JP4639706B2 - 圧力渦抑制板 - Google Patents

Description

本発明は、後端渦抵抗低減装置に関する。

物体が所定の流体（例えば水や空気）に対して相対的に移動する際に物体の後端に渦（後端渦）が発生し、この後端渦に起因して物体と媒質との間に相対移動に伴う渦抵抗が発生することが知られている。そして、このような渦抵抗を低減するための従来の技術は、物体の全体形状を流線形化することによって流体における後端渦の発生を抑制するものである。なお、例えば以下の公知文献には、上述した渦抵抗を低減する技術の一例が開示されている。
「FLUID-DYNAMIC DRAG」S.F. HOERNER著,1965年発行

しかしながら、渦抵抗を低減するための従来の技術は、後端渦の発生メカニズムに対する十分な理論検討の上に成り立つものではなく、実際に渦抵抗を十分に低減できるものではない。したがって、後端渦の発生メカニズムに関する十分な理論検討に基づくより効果的かつ実用的な渦抵抗の低減技術の開発が切望されている。

本発明は、上述した事情に鑑みたものであり、より効果的かつ実用的な後端渦抵抗低減装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明では、「防衛庁技術研究本部技報第６８１４号（平成１４年１２月）」に掲載された論文『積分型直接シミュレーション解法による乱流境界層解析の研究（第１報）、（初期乱れ圧力分布解析式の構築）』に示す学術的見解を基礎として、以下に説明するような解決手段を採用する。なお、この論文は、本願の発明者の一人による研究成果である。

上記論文では、大型計算機を用いた乱流境界層のシミュレーション結果に対する理論的考察として、乱流境界層内で発生する流体の流速の乱れ（この流速の乱れは渦状であり、以後、流速渦という。）は、圧力の渦構造（以後、圧力渦という。）に起因し、当該圧力渦に沿うように巻き上げられて生成されるものであり、この圧力渦は、シミュレーション結果では中心軸が３次元的に種々の方向を有する等圧力面の構造として示されているが、局所的には直線的にある２次元方向を中心軸とする構造を有しており、この局所的に２次元方向を中心軸とする圧力渦が連続することによって上記シミュレーション結果において３次元的方向の等圧力面の構造が示されている、という学術的見解を示している。

本発明では、このような学術的見解を基礎として、局所的に３次元的方向の圧力渦は比較的に不安定であるのに対して局所的に２次元方向の圧力渦は比較的に安定であるため流体中に定常的に存在し易いという考えを採用する。よって、物体の表面で発生した２次元方向の多数の圧力渦は、物体の形状に応じて物体表面に形成される３次元的な形状の乱流境界層内に分布するが、これをそのまま放置せず、２次元方向の圧力渦の３次元的発達を２次元の状態のままで抑制することにより流速渦の発生を効果的に抑制することが可能であるという知見に至った。

そして、本発明では、流体中を進行する物体の後端に両表面が進行方向に平行となるように設けられた平板（圧力渦抑制板）を設ける、という解決手段を採用する。

本発明によれば、物体によって乱流境界層中に局所的に多数発生した圧力渦は後方に設けられた圧力渦抑制板の各々の表面上を順次後方に移動して圧力渦抑制板の後縁部に差し掛かるが、当該各々の表面上における圧力渦は回転方向が互いに逆方向であり、かつ中心軸が互いに平行な関係となる。したがって、このような圧力渦は後縁部において会合することによって圧力が弱められ、この結果圧力渦に起因して圧力渦抑制板の後縁部に発生する流速渦つまり後端渦の発生が抑制され、以って渦抵抗が低減される。
例えば、物体が対称形状で、かつ圧力渦抑制板がこのような対称形状の物体の後方中心位置に設けた場合には、圧力渦抑制板の各表面における圧力渦は大きさが等しくなるので、圧力渦抑制板の後縁部において会合することによって圧力が効果的に弱められ、よって渦抵抗が効果的に低減される。

