JP2019018761A - 航走体の水中騒音推定方法、水中騒音推定プログラム及び水中騒音推定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ＣＦＤと試験結果を併用して水中における航走体による騒音を効率的かつ精度よく推定する航走体の水中騒音推定方法、水中騒音推定プログラム及び水中騒音推定装置を提供すること。【解決手段】航走体の騒音推定条件を入力し、航走体の騒音推定条件に基づいて数値流体力学（ＣＦＤ）計算を行ない、数値流体力学（ＣＦＤ）計算の過程で航走体に関する試験結果を抽出して数値流体力学（ＣＦＤ）計算へ反映して補正を行い、航走体による水中音圧としての変動圧を数値流体力学（ＣＦＤ）計算と試験結果を併用して求める。【選択図】図２
Description
本発明は、水中における航走体による騒音を推定する水中騒音推定方法、水中騒音推定プログラム及び水中騒音推定装置に関する。
船舶等の航走体が発する水中騒音の主たる音源は、プロペラキャビテーションである。現在、舶用プロペラのキャビテーション騒音は、キャビテーション水槽試験による計測、又は実船計測によって求められることが殆どである。しかし、特に実船による計測をＩＳＯ基準に則って実施しようとする場合、計測に要する人的・物的コストが高くつく上に、気象海象状況によっては計測が出来ないことがある。
ここで、特許文献１には、船体表面の変動圧力を算出するにあたって、キャビテーションの計算を粘性影響を考慮する数値流体力学（ＣＦＤ：Computational Fluid Dynamics）等の第１のシミュレーション計算モデルを用いて行い、このシミュレーション結果であるキャビテーション形状を用いて粘性影響を考慮しない第２のシミュレーション計算を行うことで、所定の精度を確保しながら処理の低減及び時間短縮を図ることが開示されている。
また、特許文献２には、ジェット流をＣＦＤに基づく解析である定常ＲＡＮＳにより解析し、得られた定常流諸元を用いてジェット騒音を推定すること等によって音源モデルを生成し、この音源モデルを用いてジェット騒音の解析を行う方法が開示されている。
また、特許文献３には、実機計測で取得したプロペラの圧力変動データと模型試験で取得したプロペラの圧力変動データとに基づいて作成された実機計測と模型試験とのデータ相関情報を用いて、模型試験で取得したプロペラの圧力変動データに対応する実機におけるプロペラの圧力変動を推定する推定部を備えた装置が開示されている。
ここで、特許文献１には、船体表面の変動圧力を算出するにあたって、キャビテーションの計算を粘性影響を考慮する数値流体力学（ＣＦＤ：Computational Fluid Dynamics）等の第１のシミュレーション計算モデルを用いて行い、このシミュレーション結果であるキャビテーション形状を用いて粘性影響を考慮しない第２のシミュレーション計算を行うことで、所定の精度を確保しながら処理の低減及び時間短縮を図ることが開示されている。
また、特許文献２には、ジェット流をＣＦＤに基づく解析である定常ＲＡＮＳにより解析し、得られた定常流諸元を用いてジェット騒音を推定すること等によって音源モデルを生成し、この音源モデルを用いてジェット騒音の解析を行う方法が開示されている。
また、特許文献３には、実機計測で取得したプロペラの圧力変動データと模型試験で取得したプロペラの圧力変動データとに基づいて作成された実機計測と模型試験とのデータ相関情報を用いて、模型試験で取得したプロペラの圧力変動データに対応する実機におけるプロペラの圧力変動を推定する推定部を備えた装置が開示されている。
特許文献１及び２は、ＣＦＤを一部に用いるものではあるが、ＣＦＤと試験結果を併用して水中における航走体による騒音を効率的かつ精度よく推定するものではない。
また、特許文献３は、実機計測と模型試験のみに基づいてプロペラの圧力変動を推定するものであり、ＣＦＤと試験結果を併用して水中における航走体による騒音を効率的かつ精度よく推定するものではない。
また、特許文献３は、実機計測と模型試験のみに基づいてプロペラの圧力変動を推定するものであり、ＣＦＤと試験結果を併用して水中における航走体による騒音を効率的かつ精度よく推定するものではない。
そこで本発明は、ＣＦＤと試験結果を併用して水中における航走体による騒音を効率的かつ精度よく推定する航走体の水中騒音推定方法、水中騒音推定プログラム及び水中騒音推定装置を提供することを目的とする。
請求項１記載に対応した航走体の水中騒音推定方法においては、水中における航走体による騒音を推定する水中騒音推定方法であって、航走体の騒音推定条件を入力し、航走体の騒音推定条件に基づいて数値流体力学（ＣＦＤ）計算を行ない、数値流体力学（ＣＦＤ）計算の過程で航走体に関する試験結果を抽出して数値流体力学（ＣＦＤ）計算へ反映して補正を行い、航走体による水中音圧としての変動圧を数値流体力学（ＣＦＤ）計算と試験結果を併用して求めることを特徴とする。
請求項１に記載の本発明によれば、航走体が発する水中騒音をＣＦＤ計算と試験結果を併用することにより、効率的かつ精度よく推定できる。
請求項１に記載の本発明によれば、航走体が発する水中騒音をＣＦＤ計算と試験結果を併用することにより、効率的かつ精度よく推定できる。
