JPWO2017094061A1 - 流場測定装置および流場測定方法 - Google Patents

Abstract

数Ｈｚ程度で変化する環境においても適切に流場を測定することを可能とする流場測定装置である。流場測定装置は、船底の複数の計測位置から、それぞれ複数の測定方向につき、前記各測定方向上での複数の異なる計測点における流体の流速を計測する計測部と、流体中の複数の対象位置につき、それぞれ、その近傍に所在する複数の要素位置における流速成分を合成して、前記各対象位置における流速を計算する流場計算部とを有する。前記各要素位置は、所定の前記測定方向上の所定の前記計測点であり、前記流速成分は、前記各要素位置においてそれぞれ前記計測部により計測された流速成分である。

Description

本発明は、流体中の速度分布を計測する技術に関し、特に、船舶の航行等に伴う伴流の分布を測定する流場測定装置および流場測定方法に適用して有効な技術に関するものである。

音響式（ドップラー式）船速計や電磁式船速計において船舶の対水速度（船速）を計測する際に、その精度を向上させる技術として、例えば、特開２０１３−１６７５６０号公報（特許文献１）には、海底へ向けて音波を発射する送波部と、送波部から発射された音波の反射波であって、異なる水深に位置している複数の反射物によって反射された複数の反射波を検出する受波部と、音波と反射波との周波数差に基づいて船舶の対水速度を算出する演算処理部とを有する船速計が記載されている。ここで、演算処理部は、音波と複数の反射波のそれぞれとの周波数差に基づいて異なる複数の水深における流速を求めることによって水深方向における流速の変化率を求め、該変化率が所定の閾値以下となる水深における流速を船舶の対水速度として算出する。

また、特開２００９−１３９１４０号公報（特許文献２）には、位置が既知の３つの超音波流速計の送信波の方向を変更して、各超音波流速計から別の既知の位置に配置された３つのマイクロフォンに向けて送信し、各マイクロフォンのそれぞれにおいて受信強度が大きくなる送信波の方向を各超音波流速計においてそれぞれ検出することで、各超音波流速計における法線方向と方位角の基準方向を同定した上で、各超音波流速計からの送信波の方向を制御し、各超音波流速計からの送信波の反射波を同一の位置の超音波流速計において受信することで送信方向における任意の場所の３次元の流速を検出する技術が記載されている。

特開２０１３−１６７５６０号公報 特開２００９−１３９１４０号公報

船舶の設計において、船体周囲の海水等の流体の流れ（伴流）の速度分布、特に、プロペラへの流入の速度分布を把握することができれば、プロペラの設計に活かすことができる。

プロペラへの流入速度分布の把握に際しては、例えば、スケールが異なる船体の模型等を用いて実際に測定したり、実際の船体において計測装置を設置して測定したり等の手法が用いられてきたが、十分な精度が得られなかったり、流速を測定する場所が多いことから測定負荷・コストが過大であったり等の課題を有していた。また、数値流体力学（ＣＦＤ：Computational Fluid Dynamics）解析などのシミュレーションにより把握することも可能であるが、例えば、喫水が変わった場合や、船が横揺れや縦揺れ等（動揺）した場合など、航行条件や環境パラメータの多数の組み合わせ毎に解析を行うことは非常に困難・煩雑である。

一方で、例えば、特許文献２に記載されたような技術を用いることで、プロペラ周りなどの船体周囲における３次元の流速分布を実際に測定することは可能である。しかしながら、航行中の船舶におけるプロペラは数Ｈｚ程度で回転しているため、プロペラ周囲の流速分布（流場）を適切に測定するには、測定に要する時間も数Ｈｚ程度で変化する環境に対応できる程度に短時間であることが必要となる。この点、特許文献２に記載された技術では、流場を測定する、すなわち多数の位置の流速を測定するためには、測定対象の位置を順次移動・変更して走査する必要があり、プロペラ周囲など短時間での測定が求められる場面には適さない。

そこで本発明の目的は、数Ｈｚ程度で変化する環境においても適切に流場を測定することを可能とする流場測定装置および流場測定方法を提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。

本発明の代表的な実施の形態による流場測定装置は、船舶の周囲の流場を測定する流場測定装置であって、船底の複数の計測位置から、それぞれ複数の測定方向につき、前記各測定方向上での複数の異なる計測点における流体の流速を計測する計測部と、流体中の複数の対象位置につき、それぞれ、その近傍に所在する複数の要素位置における流速成分を合成して、前記各対象位置における流速を計算する流場計算部と、を有するものである。

前記各要素位置は、船底の前記各計測位置からの所定の前記測定方向上の所定の前記計測点であり、前記流速成分は、前記各要素位置においてそれぞれ前記計測部により計測された流速成分である。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

すなわち、本発明の代表的な実施の形態によれば、数Ｈｚ程度で変化する環境においても適切に流場を測定することが可能となる。

本発明の一実施の形態である流場測定方法について概要を示した図である。 本発明の一実施の形態における走査平面上での流場の測定をプロペラの周囲の複数箇所で行った場合の結果を可視化した例を示した図である。 本発明の一実施の形態である流場測定装置の構成例について概要を示した図である。 本発明の一実施の形態における流場測定処理の流れの例について概要を示したフローチャートである。 本発明の一実施の形態における任意の位置の合成流速を近傍の複数の計測点の流速から求める例について概要を示した図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。一方で、ある図において符号を付して説明した部位について、他の図の説明の際に再度の図示はしないが同一の符号を付して言及する場合がある。