以下、図面を参照して、本発明の最良の実施形態について説明する。
図1は、本実施形態の構成を示す斜視図である。この図に示すように、本実施形態は、ポッド式推進装置に本発明を適用したものである。すなわち、船体１の船底にはスラット２を介してポッド式推進装置３（物体）が取り付けられており、船体１は没水状態にあるポッド式推進装置３が発生する推力によって水上を進行方向（ｘ軸方向）に航行する。なお、ポッド式推進装置３に形成される流体の流れ方向は、上記船体１すなわちポッド式推進装置３の進行方向（ｘ軸方向）に対して反対方向である。

ポッド式推進装置３は、ポッド本体３ａ、プロペラ３ｂ、主圧力渦抑制板３ｃ及び副圧力渦抑制板３ｄ，３ｅから構成されている。このような構成要件のうち、主圧力渦抑制板３ｃ及び副圧力渦抑制板３ｄ，３ｅは、本実施形態に係る後端渦抵抗低減装置を構成している。ポッド本体３ａは、進行方向（ｘ軸方向）に直交する面（ｙ−ｚ面）における断面形状が円形に形成されており、先端部にプロペラ３ｂが設けられ、また後端部には主圧力渦抑制板３ｃが設けられている。プロペラ３ｂは、ポッド本体３ａ内に収容された動力源によって進行方向（ｘ軸方向）に直交する面（ｙ−ｚ面）を回転面として回転することにより推力を発生するものである。

主圧力渦抑制板３ｃは、図示するようにポッド本体３ａの後端に当該ポッド本体３ａのｘ軸に平行な中心軸線上かつ垂直姿勢で連続的に設けられた平板である。つまり、この主圧力渦抑制板３ｃは、両表面３ｆ，３ｇがｘ−ｚ面に平行となるように姿勢設定された状態でポッド本体３ａの後端部かつ中心軸線上に設けられている。

船体１の進行によって主圧力渦抑制板３ｃの両表面３ｆ，３ｇ上には所定厚の乱流境界層が形成されるが、当該両表面３ｆ，３ｇは、この乱流境界層内に発生する圧力渦のｘ−ｚ面内における２次元方向（第１の２次元方向）に対して平行な関係にある。また、この主圧力渦抑制板３ｃは、直線状後縁部３ｈがｚ軸と平行な直線状となるように形状設定されていると共に、当該直線状後縁部３ｈが周囲の流体中に形成される剥離域の外側に位置するように形状設定（長さ設定）されている。

各副圧力渦抑制板３ｄ，３ｅは、図示するように同一形状に形成された１対の平板であり、上記主圧力渦抑制板３ｃに直交する姿勢で当該主圧力渦抑制板３ｃの両端部（上端部及び下端部）に設けられている。つまり、各副圧力渦抑制板３ｄ，３ｅは、両表面３ｉ，３ｊ，３ｍ，３ｎがｘ−ｙ面内における２次元方向（第２の２次元方向）に対して平行となる姿勢で主圧力渦抑制板３ｃの上端部と下端部とに設けられている。また、各副圧力渦抑制板３ｄ，３ｅの形状は、進行方向（ｘ軸方向）に対して後方に傾斜した２つの直線状前端部と、進行方向（ｘ軸方向）に平行な２つの直線状側端部と、進行方向（ｘ軸方向）に対して直交した直線状後縁部３ｋ，３ｐとから各々構成された五角形である。

また、各副圧力渦抑制板３ｄ，３ｅは、進行方向（ｘ軸方向）における位置関係として上記各直線状後縁部３ｋ，３ｐが上記主圧力渦抑制板３ｃの直線状後縁部３ｈよりも後方に位置するように主圧力渦抑制板３ｃの両端部に設けられている。つまり、進行方向（ｘ軸方向）における各副圧力渦抑制板３ｄ，３ｅの各直線状後縁部３ｋ，３ｐと主圧力渦抑制板３ｃの直線状後縁部３ｈとの位置には、図示するように距離Ｄ（Ｄ＞０）が設けられており、この距離Ｄは、例えば乱流境界層の厚さの２倍以上となるように設定されている。

さらに、本後端渦抵抗低減装置では、各副圧力渦抑制板３ｄ，３ｅにおける各直線状後縁部３ｋ，３ｐの長さの総和は、主圧力渦抑制板３ｃの直線状後縁部３ｈの長さに流体の流れ方向に直交する面（ｙ−ｚ面）におけるポッド本体３ａのアスペクト比を乗じた寸法に設定されている。このアスペクト比は、ポッド本体３ａにおけるｙ方向の寸法とｚ方向の寸法との比である。

