JP2019018761A5 - - Google Patents
Download PDFInfo
- Publication number
- JP2019018761A5 JP2019018761A5 JP2017140307A JP2017140307A JP2019018761A5 JP 2019018761 A5 JP2019018761 A5 JP 2019018761A5 JP 2017140307 A JP2017140307 A JP 2017140307A JP 2017140307 A JP2017140307 A JP 2017140307A JP 2019018761 A5 JP2019018761 A5 JP 2019018761A5
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- stern
- calculation
- cfd
- propeller
- test
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 122
- 241000272168 Laridae Species 0.000 claims description 95
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 20
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 19
- 238000000605 extraction Methods 0.000 claims description 18
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 18
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 9
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 6
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 8
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 239000000284 extract Substances 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 230000037250 Clearance Effects 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 230000035512 clearance Effects 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing Effects 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
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入力された形状及び運航条件を取得する条件取得ステップと、条件取得ステップで取得した形状及び運航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、船舶に関する事前に取得した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、船尾変動圧の計算結果を出力する出力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条件取得ステップと、CFD計算ステップと、試験結果抽出ステップと、補正ステップと、船尾変動圧計算ステップと、出力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入力された形状及び運航条件を取得する条件取得ステップと、条件取得ステップで取得した形状及び運航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、船舶に関する事前に取得した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、船尾変動圧の計算結果を出力する出力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、本発明の水中騒音推定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(条件取得ステップ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、条件取得ステップ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(条件取得ステップ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、条件取得ステップ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 条件取得ステップ
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入力された形状及び運航条件を取得する条件取得ステップと、前記条件取得ステップで取得した前記形状及び前記運航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、前記船舶に関する事前に取得した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、前記船尾変動圧の計算結果を出力する出力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前記条件取得ステップと、前記CFD計算ステップと、前記試験結果抽出ステップと、前記補正ステップと、前記船尾変動圧計算ステップと、前記出力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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2017140307A JP6974828B2 (ja) | 2017-07-19 | 2017-07-19 | 船舶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 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2017140307A JP6974828B2 (ja) | 2017-07-19 | 2017-07-19 | 船舶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 |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2019018761A JP2019018761A (ja) | 2019-02-07 |
JP2019018761A5 true JP2019018761A5 (ja) | 2020-08-13 |
JP6974828B2 JP6974828B2 (ja) | 2021-12-01 |
Family
ID=65353671
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2017140307A Active JP6974828B2 (ja) | 2017-07-19 | 2017-07-19 | 船舶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 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6974828B2 (ja) |
Families Citing this family (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2020158072A (ja) * | 2019-03-28 | 2020-10-01 | 国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所 | データ同化による船舶性能推定方法及び船舶性能推定システム |
CN110516342B (zh) * | 2019-08-22 | 2021-08-24 | 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 |
CN113669375B (zh) * | 2021-09-02 | 2023-05-16 | 武汉联影医疗科技有限公司 | 动压滑动轴承的使用情况确定方法、系统、装置 |
CN114117641B (zh) * | 2021-12-01 | 2023-06-23 | 中国船舶科学研究中心 | 设备在实船安装条件下引起的水下辐射噪声的评估方法 |
CN115783167B (zh) * | 2022-11-04 | 2023-08-11 | 哈尔滨工程大学 | 一种船舶设计阶段声纳自噪声评估方法及系统 |
-
2017
- 2017-07-19 JP JP2017140307A patent/JP6974828B2/ja active Active
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6974828B2 (ja) | 船舶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 | |
JP2019018761A5 (ja) | ||
Sprenger et al. | Experimental studies on seakeeping and maneuverability of ships in adverse weather conditions | |
Aktas et al. | Propeller cavitation noise investigations of a research vessel using medium size cavitation tunnel tests and full-scale trials | |
Li et al. | Predicting underwater radiated noise of a full scale ship with model testing and numerical methods | |
Fu et al. | An assessment of computational fluid dynamics predictions of the hydrodynamics of high-speed planing craft in calm water and waves | |
Taskar et al. | Effect of waves on cavitation and pressure pulses of a tanker with twin podded propulsion | |
JP2020158072A (ja) | データ同化による船舶性能推定方法及び船舶性能推定システム | |
JP2019532262A5 (ja) | ||
Goheen et al. | The application of alternative modelling techniques to ROV dynamics | |
KR102052283B1 (ko) | 응답을 기반으로 한 소형 선박의 안정성 평가 방법 및 시스템 | |
EP3428655B1 (en) | Meter for ship speed relative to water and method for correcting measurement values of meter for ship speed relative to water | |
Lafeber et al. | Computational and experimental prediction of propeller cavitation noise | |
Saettone et al. | Experimental measurements of propulsive factors in following and head waves | |
Herrero et al. | Improving parameter estimation efficiency of a non linear manoeuvring model of an underwater vehicle based on model basin data | |
Ahmed et al. | An investigation into parametric roll resonance in regular waves using a partly non-linear numerical model | |
Lafeber et al. | Validation of computational and experimental prediction methods for the underwater radiated noise of a small research vessel | |
Irannezhad et al. | Investigation of ship responses in regular head waves through a Fully Nonlinear Potential Flow approach | |
van Walree et al. | Prediction of heavy weather seakeeping of a destroyer hull form by means of time domain panel and cfd codes | |
Milgram | Strip theory for underwater vehicles in water of finite depth | |
Lee et al. | A numerical study on self-propulsion performance in regular waves and power prediction in irregular waves | |
Windén | Powering performance of a self-propelled ship in waves | |
Lee et al. | A study on ship performance in waves using a RANS solver, part 2: Comparison of added resistance performance in various regular and irregular waves | |
Delen et al. | Uncertainty analysis of numerical and experimental resistance tests for ONR Tumblehome | |
Chun-Ki et al. | Study on the M anoeuvring Prediction of a Fishing Vessel |