JP2018083472A - 水中航走体 - Google Patents

Abstract

【課題】推進器での流体騒音の発生が抑制され、静粛性に優れた水中航走体を提供する。【解決手段】水中航走体１は、軸線Ａｘ方向に延びる本体３と、軸線方向と直交する方向に本体から突出する突出部と、軸線方向にて突出部よりも後方に位置する推進器と、を備え、本体の外表面は、本体の軸線方向にて突出部よりも前方にて、本体の周方向に沿って本体を囲むように延在する少なくとも１つの凹凸部９を含み、少なくとも１つの凹凸部は、軸線方向を含む縦断面視にて凹曲線によって構成される凹部１１と、軸線方向を含む縦断面視にて凸曲線によって構成され、軸線方向にて凹部の後端に連なる凸部１３と、を有する。【選択図】図３

Description

本開示は水中航走体に関する。

例えば船舶の騒音を低減可能な構成として、特許文献１は、船舶の外壁面に成型円形突起付き炭素繊維シートを貼り付けることを開示している。この構成によれば、小さく規則的な円形突起物により流体抵抗力を解消することにより、エネルギーロスを大幅に削減することができるとともに、騒音防止を図ることができると考えられている。

特開２００４−５２５４７号公報

水中を航走可能な水中航走体には、水中航走体の本体から側方に突出する突出部を有するものがある。この種の水中航走体の周囲では、水中航走体の本体から突出する突出部と、本体の表面に沿って発達する流れの境界層との干渉により、馬蹄形渦と呼ばれる渦流れが発生する。この渦流れは、縦渦構造を有するため、渦が減衰し難く流れの下流側まで渦に起因した流速偏差や二次流れ（主流方向に直交する面内の旋回流れ成分）が残る。
このような不均一な流れ場が、突出部よりも後方に位置する推進器（プロペラなどの回転体）に流入すると、推進器の負荷変動や推進器表面での流れの剥離により、流体騒音が発生し問題となることがある。
上記事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態の目的は、推進器での流体騒音の発生が抑制され、静粛性に優れた水中航走体を提供することにある。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る水中航走体は、
軸線方向に延びる本体と、
前記軸線方向と直交する方向に前記本体から突出する突出部と、
前記軸線方向にて前記突出部よりも後方に位置する推進器と、
を備え、
前記本体の外表面は、前記本体の軸線方向にて前記突出部よりも前方にて、前記本体の周方向に沿って前記本体を囲むように延在する少なくとも１つの凹凸部を含み、
前記少なくとも１つの凹凸部は、
前記軸線方向を含む縦断面視にて凹曲線によって構成される凹部と、
前記軸線方向を含む縦断面視にて凸曲線によって構成され、前記軸線方向にて前記凹部の後端に連なる凸部と、
を有する。

馬蹄形渦は流れの境界層と突出部との干渉により生じるため、境界層の発達を抑制することにより、馬蹄形渦の発生を抑制することができる。この点、上記構成（１）によれば、本体の外表面に設けられた凹凸部が、縦断面視にて凹曲線と凸曲線とによって構成されており、凹凸部に沿って流れる境界層の流速を速め、境界層の厚さを薄くすることができる。これにより、境界層の発達が抑制され、馬蹄形渦の生成が抑制されるので、不均一な流れ場の生成も抑制される。この結果として、上記構成（１）を有する水中航走体は、推進器での流体騒音の発生が抑制され、静粛性に優れている。

（２）幾つかの実施形態では、上記構成（１）において、
前記本体は、
筒形状の胴部と、
前記軸線方向にて前記胴部から前方に突出する頭部と、
を含み、
前記少なくとも１つの凹凸部は、前記頭部に位置している凹凸部を含む。

上記構成（２）によれば、凹凸部が頭部に形成されているので、簡単な構成にて、境界層の発達を抑制し、馬蹄形渦の生成を抑制することができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記構成（１）又は（２）において、
前記本体は、
筒形状の胴部と、
前記軸線方向にて前記胴部から前方に突出する頭部と、
を含み、
前記少なくとも１つの凹凸部は、前記胴部に位置している凹凸部を含む。