本実施形態ではポッド本体３ａのｙ−ｚ面における断面形状は上述したように円形（対称形状）であり、よって上記アスペクト比は「１」である。また、本実施形態では２枚の副圧力渦抑制板３ｄ，３ｅは同一形状であり、よって各直線状後縁部３ｋ，３ｐの長さは等しいので、副圧力渦抑制板３ｄ，３ｅにおける各直線状後縁部３ｋ，３ｐの長さは、主圧力渦抑制板３ｃの直線状後縁部３ｈの長さの半分になる。

次に、このように構成された本実施形態に係る後端渦抵抗低減装置の作用について図２に示す概念図を参照して詳しく説明する。なお、この図２は、ポッド式推進装置３の表面に形成される圧力渦を示す模式図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は一部正面図である。

ポッド式推進装置３は、プロペラ３ｂが回転することによって発生する推力によって船体１と共に進行方向（ｘ軸方向）に航行するが、水中にあるポッド本体３ａの表面上、主圧力渦抑制板３ｃの両表面３ｆ，３ｇ上及び副圧力渦抑制板３ｄ，３ｅの両表面３ｉ，３ｊ，３ｍ，３ｎ上には所定厚の乱流境界層が形成される。なお、この乱流境界層の厚さは、周知のように航行速度や水の粘性係数等の諸条件に基づいて予め見積もることが可能である。

ここで、進行方向において主圧力渦抑制板３ｃ及び副圧力渦抑制板３ｄ，３ｅよりも先行するポッド本体３ａの表面の乱流境界層中には、図２に示するように２次元方向（断面が円形のポッド本体３ａの接線方向）を中心軸とする圧力渦ｅがポッド本体３ａを取り囲むように局所的に多数発生する。このポッド本体３ａの表面上に当該ポッド本体３ａを取り囲むように発生した多数の圧力渦ｅは、ポッド本体３ａが進行方向に進行するので乱流境界層中を後方（流体の流れ方向）に順次移動する。

そして、これら圧力渦ｅは、主圧力渦抑制板３ｃに到達するが、図２に示すようにポッド本体３ａの後方中央に連続して設けられた主圧力渦抑制板３ｃの各々の表面３ｆ，３ｇ上を順次後方に移動する。

ここで、図示するようにポッド本体３ａの後端部は剥離が極力発生しないように滑らかに絞られた形状になっているので、上記多数の圧力渦ｅのうち、上側及び下側の圧力渦ｅは、中央部の圧力渦ｅよりも先に主圧力渦抑制板３ｃに到達する。すなわち、上側及び下側の圧力渦ｅが主圧力渦抑制板３ｃに到達した時点で、中央部の圧力渦ｅはポッド本体３ａの表面上にある。この関係で、全ての圧力渦ｅが主圧力渦抑制板３ｃに到達した時点では、図示するように上側及び下側の圧力渦ｅは中央部の圧力渦ｅよりも流体の流れ方向に先行した状態となる。

そして、このように流体の流れ方向において先行する上側及び下側の圧力渦ｅは副圧力渦抑制板３ｄ，３ｅに到達し、当該副圧力渦抑制板３ｄ，３ｅに絡み付くように各表面３ｉ，３ｊ，３ｍ，３ｎ上を流体の流れ方向に移動する。上記上側及び下側の圧力渦ｅは、主圧力渦抑制板３ｃの上下のエッジ近傍を流体の流れ方向に移動するものであり不安定であるが、副圧力渦抑制板３ｄ，３ｅによって安定化されて流体の流れ方向に移動する。

ここで、主圧力渦抑制板３ｃの両表面３ｆ，３ｇ上を流体の流れ方向に移動する各々の圧力渦ｅは回転方向が互いに逆の関係になる。また、副圧力渦抑制板３ｄの両表面３ｉ，３ｊ上を流体の流れ方向に移動する各々の圧力渦ｅも回転方向が互いに逆の関係であり、副圧力渦抑制板３ｅの両表面３ｍ，３ｎ上を流体の流れ方向に移動する各々の圧力渦ｅも回転方向が互いに逆の関係である。

