JP2018090242A - 航行する際の抵抗力を減らす構造を有する船舶 - Google Patents

Abstract

【課題】船殻の表面に設置した少なくとも１つ又は複数の乱流発生装置により乱流を発生させ、船殻表面の境界層の厚さを減らし、分離点を後方へずらして船尾の圧力を高める、航行する際の抵抗力を減らす船舶を提供する。【解決手段】船舶１は、前端１１０及び末端１４０を有し、水流体中で航行することが可能である。船舶１の前端１１０の底部と末端１４０の底部との間には、中心線が形成される。船舶１が航行する際の抵抗力を減らす構造は、少なくとも１つの乱流発生装置２を有する。乱流発生装置２は、船舶１の両側の最大幅個所１２０と末端１４０との間の表面上に設置される。船舶１が航行する際の抵抗力を減らす構造は、複数の乱流発生装置２をさらに備える。【選択図】図７

Description

本発明は、船舶が航行する際の抵抗力を減らす構造及びその応用に関し、特に、船舶の船殻表面に設置した乱流発生装置により乱流を発生させ、航行する際の抵抗力を減らす構造を有する船舶に関する。

船舶が航行するときに受ける水の抵抗力が進行速度に与える影響は大きい。抵抗力は、船舶により多くのエネルギー及び燃料を消費させ、その動力発生機構及び動力伝達機構は、大きめの負荷を受ける必要があるため損壊し易かった。また、航行時間の増加は、廃棄及び廃熱が増えて環境を汚染し、エネルギー及び運行時間がロスするため、運輸業者にとって大きな負担となっていた。

従来の船舶の流線造形は、抵抗力の改善に寄与することができるが、抵抗力の減少には限界があった。図１Ａ及び図１Ｂは、従来の船舶が水中で航行するときの水流を示す説明図である。図１Ａ及び図１Ｂに示すように、船舶１は、船体１００を有する。船体１００の進行方向は船舶前進方向Ｈである。船体１００は、前端１１及び末端１４を有する。船体１００は、前端１１と末端１４との間に船体の最大幅個所１２及び船体の最深個所１３を有する。船舶１が水中で航行するとき、水の船体１００に対する相対速度を有し、流体力学に基づき、流体が表面を流れるとき、表面に境界層（ｂｏｕｎｄａｒｙ ｌａｙｅｒ）が形成される。そのため、船舶１が水中移動するときに船体１００の表面付近に境界層３１が形成される。境界層３１は、船体１００の側表面の境界層と、船体１００の底面の境界層と、を含む。境界層３１は、前から後方へかけて次第に増大する。境界層３１は、船体１００に付随して前進し、横断面及び総重量が次第に増大すると船舶の抵抗力もそれに伴って増大する。

また、船体１００に対する水の流速は船体の最大幅個所１２で最大となり、前端１１及び末端１４前方の分離点（ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｐｏｉｎｔ）１５では最小となる。分離点１５の後方には、航跡流（ｗａｋｅ ｃｕｒｒｅｎｔ）３４が発生する。ベルヌーイの定理に基づき、流速と圧力とは反比例の関係にあるため、船舶が受ける水圧は、前端１１で最大となり、その後方では漸減し、最大幅個所１２で最小となり、その後方では分離点１５に至るまで漸増する。そのため、前端１１から最大幅個所１２に至る縦方向の総圧力は、船体の最大幅個所１２から末端１４へ至る縦方向の総圧力より大きい。このような前後の圧力差は、船舶の前進を阻む圧抵抗でもよく、船舶が進行するときに発生する数種類の抵抗力により船舶の航行速度が低減される。

上述したような問題点に鑑み、本発明者は、特別に設置した乱流発生装置を利用して境界層の厚さを減らし、分離点を後方へずらして船尾の圧力を高めることにより、船舶が航行するときに受ける抵抗力を減らし、航行速度を上げて燃料の消費を減らすことができる、船舶が航行する際の抵抗力を減らす構造及びその応用を開発した。