上記構成（３）によれば、凹凸部が胴部に形成されているので、凹凸部を突出部の近くに配置することができる。これにより、突出部の近くで境界層の厚さを薄くすることができるので、突出部と干渉する境界層の厚さをより薄くすることができる。この結果として、馬蹄形渦の生成をより一層抑制することができる。

（４）幾つかの実施形態では、上記構成（１）乃至（３）の何れか１つにおいて、
前記本体の外表面は、前記軸線方向にて前記突出部よりも前方に、複数のディンプル及び少なくとも１つの周方向溝のうち一方又は両方を更に有する。

上記構成（４）によれば、複数のディンプル内又は少なくとも１つの周方向溝内で循環流（剥離泡）が発生することにより、本体の外表面に沿う流体の流れは、固体壁との接触ではなく流体（循環流）と接触することになる。このため、複数のディンプル又は少なくとも１つの周方向溝によって、境界層の発達が抑制される。この結果として、馬蹄形渦の生成をより一層抑制することができる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、推進器での流体騒音の発生が抑制され、静粛性に優れた水中航走体が提供される。

本発明の一実施形態に係る水中航走体を概略的に示す側面図である。 図１の水中航走体の概略的な正面図である。 図１中の領域ＩＩＩの拡大図である。 水中航走体の凹凸部の機能を説明するための図であり、（ａ）は、先端からの距離と境界層の厚さとの関係を概略的に示すグラフであり、（ｂ）は、水中航走体の凹凸部の周辺での流体の流れを説明するための図である。 本発明の他の一実施形態に係る水中航走体を概略的に示す側面図である。 図５の水中航走体の概略的な正面図である。 図５中の領域ＶＩＩの拡大図である。 本発明の他の一実施形態に係る水中航走体を概略的に示す側面図である。 本発明の他の一実施形態に係る水中航走体を概略的に示す側面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹突起や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

図１は、本発明の一実施形態に係る水中航走体１（１ａ）を概略的に示す側面図である。図２は、図１の水中航走体１（１ａ）の概略的な正面図である。図３は、図１中の領域ＩＩＩの拡大図である。図４は、水中航走体１（１ａ）の凹凸部の機能を説明するための図であり、（ａ）は、先端からの距離と境界層の厚さとの関係を概略的に示すグラフであり、（ｂ）は、水中航走体１（１ａ）の凹凸部の周辺での流体の流れを説明するための図である。図５は、本発明の他の一実施形態に係る水中航走体１（１ｂ）を概略的に示す側面図である。図６は、図５の水中航走体１（１ｂ）の概略的な正面図である。図７は、図５中の領域ＶＩＩの拡大図である。図８は、本発明の他の一実施形態に係る水中航走体１（１ｃ）を概略的に示す側面図である。図９は、本発明の他の一実施形態に係る水中航走体１（１ｄ）を概略的に示す側面図である。

図１、図５、図８及び図９に示したように、本発明の実施形態に係る水中航走体１ａ〜１ｄは、本体（船体）３と、少なくとも１つの突出部５と、推進器としてのプロペラ７とを備えている。本体３は、軸線Ａｘに沿う方向（軸線方向）に延びている。突出部５は、軸線方向と直交する方向に本体３から突出している。プロペラ７は、軸線方向にて突出部５よりも後方に位置している。
水中航走体１ａ〜１ｄは例えば潜水艦であり、この場合、本体３は涙滴型や葉巻型等の形状を有し、突出部５は艦橋等である。
なお以下の説明では、水中航走体１ａ〜１ｄを一括して水中航走体１とも称する。

図１〜図３、図４（ｂ）、図５〜図９に示したように、水中航走体１の本体３の外表面は凹凸部９を有する。凹凸部９は、本体３の軸線方向にて突出部５よりも前方に位置し、本体３の周方向に沿って本体３を全周に渡って囲むように延在している。
そして、凹凸部９は、軸線方向を含む縦断面視にて凹曲線によって構成される凹部１１と、軸線方向を含む縦断面視にて凸曲線によって構成され、軸線方向にて凹部１１の後端に連なる凸部１３と、を有する。