請求項２記載の本発明は、航走体は船舶であり、船舶の騒音推定条件として形状及び運航条件を入力する条件入力ステップと、条件入力ステップで入力された各条件に基づいて数値流体力学（ＣＦＤ）計算を行なうＣＦＤ計算ステップと、船舶に関する試験結果としてプロペラ性能、船尾伴流、機関特性、又はキャビテーション数の少なくとも一つをＣＦＤ計算ステップの途中段階で抽出する試験結果抽出ステップと、ＣＦＤ計算ステップの計算結果を試験結果抽出ステップで得た試験結果に基づいて補正する補正ステップと、補正ステップの補正結果に基づいて変動圧として船尾変動圧を計算する船尾変動圧計算ステップとを備えたことを特徴とする。
請求項２に記載の本発明によれば、船舶が発する水中騒音をＣＦＤ計算の結果を試験結果に基づいて補正することにより、効率的かつ精度よく推定できる。
請求項２に記載の本発明によれば、船舶が発する水中騒音をＣＦＤ計算の結果を試験結果に基づいて補正することにより、効率的かつ精度よく推定できる。
請求項３記載の本発明は、プロペラ性能は、プロペラ水槽試験により求めたプロペラ単独性能であることを特徴とする。
請求項３に記載の本発明によれば、精度が得易いプロペラ水槽試験により求めたプロペラ単独性能に基づいてＣＦＤ計算の結果を補正するため、水中騒音の推定精度を高めることができる。
請求項３に記載の本発明によれば、精度が得易いプロペラ水槽試験により求めたプロペラ単独性能に基づいてＣＦＤ計算の結果を補正するため、水中騒音の推定精度を高めることができる。
請求項４記載の本発明は、船尾伴流は、船尾伴流水槽試験及び／又は船尾伴流実船試験により求めた船尾伴流であることを特徴とする。
請求項４に記載の本発明によれば、船尾伴流水槽試験と船尾伴流実船試験の少なくとも一方により求めた船尾伴流に基づいてＣＦＤ計算の結果を補正するため、水中騒音の推定精度を高めることができる。
請求項４に記載の本発明によれば、船尾伴流水槽試験と船尾伴流実船試験の少なくとも一方により求めた船尾伴流に基づいてＣＦＤ計算の結果を補正するため、水中騒音の推定精度を高めることができる。
請求項５記載の本発明は、機関特性は、機関出力試験及び／又はスラストトルク計測により求めた機関出力及び／又はスラストトルクであることを特徴とする。
請求項５に記載の本発明によれば、機関出力試験とスラストトルク計測の少なくとも一方により求めた機関特性に基づいてＣＦＤ計算の結果を補正するため、水中騒音の推定精度を高めることができる。
請求項５に記載の本発明によれば、機関出力試験とスラストトルク計測の少なくとも一方により求めた機関特性に基づいてＣＦＤ計算の結果を補正するため、水中騒音の推定精度を高めることができる。
請求項６記載の本発明は、キャビテーション数は、キャビテーション水槽試験及び／又は模型あるいは実船試験を通じた運航状態の推定により求めたキャビテーション数であることを特徴とする。
請求項６に記載の本発明によれば、キャビテーション水槽試験と模型又は実船試験を通じた運航状態の推定の少なくともいずれかにより求めたキャビテーション数に基づいてＣＦＤ計算の結果を補正するため、水中騒音の推定精度を高めることができる。
請求項６に記載の本発明によれば、キャビテーション水槽試験と模型又は実船試験を通じた運航状態の推定の少なくともいずれかにより求めたキャビテーション数に基づいてＣＦＤ計算の結果を補正するため、水中騒音の推定精度を高めることができる。
請求項７記載の本発明は、試験結果を求めるに当たっては、船舶の船体姿勢及び／又は船尾波高を考慮したことを特徴とする。
請求項７に記載の本発明によれば、船尾伴流又はキャビテーション数の精度を高め、水中騒音をより正確に推定することができる。
請求項７に記載の本発明によれば、船尾伴流又はキャビテーション数の精度を高め、水中騒音をより正確に推定することができる。
請求項８記載の本発明は、ＣＦＤ計算ステップで、機関特性に基づいてスラスト係数ＫＴを求めることを特徴とする。
請求項８に記載の本発明によれば、スラスト係数ＫＴの精度を高め、水中騒音をより正確に推定することができる。
請求項８に記載の本発明によれば、スラスト係数ＫＴの精度を高め、水中騒音をより正確に推定することができる。
請求項９記載の本発明は、スラスト係数ＫＴを目標値に収束させるために、プロペラ性能としてのプロペラ単独性能特性を基にＣＦＤ計算ステップを繰り返すことを特徴とする。
請求項９に記載の本発明によれば、流速を調整しスラスト係数ＫＴの精度を高め、水中騒音をより正確に推定することができる。
請求項９に記載の本発明によれば、流速を調整しスラスト係数ＫＴの精度を高め、水中騒音をより正確に推定することができる。
請求項１０記載の本発明は、船尾変動圧計算ステップの計算結果に周波数解析を含む後処理を行い、音圧レベルを計算する音圧レベル計算ステップをさらに備えたことを特徴とする。
請求項１０に記載の本発明によれば、船尾変動圧の計算結果を基に水中騒音の音圧レベルを求めることができる。
請求項１０に記載の本発明によれば、船尾変動圧の計算結果を基に水中騒音の音圧レベルを求めることができる。
請求項１１記載の本発明は、音圧レベル計算ステップで得られた音圧レベルを、尺度影響を考慮して修正を行う尺度影響修正ステップをさらに備えたことを特徴とする。