また、副圧力渦抑制板３ｄ，３ｅが存在することによって上側及び下側の圧力渦ｅは移動速度が減速されるので、主圧力渦抑制板３ｃの両表面３ｆ，３ｇ上を移動する各々の圧力渦ｅは、図示するように流体の流れ方向において同位置となると共に中心軸が第１の２次元方向を向く状態となり、この状態において主圧力渦抑制板３ｃの直線状後縁部３ｈで会合する。そして、このように主圧力渦抑制板３ｃの両表面３ｆ，３ｇ上を移動してきた各々の圧力渦ｅは、回転方向が互いに逆の関係にあるので、上記会合によって圧力が中和・低下される。この結果、圧力渦ｅに起因して発生する流速渦つまり第１の２次元方向を中心軸とする水の流れの渦の発生が抑制されて、以って直線状後縁部３ｈの後方に発生する渦抵抗が低減される。

一方、副圧力渦抑制板３ｄ，３ｅの両表面３ｉ，３ｊ，３ｍ，３ｎ上を移動する各々の圧力渦ｅは、図示するように流体の流れ方向において同位置となると共に中心軸が第２の２次元方向を向く状態となり、この状態において各副圧力渦抑制板３ｄ，３ｅの直線状後縁部３ｋ，３ｐにおいて会合する。副圧力渦抑制板３ｄの両表面３ｉ，３ｊ上を移動してきた各々の圧力渦ｅは回転方向が互いに逆の関係にあり、また副圧力渦抑制板３ｅの両表面３ｍ，３ｎ上を移動してきた各々の圧力渦ｅも回転方向が互いに逆の関係にあるので、各直線状後縁部３ｋ，３ｐにおいて会合する圧力渦ｅは、圧力が中和・低下される。この結果、第２の２次元方向の圧力渦ｅに起因して発生する流速渦つまり第２の２次元方向を中心軸とする水の流れの渦の発生が抑制されて、よって直線状後縁部３ｋ，３ｐの後方に発生する渦抵抗が低減される。

ここで、副圧力渦抑制板３ｄ，３ｅの直線状後縁部３ｋ，３ｐは、上述した主圧力渦抑制板３ｃの直線状後縁部３ｈよりも流体の流れ方向において後方に設けられているので、副圧力渦抑制板３ｄ，３ｅの直線状後縁部３ｋ，３ｐにおける第２の２次元方向の圧力渦の会合は、主圧力渦抑制板３ｃの直線状後縁部３ｈにおける第１の２次元方向の圧力渦の会合とは流体の流れ方向において異なる場所で発生することになる。

したがって、流れ方向における同一位置に副圧力渦抑制板３ｄ，３ｅの直線状後縁部３ｋ，３ｐと主圧力渦抑制板３ｃの直線状後縁部３ｈを設けた場合、つまり第１の２次元方向の圧力渦ｅの会合と第２の２次元方向の圧力渦ｅの会合とを流体の流れ方向において同一場所で発生させた場合に比較して、本実施形態では第１の２次元方向の圧力渦ｅと第２の２次元方向の圧力渦ｅとをそれぞれ別の場所で効果的に打ち消すことができ、よって渦抵抗を効果的に低減することができる。

また、本実施形態では、副圧力渦抑制板３ｄ，３ｅにおける各直線状後縁部３ｋ，３ｐの長さは主圧力渦抑制板３ｃの直線状後縁部３ｈの長さの半分に設定されている。これは、ポッド本体３ａのアスペクト比が「１」に設定されているので、第１の２次元方向の圧力渦ｅと第２の２次元方向の圧力渦ｅとが同等に発生することを念頭に置いたものである。これによって、主圧力渦抑制板３ｃの直線状後縁部３ｈにおける第１の２次元方向の圧力渦ｅの会合と各副圧力渦抑制板３ｄ，３ｅの直線状後縁部３ｋ，３ｐにおける第２の２次元方向の圧力渦ｅの会合とを同程度に発生させることが可能であり、よって第１の２次元方向の流速渦と第２の２次元方向の流速渦とを均等に抑制することが可能でる。