馬蹄形渦は流れの境界層と突出部５との干渉により生じるため、境界層の発達を抑制することにより、馬蹄形渦の発生を抑制することができる。この点、上記構成によれば、本体３の外表面に設けられた凹凸部９が、縦断面視にて凹曲線と凸曲線とによって構成されており、凹凸部９に沿う流体の流れは、図４（ｂ）に示したように、凹凸部９の通過後に縮流される。このため、凹凸部９によって、凹凸部９に沿って流れる境界層の流速を速めることができ、図４（ａ）のグラフに概略的に示したように、境界層の厚さを約半分程度まで薄くすることができる。これにより、境界層の発達が抑制され、馬蹄形渦の生成が抑制されるので、不均一な流れ場の生成も抑制される。この結果として、上記構成を有する水中航走体１は、推進器としてのプロペラ７での流体騒音の発生が抑制され、静粛性に優れている。

幾つかの実施形態では、凹部１１を構成する曲面、及び、軸線方向にて凹部１１の前端に連なる本体３の外表面の部分を構成する曲面は連続曲面を構成しており、これらの曲面間の接続線における１階微分まで連続である。
同様に、幾つかの実施形態では、凹部１１を構成する曲面、及び、凸部１３を構成する曲面は連続曲面を構成しており、これらの曲面間の接続線における１階微分まで連続である。
また同様に、幾つかの実施形態では、凸部１３を構成する曲面、及び、軸線方向にて凸部１３の後端に連なる本体３の外表面の部分を構成する曲面は連続曲面を構成しており、これらの曲面間の接続線における１階微分まで連続である。

幾つかの実施形態では、図３及び図７に示したように、縦断面視にて凹部１１を構成する凹曲線は、一定の曲率半径Ｒ１を有する円弧Ａ１によって構成されている。そして、縦断面視にて凸部１３を構成する凸曲線は、一定の曲率半径Ｒ２を有する円弧Ａ２によって構成されている。

幾つかの実施形態では、図３及び図７に示したように、凹凸部９は、縦断面視にて円弧Ａ１及び円弧Ａ２のみによって構成され、軸線方向での凹凸９部の長さをＬｔとし、軸線方向での凹部１１の長さをＬ１としたとき、長さＬｔに対する長さＬ１の比Ｌ１／Ｌｔは、０．２以上０．５以下である。
上記構成によれば、比Ｌ１／Ｌｔが０．２以上０．５以下であることにより、凹凸部９及びその周辺での境界層の剥離を確実に抑制しながら、境界層の流速を速くすることができる。

幾つかの実施形態では、凹凸部９は、縦断面視にて円弧Ａ１及び円弧Ａ２のみによって構成され、本体３の径方向での凹凸部９の高さをＨｔ、凹凸部９の後方での本体３の外径をＤｂとしたとき、高さ比Ｈｔ／Ｄｂは、０．０８以上０．２２以下である。
上記構成によれば、高さ比Ｈｔ／Ｄｂが０．０８以上０．２２以下であることにより、凹凸部９及びその周辺での境界層の剥離を確実に抑制しながら、境界層の流速を速くすることができる。
なお、本体３の径方向とは軸線Ａｘと直交する方向である。

幾つかの実施形態では、図１、図３、図４（ｂ）、図５、図７及び図８に示したように、本体３は、胴部１５と頭部１７とを有する。
胴部１５は、円筒形状を有しており、軸線方向にて本体３の中間に位置している。突出部５は胴部１５から突出している。なお胴部１５の断面形状は真円形状である必要は無い。
頭部１７は、軸線方向にて胴部１５から前方に突出している。頭部１７の外径は、軸線方向にて胴部１５から離れるほど徐々に小さくなっている。

幾つかの実施形態では、図１、図３及び図４（ｂ）に示したように、凹凸部９は頭部１７に位置している。
上記構成によれば、凹凸部９が頭部１７に形成されているので、胴部１５の形状を変更することなく、簡単な構成にて、境界層の発達を抑制し、馬蹄形渦の生成を抑制することができる。