請求項１１に記載の本発明によれば、実船による騒音の音源レベルを求めることができる。
請求項１１に記載の本発明によれば、実船による騒音の音源レベルを求めることができる。
請求項１２記載の本発明は、船尾変動圧計算ステップで船尾変動圧を求めるに当たり、プロペラの直上の船尾変動圧が最も大きい位置で求めることを特徴とする。
請求項１２に記載の本発明によれば、水中騒音をより的確に精度よく推定することができる。
請求項１２に記載の本発明によれば、水中騒音をより的確に精度よく推定することができる。
請求項１３記載に対応した水中騒音推定プログラムは、請求項２から請求項１２のいずれか１項に記載の航走体の水中騒音推定方法の各ステップをコンピュータに実行させるものである。
請求項１３に記載の本発明によれば、船舶が発する水中騒音をＣＦＤ計算と試験結果を併用することにより、効率的かつ精度よく推定するプログラムを提供できる。
請求項１３に記載の本発明によれば、船舶が発する水中騒音をＣＦＤ計算と試験結果を併用することにより、効率的かつ精度よく推定するプログラムを提供できる。
請求項１４記載に対応した水中騒音推定装置は、水中騒音推定プログラムを利用した水中騒音推定装置であって、船舶の騒音推定条件を入力する条件入力手段と、コンピュータと、船尾変動圧の計算結果を出力する出力手段とを備えたことを特徴とする。
請求項１４に記載の本発明によれば、船舶が発する水中騒音をＣＦＤ計算と試験結果を併用することにより、効率的かつ精度よく推定する装置を提供できる。
請求項１４に記載の本発明によれば、船舶が発する水中騒音をＣＦＤ計算と試験結果を併用することにより、効率的かつ精度よく推定する装置を提供できる。
本発明の航走体の水中騒音推定方法によれば、航走体が発する水中騒音をＣＦＤ計算と試験結果を併用することにより、効率的かつ精度よく推定できる。
また、航走体は船舶であり、船舶の騒音推定条件として形状及び運航条件を入力する条件入力ステップと、条件入力ステップで入力された各条件に基づいて数値流体力学（ＣＦＤ）計算を行なうＣＦＤ計算ステップと、船舶に関する試験結果としてプロペラ性能、船尾伴流、機関特性、又はキャビテーション数の少なくとも一つをＣＦＤ計算ステップの途中段階で抽出する試験結果抽出ステップと、ＣＦＤ計算ステップの計算結果を試験結果抽出ステップで得た試験結果に基づいて補正する補正ステップと、補正ステップの補正結果に基づいて変動圧として船尾変動圧を計算する船尾変動圧計算ステップとを備えた場合には、船舶が発する水中騒音をＣＦＤ計算の結果を試験結果に基づいて補正することにより、効率的かつ精度よく推定できる。
また、プロペラ性能は、プロペラ水槽試験により求めたプロペラ単独性能である場合には、精度が得易いプロペラ水槽試験により求めたプロペラ単独性能に基づいてＣＦＤ計算の結果を補正するため、水中騒音の推定精度を高めることができる。
また、船尾伴流は、船尾伴流水槽試験及び／又は船尾伴流実船試験により求めた船尾伴流である場合には、船尾伴流水槽試験と船尾伴流実船試験の少なくとも一方により求めた船尾伴流に基づいてＣＦＤ計算の結果を補正するため、水中騒音の推定精度を高めることができる。
また、機関特性は、機関出力試験及び／又はスラストトルク計測により求めた機関出力及び／又はスラストトルクである場合には、機関出力試験とスラストトルク計測の少なくとも一方により求めた機関特性に基づいてＣＦＤ計算の結果を補正するため、水中騒音の推定精度を高めることができる。
また、キャビテーション数は、キャビテーション水槽試験及び／又は模型あるいは実船試験を通じた運航状態の推定により求めたキャビテーション数である場合には、キャビテーション水槽試験と模型又は実船試験を通じた運航状態の推定の少なくともいずれかにより求めたキャビテーション数に基づいてＣＦＤ計算の結果を補正するため、水中騒音の推定精度を高めることができる。
また、試験結果を求めるに当たっては、船舶の船体姿勢及び／又は船尾波高を考慮した場合には、船尾伴流又はキャビテーション数の精度を高め、水中騒音をより正確に推定することができる。
また、ＣＦＤ計算ステップで、機関特性に基づいてスラスト係数ＫＴを求める場合には、スラスト係数ＫＴの精度を高め、水中騒音をより正確に推定することができる。
また、スラスト係数ＫＴを目標値に収束させるために、プロペラ性能としてのプロペラ単独性能特性を基にＣＦＤ計算ステップを繰り返す場合には、流速を調整しスラスト係数ＫＴの精度を高め、水中騒音をより正確に推定することができる。
また、船尾変動圧計算ステップの計算結果に周波数解析を含む後処理を行い、音圧レベルを計算する音圧レベル計算ステップをさらに備えた場合には、船尾変動圧の計算結果を基に水中騒音の音圧レベルを求めることができる。
また、音圧レベル計算ステップで得られた音圧レベルを、尺度影響を考慮して修正を行う尺度影響修正ステップをさらに備えた場合には、実船による騒音の音源レベルを求めることができる。
また、船尾変動圧計算ステップで船尾変動圧を求めるに当たり、プロペラの直上の船尾変動圧が最も大きい位置で求める場合には、水中騒音をより的確に精度よく推定することができる。
また、本発明の水中騒音ステイプログラムによれば、船舶が発する水中騒音をＣＦＤ計算と試験結果を併用することにより、効率的かつ精度よく推定するプログラムを提供できる。