本発明の目的は、船殻の表面に設置した少なくとも１つ又は複数の乱流発生装置（ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）により乱流を発生させ、船殻表面の境界層の厚さを減らし、分離点を後方へずらして船尾の圧力を高める、航行する際の抵抗力を減らす構造を有する船舶を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の第１の実施形態によれば、航行する際の抵抗力を減らす構造を有する船舶であって、前記船舶は、前端及び末端を有し、水流体中で航行することが可能であり、前記船舶の前記前端の底部と前記末端の底部との間には、中心線が形成され、前記構造は、少なくとも１つの乱流発生装置を有し、前記乱流発生装置は、前記船舶の両側の最大幅個所と前記末端との間の表面上に設置されることを特徴とする、船舶が提供される。

前記乱流発生装置は、前記船舶底部の吃水最深個所と前記末端との間の表面上に設置されることが好ましい。

前記構造は、複数の乱流発生装置をさらに備え、互いに隣り合う２つの前記乱流発生装置間には、間隔スペースが形成されることが好ましい。

前記構造は、複数の乱流発生装置をさらに備え、前記乱流発生装置は、間隔無く長尺状に直列接続されることが好ましい。

前記乱流発生装置は、前記船舶の中心線と６０°以内の交差角を形成する作用面を有することが好ましい。

前記乱流発生装置は、前記船舶の中心線と０°の交差角を形成する作用面を有することが好ましい。

前記乱流発生装置は、矩形体、斜端面を有する矩形体、底面の形が台形の四角柱、三角錐又は半円錐であることが好ましい。

前記乱流発生装置は、前記船舶の表面に貼付、嵌入又は溶接されるか、前記船舶と一体成形されることが好ましい。

前記乱流発生装置は、金属、プラスチック、木材、竹材、ガラス、セラミック又は複合材料からなることが好ましい。

上記課題を解決するために、本発明の第２の実施形態によれば、船体及び少なくとも１つの乱流発生装置を備えた、航行する際の抵抗力を減らす構造を有する船舶であって、前記乱流発生装置は、前記船体両側の最大幅個所と船尾端との間の表面上に設置されるか、前記船体底部の吃水の最深個所と前記船尾端との間の表面上に設置され、前記乱流発生装置により乱流を発生させ、航行するときの抵抗力を減らす構造を有することを特徴とする、船舶が提供される。

本発明の航行する際の抵抗力を減らす構造を有する船舶は、船殻の表面の最大幅個所と末端との間、又は最深個所と末端との間に設置した乱流発生装置により、乱流発生装置の後方に適宜な乱流を発生させて後方の境界層の厚さを減らし、分離点を後方へずらし、流体が船舶に発生させる抵抗力を減らし、航行速度を高めて燃料の消費を減らすことができる。

図１Ａは、従来の船舶が水中で航行するときの水流を示す説明図である。 図１Ｂは、従来の船舶が水中で航行するときの水流を示す説明図である。 図２は、本発明の乱流発生装置の原理及び構造を示す説明図である。 図２Ａは、本発明の乱流発生装置の原理及び構造を示す説明図である。 図３は、流体が本発明の乱流発生装置に作用する作用力を示す説明図である。 図４は、層流（ｌａｍｉｎａｒ ｆｌｏｗ）中の境界層の作用力を示す説明図である。 図５は、乱流（ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ ｆｌｏｗ）中の境界層を示す説明図である。 図６は、水流が船舶を通るときの船体表面の流線を示す説明図である。 図７は、船体の末端表面に取り付けた乱流発生装置後方の流線を示す説明図である。 図７Ａは、図７中のＢ部分の部分拡大図である。 図８は、乱流発生装置自身が航行に発生する抵抗力が非常に小さい状態を示す説明図である。 図９は、本発明の乱流発生装置を船舶の片側表面に設置した状態を示す説明図である。 図１０は、本発明の乱流発生装置を船舶の末端の底側面に設置した状態を示す説明図である。 図１１は、本発明の乱流発生装置を船舶の底部表面に設置した状態を示す説明図である。 図１２は、本発明の各種乱流発生装置の構造を示す説明図である。 図１３は、境界層（ｂｏｕｎｄａｒｙ ｌａｙｅｒ）を示す説明図である。 図１４は、境界層の層流が乱れて乱流が形成されるときの状態を示す説明図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、これによって本発明が限定されるものではない。