幾つかの実施形態では、図５、図７、図８及び図９に示したように、凹凸部９は、胴部１５に位置している。
上記構成によれば、凹凸部９が胴部１５に形成されているので、凹凸部９を突出部５の近くに配置することができる。これにより、突出部５の近くで境界層の厚さを薄くすることができるので、突出部５と干渉する境界層の厚さをより薄くすることができる。この結果として、馬蹄形渦の生成をより一層抑制することができる。

幾つかの実施形態では、図７に示したように、軸線方向での凹凸部９と突出部５との間の距離をＤとしたとき、距離比Ｄ／Ｈｔは１以上１０以下である。
上記構成によれば、距離比Ｄ／Ｈｔが１以上１０以下であるので、凹凸部９が突出部５の近くに配置されている。これにより、突出部５の近くで境界層の厚さを薄くすることができるので、突出部５と干渉する境界層の厚さをより薄くすることができる。この結果として、馬蹄形渦の生成をより一層抑制することができる。

幾つかの実施形態では、本体３の外表面は、図８に示したように、軸線方向にて突出部５よりも前方に、複数のディンプル（凹み）１９を更に有する。
上記構成によれば、ディンプル１９内で循環流（剥離泡）が発生することにより、本体３の外表面に沿う流体の流れは、固体壁との接触ではなく流体（循環流）と接触することになる。このため、複数のディンプル１９によって、境界層の発達が抑制される。この結果として、馬蹄形渦の生成をより一層抑制することができる。

幾つかの実施形態では、本体３の外表面は、図９に示したように、軸線方向にて突出部５よりも前方に、少なくとも１つの周方向溝２１を更に有する。
上記構成によれば、周方向溝２１内で循環流（剥離泡）が発生することにより、本体３の外表面に沿う流体の流れは、固体壁との接触ではなく流体（循環流）と接触することになる。このため、少なくとも１つの周方向溝２１によって、境界層の発達が抑制される。この結果として、馬蹄形渦の生成をより一層抑制することができる。

本発明は、上述した幾つかの実施形態に限定されることはなく、上述した幾つかの実施形態に変更を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
例えば、上述した実施形態では、本体３の胴部１５及び頭部１７のうち何れか一方に凹凸部９が形成されていたが、胴部１５及び頭部１７の両方に凹凸部９が形成されていてもよい。つまり、凹凸部９は少なくとも１つ以上形成されていればよい。

１，１ａ〜１ｄ 水中航走体
３ 本体（船体）
５ 突出部
７ プロペラ
９ 凹凸部
１１ 凹部
１３ 凸部
１５ 胴部
１７ 頭部
１９ ディンプル
２１ 周方向溝
Ａｘ 軸線
Ａ１，Ａ２ 円弧
Ｒ１，Ｒ２ 曲率半径

Claims (4)

1. 軸線方向に延びる本体と、
   前記軸線方向と直交する方向に前記本体から突出する突出部と、
   前記軸線方向にて前記突出部よりも後方に位置する推進器と、
   を備え、
   前記本体の外表面は、前記本体の軸線方向にて前記突出部よりも前方にて、前記本体の周方向に沿って前記本体を囲むように延在する少なくとも１つの凹凸部を含み、
   前記少なくとも１つの凹凸部は、
   前記軸線方向を含む縦断面視にて凹曲線によって構成される凹部と、
   前記軸線方向を含む縦断面視にて凸曲線によって構成され、前記軸線方向にて前記凹部の後端に連なる凸部と、
   を有する
   ことを特徴とする水中航走体。
2. 前記本体は、
   筒形状の胴部と、
   前記軸線方向にて前記胴部から前方に突出する頭部と、
   を含み、
   前記少なくとも１つの凹凸部は、前記頭部に位置している凹凸部を含む
   ことを特徴とする請求項１に記載の水中航走体。
3. 前記本体は、
   筒形状の胴部と、
   前記軸線方向にて前記胴部から前方に突出する頭部と、
   を含み、
   前記少なくとも１つの凹凸部は、前記胴部に位置している凹凸部を含む
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の水中航走体。
4. 前記本体の外表面は、前記軸線方向にて前記突出部よりも前方に、複数のディンプル及び少なくとも１つの周方向溝のうち一方又は両方を更に有する
   ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の水中航走体。
   

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