続いて、図３は上記主圧力渦抑制板３ｃの変形例を示す正面図である。
図３（ａ）に示す主圧力渦抑制板３ｃ1は、中央が流体の流れ方向と逆の方向つまり進行方向（ｘ軸方向）に緩やかに窪む形状の曲線状後縁部３ｈ1を有する。一方、図３（ｂ）に示す主圧力渦抑制板３ｃ2は、中央が流体の流れ方向に緩やかに突出する形状の曲線状後縁部３ｈ2を有する。このような主圧力渦抑制板３ｃ1、３ｃ2では、曲線状後縁部３ｈ1，３ｈ2の長さが上述した主圧力渦抑制板３ｃの直線状後縁部３ｈの長さよりも長くなるので曲線状後縁部３ｈ1，３ｈ2における圧力渦の会合がより広範囲で行われ直線状後縁部３ｈの場合よりも促進して渦抵抗の低減効果が大きくなる。

図４は、上記副圧力渦抑制板３ｄ，３ｅの第１の変形例を示す斜視図である。
図４（ａ）に示す各副圧力渦抑制板３ｄ1，３ｅ1は、５角形に形成された上記実施形態の副圧力渦抑制板３ｄ，３ｅを三角形に形状変更し、かつ各頂点に丸みを付与した形状に設定されている。一方、図４（ｂ）は、上記各副圧力渦抑制板３ｄ1，３ｅ1の設置位置を主圧力渦抑制板３ｃの両端部から上下方向における主圧力渦抑制板３ｃの途中位置に変更した状態を示している。このような副圧力渦抑制板３ｄ1，３ｅ1及び各副圧力渦抑制板３ｄ1，３ｅ1の設置位置によっても、第１の２次元方向の圧力渦と第２の２次元方向の圧力渦とをそれぞれ別個に打ち消すことができるので、上記実施形態の副圧力渦抑制板３ｄ，３ｅと同様の効果を奏することができる。

図５は、上記副圧力渦抑制板３ｄ，３ｅの第２の変形例を示す正面図である。
この図５に示す副圧力渦抑制板３ｄ2，３ｅ2は、外開き状態に湾曲したものであり、このように湾曲させることによって内側に位置する表面３ｊ2，３ｍ2における水の流速を増速させ、以って副圧力渦抑制板３ｄ2，３ｅ2の両表面３ｉ2，３ｊ2，３ｍ2，３ｎ2における水の流速を同一化させるものである。副圧力渦抑制板３ｄ2，３ｅ2において内側に位置する表面３ｊ2，３ｍ2を流れる水の流速は、主圧力渦抑制板３ｃの表面３ｆ及び表面３ｇとの摩擦によって外側に位置する表面３i2，３ｎ2を流れる水の流速よりも小さくなるので、副圧力渦抑制板３ｄ2，３ｅ2を外開き状態に湾曲させることによってこの流速差を同一化させることができる。

そして、このように両表面３ｉ2，３ｊ2，３ｍ2，３ｎ2における水の流速を同一化することにより当該両表面３ｉ2，３ｊ2，３ｍ2，３ｎ2上に発生する圧力渦の圧力を同一化することが可能となり、よって直線状後縁部３ｋ2，３ｐ2における圧力渦を効果的に減圧することが可能である。なお、図４に示す主圧力渦抑制板３ｃ3は、副圧力渦抑制板３ｄ2，３ｅ2の湾曲状態に応じて上端部及び下端部が湾曲した形状に形成されている。

図６は、上記副圧力渦抑制板３ｄ，３ｅの第３の変形例を示す正面図である。
本第３の変形例に係る副圧力渦抑制板３ｄ3，３ｅ3，３ｄ4，３ｅ4は、三角形に形状設定されており、主圧力渦抑制板３ｃの表面３ｆ及び表面３ｇに離間して設けられている。これら副圧力渦抑制板３ｄ3，３ｅ3，３ｄ4，３ｅ4は、進行方向（ｘ軸方向）に対して直交した直線状後縁部３ｋ3，３ｐ3，３ｋ4，３ｐ4を有している。