図２及び図３を参照する。図２及び図３に示すように、本実施形態の乱流発生装置が流体中で移動すると、乱流発生装置により流体に変化及び効果が発生する。図２Ａを参照する。図２Ａに示すように、乱流発生装置（ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）２は、作用面２１を有する。作用面２１は、流体に対向し、流体と衝突すると乱流（ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ ｆｌｏｗ）が発生し、水流を案内して方向転換させる。船舶１が水流Ｃ中で航行するとき、水流Ｃは乱流発生装置２に対して相対速度を有する。図２に示すように、流体Ｃが乱流発生装置２を流れ、乱流発生装置２と流体Ｃの流線とのなす角度がＡであるとき、流体Ｃは乱流発生装置２の後方に多めの乱流を発生させる。乱流発生装置２と流体Ｃの流線とのなす角度が０度であるとき、乱流発生装置２の後方には、少なめの乱流が発生する。図３に示すように、水流Ｃが乱流発生装置２まで流れて衝突すると、水流Ｃが乱流発生装置２の作用面２１に対して押圧力Ｆを発生させる。押圧力Ｆは、乱流発生装置２に対して垂直な成分Ｆｖと、乱流発生装置２に対して平行な成分Ｆｈとに分けられる。乱流発生装置２に対して垂直な成分Ｆｖは、乱流発生装置２に対して法線方向の押圧力を発生させる。乱流発生装置２の体積が船体１００の体積に対する比率が小さいため、成分Ｆｖの乱流発生装置２に対する横方向の押圧力が非常に小さい。また、成分Ｆｈは、流体の乱流発生装置２に対する平行な作用力であり、乱流発生装置２に対する押圧力は形成されない。

上述したように、乱流発生装置２と流体Ｃの流線とのなす夾角（アタック角）がＡであるとき、流体Ｃが乱流発生装置２の後方に乱流Ｖを発生させるため、乱流発生装置２を船舶の後半部に設置してもよい。図７及び図７Ａに示すように、本実施形態の乱流発生装置２は、船体１００の両側の最大幅個所１２０と末端１４０との間の表面上に設置される（図９を参照する）。また、図１１に示すように、船体１００の側表面には、船舶が航行するときに境界層（ｂｏｕｎｄａｒｙ ｌａｙｅｒ）３１が発生する上、船体１００の底部表面にも境界層３１が発生する（図１Ａ及び図１Ｂを参照する）。そのため、乱流発生装置２は、船体１００の吃水の最深個所１３０と、末端１４０との間の底部表面上に設置されてもよい。本実施形態の乱流発生装置２は、複数設置してもよいし、互いに隣り合う２つの乱流発生装置２により間隔のスペースを形成し、線形その他の配置方式で配列してもよく、複数の乱流発生装置２は、間隔無く長尺状に直列接続し、様々な特殊な船体形状に対応させてもよい（図９及び図１０を参照する）。

図４、図５及び図１４を参照する。図４、図５及び図１４は、層流（ｌａｍｉｎａｒ ｆｌｏｗ）の境界層３２及び乱流（ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ ｆｌｏｗ）の境界層３３をそれぞれ表示する。境界層３２，３３中において、流体Ｃと船体１００の表面とが接触する粘着層の流速は０である。流体は、船体表面に近いほど流速が小さい。図中の矢印の長さは流速の大きさを表す。乱流中の水分子の運動エネルギーが大きいため、運動エネルギーが高い水分子は、船体表面へ向かって伝達する運動エネルギーを有する特性により、船体表面に近い水分子の運動エネルギーが増え、水流Ｃ’の流速が増える。そのため、乱流Ｖが形成された後、境界層３３の厚さが境界層３２より大幅に小さく、船体表面が受ける水流の影響範囲が小さくなり、船舶に対する水流の流体抵抗が小さくなる。