また、本発明の水中騒音推定装置によれば、船舶が発する水中騒音をＣＦＤ計算と試験結果を併用することにより、効率的かつ精度よく推定する装置を提供できる。
以下に、本発明の実施形態による航走体の水中騒音推定方法、水中騒音推定プログラム及び水中騒音推定装置について説明する。なお、本実施形態における航走体は船舶としているが、本発明は、航走体が水面を航走可能な浮体、水中を航走する潜水艦、又はＡＵＶ（自律型無人潜水機）等である場合にも適用できる。
図１はプロペラのキャビテーションパターンの例を示す図であり、図１（ａ）はプロペラＡのキャビテーションパターン、図１（ｂ）はプロペラＢのキャビテーションパターンである。各図において、色の濃い部分がキャビテーションの発生箇所を示している。なお、プロペラＡはＣＰ（Conventional Propeller）、プロペラＢはＨＳＰ２（ Highly-Skewed propeller）である。
船舶による水中騒音の主たる原因はプロペラキャビテーションである。したがって、本実施形態ではプロペラキャビテーションにより発生する水中騒音を推定する。
船舶による水中騒音の主たる原因はプロペラキャビテーションである。したがって、本実施形態ではプロペラキャビテーションにより発生する水中騒音を推定する。
図２は、本実施形態による数値流体力学（ＣＦＤ）計算による水中騒音推定方法の手順を示す図である。
まず、事前準備を行う。事前準備では、船体やプロペラ等の形状条件及び運航条件を入力し、水槽試験等により船舶についての試験を行った試験結果や計測結果として、プロペラ性能、船尾伴流、機関特性及びキャビテーション数に関するデータを取得し、取得したデータをＨＤＤ（Hard Disk Drive）等の記憶装置に記録する。本実施形態におけるプロペラ性能は、プロペラ単独性能であることが好ましい。また、本実施形態における機関特性は、機関出力試験及びスラストトルク計測により求めた機関出力及びスラストトルクであることが好ましい。
なお、試験結果として船尾伴流又はキャビテーション数を求めるに当たっては、船舶の船体姿勢と船尾波高を受け異なってくるところ、精度を高めるため、船舶の船体姿勢と船尾波高の少なくとも一方を考慮することが好ましい。
まず、事前準備を行う。事前準備では、船体やプロペラ等の形状条件及び運航条件を入力し、水槽試験等により船舶についての試験を行った試験結果や計測結果として、プロペラ性能、船尾伴流、機関特性及びキャビテーション数に関するデータを取得し、取得したデータをＨＤＤ（Hard Disk Drive）等の記憶装置に記録する。本実施形態におけるプロペラ性能は、プロペラ単独性能であることが好ましい。また、本実施形態における機関特性は、機関出力試験及びスラストトルク計測により求めた機関出力及びスラストトルクであることが好ましい。
なお、試験結果として船尾伴流又はキャビテーション数を求めるに当たっては、船舶の船体姿勢と船尾波高を受け異なってくるところ、精度を高めるため、船舶の船体姿勢と船尾波高の少なくとも一方を考慮することが好ましい。
事前準備においては、対象船舶のプロペラ形状及びプロペラ回転数といった試験条件を、キーボード、マウス又はタッチパネル等の入力手段を用いてコンピュータに入力し（プロペラ試験条件入力ステップＳ１０１）、ＣＦＤ計算による解析を行い、又は上記の条件に基づいてプロペラ水槽試験を実施し、得られた結果に対して必要に応じて修正式を用いた修正を行うことにより（プロペラ試験ステップＳ１０２）、プロペラ単独性能を取得する（プロペラ試験結果取得ステップＳ１０３）。取得したプロペラ単独性能特性（ＰＯＣ）は、プロペラ単独性能曲線で表す。なお、ＣＦＤ計算による解析結果を、プロペラ水槽試験結果をもって合わせ込むことを繰り返すことにより、ＣＦＤ計算だけでもプロペラ水槽試験結果と同等のプロペラ単独性能を取得することが可能になる。このＣＦＤ計算で得られるプロペラ単独性能もここでは試験結果として扱う。
また、対象船舶の船体形状及び船速といった試験条件を、入力手段を用いてコンピュータに入力し（船体試験条件入力ステップＳ２０１）、ＣＦＤ計算による解析を行い、又は上記の条件に基づいて、水槽試験、実船試験（計測）を実施し各種相関を用いることにより（船体試験ステップＳ２０２）、船体姿勢、船尾波高、船尾伴流、機関出力及びスラストトルクを取得する（船体試験結果取得ステップＳ２０３）。なお、船尾伴流は、船尾伴流実船試験により求めた実船スケール伴流であることが好ましいが、船尾伴流水槽試験により求めた模型スケール伴流であってもよい。
なお、ＣＦＤ計算による解析結果を水槽試験結果、実船計測結果をもって合わせ込むことを繰り返すことにより、ＣＦＤ計算だけでも水槽試験結果、実船計測結果と同等の船体姿勢、船尾波高、船尾伴流、機関出力及びスラストトルク結果を取得することが可能になる。これらのＣＦＤ計算で得られる船体姿勢、船尾波高、船尾伴流、機関出力及びスラストトルクもここでは試験結果として扱う。
ここで、図３はプロペラ単独性能曲線の例を示す図である。図３において、ＫＴはスラスト係数、ＫＱはトルク係数、η０はプロペラ単独効率、Ｊは前進常数である。
また、図４は船尾伴流の例を示す図である。