また、これら直線状後縁部３ｋ3，３ｐ3，３ｋ4，３ｐ4の進行方向（ｘ軸方向）における位置は、上述した実施形態や変形例の場合とは異なり、主圧力渦抑制板３ｃの直線状後縁部３ｈよりも前方に位置している。このような副圧力渦抑制板３ｄ3，３ｅ3，３ｄ4，３ｅ4によっても、第１の２次元方向の圧力渦と第２の２次元方向の圧力渦とをそれぞれ別個に打ち消すことができるので、上述した副圧力渦抑制板３ｄ，３ｅと同等の作用・効果を奏する。

なお、本発明については、上記実施形態や変形例に限定されることなく、さらに以下のような変形例も考えられる。
（１）上記実施形態では、ポッド本体３ａのアスペクト比が「１」に設定されているので、主圧力渦抑制板３ｃと副圧力渦抑制板３ｄ，３ｅの向きを入れ替えても良い。すなわち、主圧力渦抑制板３ｃをｘ−ｙ面に平行に設け、副圧力渦抑制板３ｄ，３ｅをこれと直交するｘ−ｚ面に平行に設けても良い。

（２）また、例えばポッド本体３ａの断面形状が上下方向（ｚ軸方向）の寸法に対して左右方向（ｙ軸方向）の寸法が極端に短い形状の楕円形の場合には、第１の２次元方向の圧力渦に対する第２の２次元方向の圧力渦の発生割合は極端に低くなるので、副圧力渦抑制板を削除することが考えられる。また、第２の２次元方向の圧力渦を減圧する必要がない場合にも、副圧力渦抑制板を削除することが考えられる。

（３）一方、ポッド本体３ａの断面形状が上下方向（ｚ軸方向）の寸法に対して左右方向（ｙ軸方向）の寸法が極端に長い形状の楕円形の場合には、ｘ−ｙ面に平行な表面を有する主圧力渦抑制板のみを設けるようにしても良い。

本発明の実施形態に係わる後端渦抵抗低減装置の構成を示す斜視図である。 本発明の実施形態においてポッド式推進装置３の表面に形成される圧力渦を示す模式図である。 本発明の実施形態における主圧力渦抑制板３ｃの変形例を示す正面図である。 本発明の実施形態における副圧力渦抑制板３ｄ，３ｅの第１の変形例を示す斜視図である。 本発明の実施形態における副圧力渦抑制板３ｄ，３ｅの第２の変形例を示す正面図である。 本発明の実施形態における副圧力渦抑制板３ｄ，３ｅの第３の変形例を示す斜視図である。

符号の説明

１…船体、２…スラット、３…ポッド式推進装置（物体）、３ａ…ポッド本体、３ｂ…プロペラ、３ｃ…主圧力渦抑制板、３ｄ，３ｅ…副圧力渦抑制板、ｅ…圧力渦

Claims (7)

1. 流体中を進行する物体の後端に両表面が進行方向に平行となるように設けられ、かつ、後縁部が中央が流体の流れ方向に緩やかに突出する平板であることを特徴とする圧力渦抑制板。
2. 平板は、進行方向に平行な主平板と、進行方向に平行かつ前記主平板に直交する副平板とからなることを特徴とする請求項１記載の圧力渦抑制板。
3. 主平板の後縁部と副平板の後縁部とは流体の流れ方向において異なる位置に設定されることを特徴とする請求項２記載の圧力渦抑制板。
4. 物体によって主平板及び副平板の表面を除く流体中に剥離域が形成される場合には、主平板は自らの後縁部が物体によって周囲の流体中に形成される剥離域の外側に位置するように設けられることを特徴とする請求項２または３記載の圧力渦抑制板。
5. 副平板は主平板の両端近傍に同形状のものが１対設けられることを特徴とする請求項２〜３いずれかに記載の圧力渦抑制板。
6. １対の副平板は外開き状態に湾曲するあるいは平行であることを特徴とする請求項５記載の圧力渦抑制板。
7. 副平板における後縁部の長さは、主平板における後縁部の長さに流体の流れ方向に直交する面における物体のアスペクト比を乗じた寸法に略等しい、ことを特徴とする請求項２〜６いずれかに記載の圧力渦抑制板。

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