図６及び図７を参照する。図６及び図７に示すように、水流Ｃが船体１００を経過するとき、船体１００の前端１１０及び末端１４０が尖形状を呈するため、一般に流線Ｃ１が船体１００の前半部（船首）で下向きに変化し、船体１００の最大幅個所１２０を経過した後、流線Ｃ２は船体１００の後半部（船尾）で上向きに変化する。そのため、図７Ａに示すように、乱流発生装置２が水平に設置されると、乱流発生装置２の作用面２１と船体１００の中心線Ｌとのなす角度が０度であるとき、水流Ｃが後半部で上向きに変化し、乱流発生装置２の作用面２１と夾角（アタック角）が形成される。そのため、乱流発生装置２の川下の水流が乱流Ｖとなるため、境界層が船体１００に発生させる抵抗を減らすことができる。上述した中心線（ｃｅｎｔｅｒ ｌｉｎｅ）Ｌは、船体１００の前端１１０の底部と、末端１４０の底部との間の中央線を指す。乱流発生装置２の作用面２１と中心線Ｌとのなす角度Ａとは、６０度より小さい。本実施形態において、乱流発生装置２の作用面２１と中心線Ｌとのなす角度は０度である。

また、船体１００の後半部には、乱流Ｖが発生し、水流が船体１００の後半部に作用すると圧力が増大し、船体１００の前半部及び後半部の圧力差を減らし、船舶が航行するときに、船体１００の前後の圧力差により発生する抵抗力を減らすことができる。

図８を参照する。図８は、船体１００の表面に設置した乱流発生装置２自身が船舶に与える抵抗力の影響を示す。乱流発生装置２の設置方向と船舶の中心線Ｌとは略平行であるため、水流Ｃが乱流発生装置２に作用させる法線方向の応力Ｆ’が非常に小さく、船舶の航行速度に影響を与えることがない。水流の応力Ｆ’’と船舶１の針路Ｈとが略同じであるため、乱流発生装置２自身が船舶１に対して発生させる抵抗力は非常に小さい。

本実施形態の船体１００の船模型は、長さ６．２４６ｍ、幅１．０５７ｍ、吃水０．３２２ｍである。乱流発生装置２は、角錐体であり、長さ２〜１０ｃｍ、幅０．５〜２ｃｍ、高さ０．５〜１ｃｍであるが、本実施形態の乱流発生装置２の構造はこれだけに限らず、矩形体、斜端面を有する矩形体、底面の形が台形の四角柱、三角錐、半円錐などでもよい。図１２に示すように、乱流発生装置２の体積と船体１００との比率は、必要に応じて適切な比率及び体積を利用してもよい。

本実施形態の乱流発生装置２を船体１００の表面上に貼付、嵌入又は溶接させるか、船舶１と一体成形させてもよい。乱流発生装置２は、金属、プラスチック、木材、竹材、ガラス、セラミック、複合材料などからなってもよい。

図１３及び図１４を参照する。図１３は、流体流線方向Ｃが船舶１の船体表面を流れるときに発生する境界層を示す説明図である。水流の速度は、船体表面に近いほど小さく、境界層３１を離れた後の流速も同じとなる。図１４は、本実施形態の乱流発生装置２が層流の境界層３２に作用し、乱流が形成される境界層３３を示す説明図である。船舶１に本実施形態の乱流発生装置２を設置すると、層流が乱されて乱流が形成されるため、境界層の厚さを減らすことができる。