また、対象船舶の船体形状及び船速といった試験条件を、入力手段を用いてコンピュータに入力し（船体試験条件入力ステップＳ２０１）、ＣＦＤ計算による解析を行い、又は上記の条件に基づいて、水槽試験、実船試験（計測）を実施し各種相関を用いることにより（船体試験ステップＳ２０２）、船体姿勢、船尾波高、船尾伴流、機関出力及びスラストトルクを取得する（船体試験結果取得ステップＳ２０３）。なお、船尾伴流は、船尾伴流実船試験により求めた実船スケール伴流であることが好ましいが、船尾伴流水槽試験により求めた模型スケール伴流であってもよい。
なお、ＣＦＤ計算による解析結果を水槽試験結果、実船計測結果をもって合わせ込むことを繰り返すことにより、ＣＦＤ計算だけでも水槽試験結果、実船計測結果と同等の船体姿勢、船尾波高、船尾伴流、機関出力及びスラストトルク結果を取得することが可能になる。これらのＣＦＤ計算で得られる船体姿勢、船尾波高、船尾伴流、機関出力及びスラストトルクもここでは試験結果として扱う。
ここで、図３はプロペラ単独性能曲線の例を示す図である。図３において、ＫＴはスラスト係数、ＫＱはトルク係数、η０はプロペラ単独効率、Ｊは前進常数である。
また、図４は船尾伴流の例を示す図である。
事前準備の後、図２に示すように、ＣＦＤによるプロペラキャビテーションシミュレーションを行う。
まず、入力手段を用いて、船舶の騒音推定条件をコンピュータに入力する（条件入力ステップＳ１０）。騒音推定条件は、船体及びプロペラの形状等に関する形状条件、並びに船速、波浪、機関出力、又はプロペラ回転数等の運航条件である。コンピュータには、本実施形態による水中騒音推定方法を実行するプログラムがインストールされている。
コンピュータは、条件入力ステップＳ１０で取得した騒音推定条件に基づいて、数値流体力学（ＣＦＤ）計算によるプロペラキャビテーションシミュレーションを行う（ＣＦＤ計算ステップＳ２０）。ＣＦＤ計算ステップＳ２０は、第１のＣＦＤ計算ステップＳ２１と、第２のＣＦＤ計算ステップＳ２２と、第３のＣＦＤ計算ステップＳ２３とからなる。
ＣＦＤ計算の過程では、事前準備で取得した試験結果を抽出し（試験結果抽出ステップＳ３０）、ＣＦＤ計算へ反映して補正を行う（補正ステップＳ４０）。試験結果抽出ステップＳ３０は、第１の試験結果抽出ステップＳ３１と、第２の試験結果抽出ステップＳ３２と、第３の試験結果抽出ステップＳ３３とからなる。また、補正ステップＳ４０は、第１の補正ステップＳ４１と、第２の補正ステップＳ４２とからなる。
まず、入力手段を用いて、船舶の騒音推定条件をコンピュータに入力する（条件入力ステップＳ１０）。騒音推定条件は、船体及びプロペラの形状等に関する形状条件、並びに船速、波浪、機関出力、又はプロペラ回転数等の運航条件である。コンピュータには、本実施形態による水中騒音推定方法を実行するプログラムがインストールされている。
コンピュータは、条件入力ステップＳ１０で取得した騒音推定条件に基づいて、数値流体力学（ＣＦＤ）計算によるプロペラキャビテーションシミュレーションを行う（ＣＦＤ計算ステップＳ２０）。ＣＦＤ計算ステップＳ２０は、第１のＣＦＤ計算ステップＳ２１と、第２のＣＦＤ計算ステップＳ２２と、第３のＣＦＤ計算ステップＳ２３とからなる。
ＣＦＤ計算の過程では、事前準備で取得した試験結果を抽出し（試験結果抽出ステップＳ３０）、ＣＦＤ計算へ反映して補正を行う（補正ステップＳ４０）。試験結果抽出ステップＳ３０は、第１の試験結果抽出ステップＳ３１と、第２の試験結果抽出ステップＳ３２と、第３の試験結果抽出ステップＳ３３とからなる。また、補正ステップＳ４０は、第１の補正ステップＳ４１と、第２の補正ステップＳ４２とからなる。
まず、騒音推定条件に基づいてＣＦＤ計算を行い（第１のＣＦＤ計算ステップＳ２１）、船尾伴流を算出する。
また、船体試験結果取得ステップＳ２０３で取得した試験結果から船尾伴流のデータを抽出する（第１の試験結果抽出ステップＳ３１）。
また、船体試験結果取得ステップＳ２０３で取得した試験結果から船尾伴流のデータを抽出する（第１の試験結果抽出ステップＳ３１）。
第１のＣＦＤ計算ステップＳ２１及び第１の試験結果抽出ステップＳ３１の後、騒音推定条件及び試験結果としての船尾伴流に基づいてＣＦＤ計算を行い（第２のＣＦＤ計算ステップＳ２２）、スラスト係数ＫＴを算出する。
また、船体試験結果取得ステップＳ２０３で取得した試験結果から機関出力及びスラストトルクのデータを抽出する（第２の試験結果抽出ステップＳ３２）。
また、船体試験結果取得ステップＳ２０３で取得した試験結果から機関出力及びスラストトルクのデータを抽出する（第２の試験結果抽出ステップＳ３２）。
第２のＣＦＤ計算ステップＳ２２において、スラスト係数ＫＴは、機関特性に基づいて下式（１）から算出する。
ここで、Ｔはプロペラに働く推力、ρは水の密度、ｎはプロペラ回転数、Ｄはプロペラ直径である。
プロペラに働く推力Ｔは、実船試験で得られた試運転データ等により例えば図５に示すような船速馬力曲線が与えられている場合は、この船速馬力曲線を用いて算出することができる。船速馬力曲線から制動馬力（ＢＨＰ）を求め、下式（２）、（３）からプロペラに働く推力Ｔを算出できる。
ここで、ＴＨＰは伝達馬力、ηＴは船舶の伝達効率、ＶＳは船速である。
なお、船速馬力曲線が与えられていない場合は、ＣＦＤ計算又は水槽試験によって制動馬力（ＢＨＰ）を推定する。
