力干渉,翼帆,翼間干渉,風力推進船 

中島 卓司 

TAKUJI NAKASHIMA

division.jpg工学研究院 エネルギー・環境部門 地球環境工学講座

position.jpg助教

研究概要

研究の背景

地球環境の一層の保全要請の背景のもとに、次世代風力推進船の技術的可能性の追求が望まれ、多帆装船における空力特性の向上の検討とその技術的手段の開発が求められている。

研究内容

次世代風力推進船に求められる空力性能向上技術構築のための検討として、複数枚の翼型硬帆列を対象とした数値解析と風洞模型試験を実施した。さらに翼帆による空気力を入力とする所要エネルギ推定プログラム(EPP)を構築し、翼帆列による風力推進性能の評価を実施した。

成果

1.境界要素法を用いた3次元非粘性流動解析:各翼帆の迎角を一様に変化させた解析に加え、翼帆列に対する見かけの風向角を変化させて解析を実施した。その結果、翼帆列内の翼帆間の空力干渉により各翼帆が生じる空気力の大小関係に変化を生じることが示された。また、見かけの風向角の変化は風に対する各翼帆の相対的な位置の変化を生じ、それに伴って翼帆間干渉の生じ方が変化することが示された。

2.有限体積法による3次元乱流流動解析:翼帆列に加え、船体を模擬した台座を考慮した解析を行い、翼帆列-船体間の干渉影響について検討した。その結果、船体側端からの流れの剥離や船体による風向の変化などによって、甲板上の翼帆に作用する風速分布が非一様となり、翼帆列の空力特性が変化することが確認された。

上記2手法による解析結果を低迎角条件において比較すると、両者は定性的な一致を示した。従って、各翼帆が低迎角条件にある場合、各翼帆が生じる循環の干渉が翼帆間の空力干渉における支配的要素であると考えられた。

3.風洞模型試験:1/100スケール模型による風洞試験を実施した。各翼帆に作用する空気力の計測とともに、熱線流速計による風速計測手法を導入、確立して、数値解析の妥当性検証に利用可能なデータを取得した。

低迎角条件下の翼帆列では、各翼帆の相対的な揚力が数値解析結果と定性的に一致し、数値解析の妥当性が確認された。また、翼帆列中の一部の翼帆を単独翼帆の失速角を超える高迎角とした場合、条件によっては同翼帆が単独時の最大揚力を上回る揚力を生じることが確認され、相互干渉を失速抑制と翼列の揚力性能向上に利用できる可能性が示された。

本研究の特徴・優位性

従来研究では帆単体の性能評価や高性能化が注目されてきたのに対し,多数の帆を翼群と捉え,その全体的な空力特性の解明と向上を目的とする点が本研究の学術的特色である.流体工学的には,これまで円柱群などでなされてきた複数物体が形成し相互作用する複雑流場の研究を発展させ,より応用形状に近い翼群としての周囲流動現象解明とその制御を対象とした研究と位置付けられる.本研究の成果により,新たな複合高揚力体の提案などの波及効果も期待できる.

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T. Nakashima, Y. Yamashita, Y. Nihei, Q. Li: "A Basic Study for Propulsive Performance Prediction of a Cascade of Wing Sails Considering Their Aerodynamic Interaction," The Proceedings of the 21th International Offshore and Polar Engineering Conference, vol.4 (2011), pp.995-1011.
Takuji NAKASHIMA, Yasunori NIHEI, Yoshihiro YAMASHITA, Yasuaki DOI:“A Basic Study on Aerodynamic Interaction of Rigid Wing-Sails for a Next Generation Wind Driven Vessel,” First World NAOE Forum-Technical Challenges for Ship Energy Efficiency toward 2020-, 2011, Poster Award優秀賞.

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