上述したことから分かるように、本発明の船舶が航行する際の抵抗力を減らす構造及びその応用は、本発明の期待される目的を達成することができる。即ち、船舶両側の最大幅個所と船尾端との間の表面上か、船舶底部の最深個所と船尾端との間の表面上に設置した乱流発生装置により乱流を発生させ、境界層の厚さを減らし、分離点を後方へずらして船尾の圧力を高め、船舶が航行するときに受ける抵抗力を減らすことができる。このように、本発明は、船舶の航行速度を高めて燃料の消費を減らすことができるため、実用的な価値があることは疑いが無く、産業上の利用可能性、新規性、進歩性の要件を備えている。

当該分野の技術を熟知するものが理解できるように、本発明の好適な実施形態を前述の通り開示したが、これらは決して本発明を限定するものではない。本発明の主旨と領域を逸脱しない範囲内で各種の変更や修正を加えることができる。従って、本発明の特許請求の範囲は、このような変更や修正を含めて広く解釈されるべきである。

１ 船舶
２ 乱流発生装置
１１ 前端
１２ 船体の最大幅個所
１３ 船体の最深個所
１４ 末端
１５ 分離点
２１ 作用面
３１ 境界層
３２ 層流の境界層
３３ 乱流の境界層
３４ 航跡流
１００ 船体
１１０ 前端
１２０ 船体の最大幅個所
１３０ 船体の最深個所
１４０ 末端
Ａ 流体流線方向と乱流発生装置とのなす角度
Ｃ 流体流線方向
Ｃ’ 流体流線方向
Ｃ１ 流体流線方向
Ｃ２ 流体流線方向
Ｆ 流体が乱流発生装置に作用する作用力
Ｆ’ 乱流発生装置の応力
Ｆ’’ 流体自身の応力
Ｆｈ 乱流発生装置に対して平行な成分
Ｆｖ 乱流発生装置に対して垂直な成分
Ｈ 船舶前進方向
Ｌ 中心線
Ｖ 乱流

Claims (10)

1. 航行する際の抵抗力を減らす構造を有する船舶であって、
   前記船舶は、前端及び末端を有し、水流体中で航行することが可能であり、
   前記船舶の前記前端の底部と前記末端の底部との間には、中心線が形成され、
   前記構造は、少なくとも１つの乱流発生装置を有し、
   前記乱流発生装置は、前記船舶の両側の最大幅個所と前記末端との間の表面上に設置されることを特徴とする、船舶。
2. 前記乱流発生装置は、前記船舶底部の吃水最深個所と前記末端との間の表面上に設置されることを特徴とする請求項１に記載の船舶。
3. 前記構造は、複数の乱流発生装置をさらに備え、
   互いに隣り合う２つの前記乱流発生装置間には、間隔スペースが形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の船舶。
4. 前記構造は、複数の乱流発生装置をさらに備え、
   前記乱流発生装置は、間隔無く長尺状に直列接続されることを特徴とする請求項１又は２に記載の船舶。
5. 前記乱流発生装置は、前記船舶の中心線と６０°以内の交差角を形成する作用面を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の船舶。
6. 前記乱流発生装置は、前記船舶の中心線と０°の交差角を形成する作用面を有することを特徴とする請求項５に記載の船舶。
7. 前記乱流発生装置は、矩形体、斜端面を有する矩形体、底面の形が台形の四角柱、三角錐又は半円錐のいずれかであることを特徴とする請求項１又は２に記載の船舶。
8. 前記乱流発生装置は、前記船舶の表面に貼付、嵌入又は溶接されるか、前記船舶と一体成形されることを特徴とする請求項１又は２に記載の船舶。
9. 前記乱流発生装置は、金属、プラスチック、木材、竹材、ガラス、セラミック又は複合材料からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の船舶。
10. 船体及び少なくとも１つの乱流発生装置を備えた、航行する際の抵抗力を減らす構造を有する船舶であって、
    前記乱流発生装置は、前記船体両側の最大幅個所と船尾端との間の表面上に設置されるか、前記船体底部の吃水の最深個所と前記船尾端との間の表面上に設置され、前記乱流発生装置により乱流を発生させ、航行するときの抵抗力を減らす構造を有することを特徴とする、船舶。

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