なお、船速馬力曲線が与えられていない場合は、ＣＦＤ計算又は水槽試験によって制動馬力（ＢＨＰ）を推定する。
第２のＣＦＤ計算ステップＳ２２及び第２の試験結果抽出ステップＳ３２の後、算出したスラスト係数ＫＴが目標値である所定のスラスト係数（Ｔａｒｇｅｔ ＫＴ）の範囲内にあるか否かを判断する（スラスト係数判断ステップＳ５０）。
スラスト係数判断ステップＳ５０において、スラスト係数ＫＴが目標値の範囲内にないと判断した場合は、スラスト係数ＫＴを目標値に合わせるために、プロペラ試験結果取得ステップＳ１０３で取得した試験結果としてのプロペラ単独性能曲線を基に前進常数Ｊを調整し（第１の補正ステップＳ４１）、第１のＣＦＤ計算ステップＳ２１に戻り、再度船尾伴流を算出する。
ここで、図６（ａ）はスラスト係数ＫＴを目標値に収めるために使用するプロペラ単独性能曲線の例であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）を用いて再現したスラスト係数ＫＴの例である。プロペラキャビテーションシミュレーションを行う上で、スラスト係数ＫＴは、目標値である所定のスラスト係数（Ｔａｒｇｅｔ ＫＴ）に対し、４％以内の精度で再現することが好ましく、３％以内の精度で再現することがより好ましい。
このように、スラスト係数ＫＴを目標値に収束させるために、プロペラ性能としてのプロペラ単独性能曲線を基に第１のＣＦＤ計算ステップＳ２１及び第２のＣＦＤ計算ステップＳ２２を繰り返すことで、流速を調整しスラスト係数ＫＴを精度よく再現し、プロペラキャビテーションシミュレーションを正確に行うことができる。特にプロペラ試験結果取得ステップＳ１０３において取得したプロペラ性能が、プロペラ水槽試験により求めたプロペラ単独性能である場合には、精度が得易いプロペラ水槽試験により求めたプロペラ単独性能に基づいてＣＦＤ計算の結果を補正するため、水中騒音の推定精度を高めることができる。
スラスト係数判断ステップＳ５０において、スラスト係数ＫＴが目標値の範囲内にないと判断した場合は、スラスト係数ＫＴを目標値に合わせるために、プロペラ試験結果取得ステップＳ１０３で取得した試験結果としてのプロペラ単独性能曲線を基に前進常数Ｊを調整し（第１の補正ステップＳ４１）、第１のＣＦＤ計算ステップＳ２１に戻り、再度船尾伴流を算出する。
ここで、図６（ａ）はスラスト係数ＫＴを目標値に収めるために使用するプロペラ単独性能曲線の例であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）を用いて再現したスラスト係数ＫＴの例である。プロペラキャビテーションシミュレーションを行う上で、スラスト係数ＫＴは、目標値である所定のスラスト係数（Ｔａｒｇｅｔ ＫＴ）に対し、４％以内の精度で再現することが好ましく、３％以内の精度で再現することがより好ましい。
このように、スラスト係数ＫＴを目標値に収束させるために、プロペラ性能としてのプロペラ単独性能曲線を基に第１のＣＦＤ計算ステップＳ２１及び第２のＣＦＤ計算ステップＳ２２を繰り返すことで、流速を調整しスラスト係数ＫＴを精度よく再現し、プロペラキャビテーションシミュレーションを正確に行うことができる。特にプロペラ試験結果取得ステップＳ１０３において取得したプロペラ性能が、プロペラ水槽試験により求めたプロペラ単独性能である場合には、精度が得易いプロペラ水槽試験により求めたプロペラ単独性能に基づいてＣＦＤ計算の結果を補正するため、水中騒音の推定精度を高めることができる。
スラスト係数判断ステップＳ５０において、スラスト係数ＫＴが目標値の範囲内にあると判断した場合は、次のＣＦＤ計算を行い（第３のＣＦＤ計算ステップＳ２３）、水中音圧としての船尾変動圧を算出する（船尾変動圧計算ステップＳ２４）。船尾変動圧の計算結果は、プリンタやモニタ等の出力手段に出力される。
船尾変動圧をＣＦＤ計算により算出するにあたっては、キャビテーション数σｎを決定する。キャビテーション数σｎは、下式（４）から算出する。
ここで、ｐ０は基準圧力、ｐｖは飽和蒸気圧である。基準圧力ｐ０は下式（５）から算出する。
ここで、Ｐａｔｍは大気圧、ｇは重力加速度、Ｉはプロペラ没水深度、Ｒはプロペラ半径である。
キャビテーション数σｎを正確に求めるため、式（５）において、プロペラ没水深度Ｉは、船体姿勢及び船尾波高を考慮して求めることが好ましい。コンピュータは、船体試験結果取得ステップＳ２０３で取得した船体姿勢及び船尾波高を抽出し（第３の試験結果抽出ステップＳ３３）、ＣＦＤ計算により算出した船体姿勢及び船尾波高を、抽出した船体姿勢及び船尾波高で補正する（第２の補正ステップＳ４２）。これにより、算出した船体姿勢及び船尾波高の精度を高めることができる。
なお、キャビテーション数は、キャビテーション水槽試験、模型試験を通じた運航状態の推定、及び実船試験を通じた運航状態の推定の少なくとも一つによりキャビテーション数を求め、第３のＣＦＤ計算ステップＳ２３で算出したキャビテーション数を補正してもよい。これにより、水中騒音の推定精度を高めることができる。
なお、キャビテーション数は、キャビテーション水槽試験、模型試験を通じた運航状態の推定、及び実船試験を通じた運航状態の推定の少なくとも一つによりキャビテーション数を求め、第３のＣＦＤ計算ステップＳ２３で算出したキャビテーション数を補正してもよい。これにより、水中騒音の推定精度を高めることができる。
図７はＣＦＤ計算上の受音点の説明図であり、図７（ａ）は船尾変動圧を評価するための船体船尾部に相当する平板（FLAT PLATE）を投入した試験水槽中の側面図、図７（ｂ）は図７（ａ）の平板の平面図である。
船尾変動圧計算ステップＳ２４において水中音圧としての船尾変動圧を推定する際には、プロペラの直上（プロペラ上端と船体との隙間であるチップクリアランス位置）の船尾変動圧が最も大きい位置を特定し、その位置においてシミュレーション結果を使用して水中音圧を推定することが好ましい。これにより、水中音圧を的確に精度よく推定できる。なお、水中音圧は、船尾変動圧が最大となる点からプロペラ半径に相当する距離までの所定範囲内の位置で推定することが好ましく、プロペラの直上の船尾変動圧が最大となる点において推定することがより好ましい。船尾変動圧が最大となる点からプロペラ半径に相当する距離よりも離れた位置で推定した場合は、水中音圧を的確に精度よく推定することが困難となる。
船尾変動圧計算ステップＳ２４において水中音圧としての船尾変動圧を推定する際には、プロペラの直上（プロペラ上端と船体との隙間であるチップクリアランス位置）の船尾変動圧が最も大きい位置を特定し、その位置においてシミュレーション結果を使用して水中音圧を推定することが好ましい。これにより、水中音圧を的確に精度よく推定できる。なお、水中音圧は、船尾変動圧が最大となる点からプロペラ半径に相当する距離までの所定範囲内の位置で推定することが好ましく、プロペラの直上の船尾変動圧が最大となる点において推定することがより好ましい。船尾変動圧が最大となる点からプロペラ半径に相当する距離よりも離れた位置で推定した場合は、水中音圧を的確に精度よく推定することが困難となる。
船尾変動圧計算ステップＳ２４の後、周波数解析を含む後処理を行い（後処理ステップＳ６０）、周波数ごとの音圧レベルを計算する（音圧レベル計算ステップＳ６１）。これにより、船尾変動圧の計算結果を基に水中騒音の音圧レベルを求めることができる。
本実施形態におけるＣＦＤ計算は、模型スケールで行っているため、音圧レベル計算ステップＳ６１の後、得られた音圧レベルを、尺度影響を考慮して修正を行う（尺度影響修正ステップＳ７０）。これにより、実船による騒音のプロペラキャビテーション音源レベルが推定できる（実船音源レベル推定ステップＳ７１）。なお、模型−実船の尺度影響修正は、ＩＴＴＣ（国際試験水槽委員会）で定められている方法やＬｅｖｋｏｖｓｋｉｉの方法など、公知の方法を用いて行うことができる。
本実施形態におけるＣＦＤ計算は、模型スケールで行っているため、音圧レベル計算ステップＳ６１の後、得られた音圧レベルを、尺度影響を考慮して修正を行う（尺度影響修正ステップＳ７０）。これにより、実船による騒音のプロペラキャビテーション音源レベルが推定できる（実船音源レベル推定ステップＳ７１）。なお、模型−実船の尺度影響修正は、ＩＴＴＣ（国際試験水槽委員会）で定められている方法やＬｅｖｋｏｖｓｋｉｉの方法など、公知の方法を用いて行うことができる。
図８はある船舶に、異なる２つのプロペラ(CP: Conventional Propeller, HSP2: Highly-Skewed propeller)のＣＦＤ計算による水中騒音推定結果を示す図である。
図８において、横軸は1/3オクターブバンド中心周波数、縦軸は音圧レベルであり、実線でＣＦＤ計算の結果を示し、四角記号を連ねる実線で実船計測の結果を示している。何れの結果も、ＣＦＤ計算の結果と実測値が近似していることが分かる。
図８において、横軸は1/3オクターブバンド中心周波数、縦軸は音圧レベルであり、実線でＣＦＤ計算の結果を示し、四角記号を連ねる実線で実船計測の結果を示している。何れの結果も、ＣＦＤ計算の結果と実測値が近似していることが分かる。
以上説明したように、本実施形態による水中騒音推定方法は、船舶等の航走体の騒音推定条件を入力し、航走体の騒音推定条件に基づいて数値流体力学（ＣＦＤ）計算を行ない、数値流体力学（ＣＦＤ）計算の過程で航走体に関する試験結果を抽出して数値流体力学（ＣＦＤ）計算へ反映して補正を行い、航走体による水中音圧としての変動圧を数値流体力学（ＣＦＤ）計算と試験結果を併用して求めることで、航走体が発する水中騒音を効率的かつ精度よく推定することができる。
また、水中騒音推定方法の各ステップをコンピュータに実行させるための水中騒音推定プログラムを提供できる。
また、船舶の騒音推定条件を入力する条件入力手段と、コンピュータと、船尾変動圧の計算結果を出力する出力手段とを備え、水中騒音推定プログラムを利用した水中騒音推定装置を提供できる。
また、水中騒音推定方法の各ステップをコンピュータに実行させるための水中騒音推定プログラムを提供できる。
また、船舶の騒音推定条件を入力する条件入力手段と、コンピュータと、船尾変動圧の計算結果を出力する出力手段とを備え、水中騒音推定プログラムを利用した水中騒音推定装置を提供できる。
本発明の航走体の水中騒音推定方法、水中騒音推定プログラム及び水中騒音推定装置は、航走体が発する水中騒音をＣＦＤ計算と試験結果を併用することにより効率的かつ精度よく推定することができるため、例えば、水中騒音が水中生物に与える影響を調査する際のツールとして使用することができる。
Ｓ１０ 条件入力ステップ
Ｓ２０ ＣＦＤ計算ステップ
Ｓ２４ 船尾変動圧計算ステップ
Ｓ３０ 試験結果抽出ステップ
Ｓ４０ 補正ステップ
Ｓ６１ 音圧レベル計算ステップ
Ｓ７０ 尺度影響修正ステップ
Ｓ２０ ＣＦＤ計算ステップ
Ｓ２４ 船尾変動圧計算ステップ
Ｓ３０ 試験結果抽出ステップ
Ｓ４０ 補正ステップ
Ｓ６１ 音圧レベル計算ステップ
Ｓ７０ 尺度影響修正ステップ
Claims (14)
- 水中における航走体による騒音を推定する水中騒音推定方法であって、前記航走体の騒音推定条件を入力し、前記航走体の前記騒音推定条件に基づいて数値流体力学（ＣＦＤ）計算を行ない、前記数値流体力学（ＣＦＤ）計算の過程で前記航走体に関する試験結果を抽出して前記数値流体力学（ＣＦＤ）計算へ反映して補正を行い、前記航走体による水中音圧としての変動圧を前記数値流体力学（ＣＦＤ）計算と前記試験結果を併用して求めることを特徴とする航走体の水中騒音推定方法。
- 前記航走体は船舶であり、
前記船舶の前記騒音推定条件として形状及び運航条件を入力する条件入力ステップと、前記条件入力ステップで入力された各条件に基づいて前記数値流体力学（ＣＦＤ）計算を行なうＣＦＤ計算ステップと、前記船舶に関する前記試験結果としてプロペラ性能、船尾伴流、機関特性、又はキャビテーション数の少なくとも一つを前記ＣＦＤ計算ステップの途中段階で抽出する試験結果抽出ステップと、前記ＣＦＤ計算ステップの計算結果を前記試験結果抽出ステップで得た前記試験結果に基づいて補正する補正ステップと、前記補正ステップの補正結果に基づいて前記変動圧として船尾変動圧を計算する船尾変動圧計算ステップとを備えたことを特徴とする請求項１に記載の航走体の水中騒音推定方法。 - 前記プロペラ性能は、プロペラ水槽試験により求めたプロペラ単独性能であることを特徴とする請求項２に記載の航走体の水中騒音推定方法。
- 前記船尾伴流は、船尾伴流水槽試験及び／又は船尾伴流実船試験により求めた船尾伴流であることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の航走体の水中騒音推定方法。
- 前記機関特性は、機関出力試験及び／又はスラストトルク計測により求めた機関出力及び／又はスラストトルクであることを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の航走体の水中騒音推定方法。
- 前記キャビテーション数は、キャビテーション水槽試験及び／又は模型あるいは実船試験を通じた運航状態の推定により求めたキャビテーション数であることを特徴とする請求項２から請求項５のいずれか１項に記載の航走体の水中騒音推定方法。
- 前記試験結果を求めるに当たっては、前記船舶の船体姿勢及び／又は船尾波高を考慮したことを特徴とする請求項４又は請求項６に記載の航走体の水中騒音推定方法。
- 前記ＣＦＤ計算ステップで、前記機関特性に基づいてスラスト係数ＫＴを求めることを特徴とする請求項２から請求項７のいずれか１項に記載の航走体の水中騒音推定方法。
- 前記スラスト係数ＫＴを目標値に収束させるために、前記プロペラ性能としてのプロペラ単独性能特性を基に前記前記ＣＦＤ計算ステップを繰り返すことを特徴とする請求項８に記載の航走体の水中騒音推定方法。
- 前記船尾変動圧計算ステップの計算結果に周波数解析を含む後処理を行い、音圧レベルを計算する音圧レベル計算ステップをさらに備えたことを特徴とする請求項２から請求項９のいずれか１項に記載の航走体の水中騒音推定方法。
- 前記音圧レベル計算ステップで得られた音圧レベルを、尺度影響を考慮して修正を行う尺度影響修正ステップをさらに備えたことを特徴とする請求項１０に記載の航走体の水中騒音推定方法。
- 前記船尾変動圧計算ステップで前記船尾変動圧を求めるに当たり、前記プロペラの直上の前記船尾変動圧が最も大きい位置で求めることを特徴とする請求項２から請求項１１のいずれか１項に記載の航走体の水中騒音推定方法。
- 請求項２から請求項１２のいずれか１項に記載の航走体の水中騒音推定方法の各ステップをコンピュータに実行させるための水中騒音推定プログラム。
- 請求項１３に記載の水中騒音推定プログラムを利用した水中騒音推定装置であって、前記船舶の騒音推定条件を入力する条件入力手段と、前記コンピュータと、前記船尾変動圧の計算結果を出力する出力手段とを備えたことを特徴とする水中騒音推定装置。
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| CN110516342A (zh) * | 2019-08-22 | 2019-11-29 | 北京理工大学 | 一种基于OpenFOAM平台的螺旋桨可压缩空化流动数值预测方法 |
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| CN118052168A (zh) * | 2024-04-16 | 2024-05-17 | 山东职业学院 | 一种高速列车通过噪声的计算方法 |
-
2017
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