＜概要＞
図１は、本発明の一実施の形態である流場測定方法について概要を示した図である。上段の図では測定方法の概要について示しており、下段の図では測定結果として得られた流場の例を示している。本実施の形態の流場測定方法は、異なる位置に設置された複数の音響式（ドップラー式）船速計を用いて、流体中の所定の位置に対応する流速成分をそれぞれ求め、これらを合成することで２次元もしくは３次元の流速分布（流場）を測定するものであり、基本的な原理は特許文献２に記載された技術などと同様である。

一方で本実施の形態では、特許文献１に記載された技術と同様の技術により船底下の複数の深さ（より正確には船底からの複数の距離）における流速（対水船速）を求める多層型の船速計の原理を利用することで、船体周囲の多数の位置の流速を数Ｈｚ程度の環境の変化に対応できる程度の短時間で測定することを可能とするものである。

図１の上段の図は、複数の多層型の船速計により船体周囲の多数の位置の流速を測定する例の概要を示している。ここでは、異なる位置に設置された２つの多層型船速計のセンサ２ａ、２ｂが、それぞれ、音波の発信方向（音波発信方向６ａ、６ｂ）を同一平面上の一定範囲で一定間隔で変化させて走査する。多層型船速計では１回の測定で音波発信方向における複数の位置での流速を計測することができる。すなわち、各音波発信方向６ａ、６ｂにおいて、複数の計測点５ａ、５ｂでの流速４ａ、４ｂ（図中では音波の発信方向の成分）を一括して計測することができる。

このとき、センサ２ａのある音波発信方向６ａにおけるある計測点５ａと、センサ２ｂのある音波発信方向６ｂにおけるある計測点５ｂとが重なる場合に、当該計測点５ａ、５ｂでそれぞれ計測された流速４ａ、４ｂをベクトルとして合成することで、計測点５ａ、５ｂの位置（すなわち音波発信方向６ａ、６ｂの交点）における合成流速７のベクトルを得ることができる。このような合成を、音波発信方向６ａ、６ｂの走査範囲において計測点５ａと計測点５ｂが重なる複数の位置においてそれぞれ行うことで、図１の下段の図に示すように走査平面上の一定範囲における合成流速７の分布からなる流場を求めることができる。

本実施の形態では、特許文献１に記載されたような多層型船速計の仕組みを用いることにより、１回の音波の発信により多数の位置の流速を計測することができ、また、各船速計が個別に音波発信方向を走査して計測した複数の位置での流速を合成することで合成流速７を得るため、船体周囲の多数の位置の流速の計測に要する時間を大幅に短縮することができる。

図２は、上記のような走査平面上での流場の測定をプロペラの周囲の複数箇所で行った場合の結果を可視化した例を示した図である。図示するように、プロペラに流入する前後での流速分布の変化の状況を的確かつ容易に把握することができる。なお、図１、図２の例では、２つの船速計（センサ２ａ、２ｂ）がそれぞれ音波発信方向６ａ、６ｂを同一の平面上で走査することで２次元の流場を測定するものとしているが、各船速計がそれぞれ３次元で走査することで３次元の流場を測定することも可能である。また、合成の対象となる流速成分を測定する船速計の数も２つに限らず３つ以上で構成することも可能である。また、本実施形態では、音響式（ドップラー式）船速計を例として記載するが、同様の手法を他の方式の船速計や潮流計等に適用することも理論的には可能である。

＜装置構成＞
図３は、本発明の一実施の形態である流場測定装置の構成例について概要を示した図である。本実施の形態では、上述したように、例えば、特許文献１に記載された多層型船速計と同様の技術により船底下の複数の深さ（より正確には船底からの音波発信方向上での複数の距離）における流速（対水船速）を求める技術を用いる。従って、基本的な構成は特許文献１に記載された多層型船速計と同様のものを含んでいる。

本実施の形態の流場測定装置は、例えば、船体１に設置された複数のセンサ２および流場測定処理部３から構成される。センサ２は、例えば、船体１の船底部もしくはその近傍に設置され、海底側の所定の測定方向（音波発信方向６）に向けて所定の周波数でパルス状の音波を発信する図示しないスピーカと、発信した音波の反射波を受信する図示しないマイクと、音波の発信から受信までの時間差および受信した反射波の周波数などの情報を出力する図示しないトランスデューサ等によって構成される。

特許文献１に記載されたように、反射波を受信するまでの時間差により音波発信方向６上の計測点５の位置（センサ２からの距離）を把握するとともに、反射波の周波数の変化により流速４を求めることができる。なお、特許文献１に記載された多層型船速計では、各計測点５での対水船速Ｖを求めるものとしているが、これに限られず、本実施の形態では、図示するように、音波発信方向６と同一方向における流速４の成分を求めるものとする。また、本実施の形態では、上述したように、異なる位置に設置された２つ以上のセンサ２が、それぞれ異なる所定の方向に向けて、２次元もしくは３次元で一定範囲を走査する形で音波発信方向６を変化させるものとするが、図３の例では説明の便宜上、特定のセンサ２が特定の一方向に音波を発信している状況を代表的に示している。

センサ２が音波発信方向６を一定範囲内で変化させながら走査する手法については、特に限定されないが、例えば、センサ２の向き（スピーカとマイクの向き）をモータ等の駆動機構により所定の角速度で変化させながら、所定の時間間隔で音波の発信と反射波の受信による計測を複数回行うようにしてもよい。また、センサ２の向きを変化させつつ、所定の角度毎に一旦停止させ、その都度音波の発信と反射波の受信による測定を行うようにしてもよい。

いずれの構成の場合も、船体１における各センサ２の設置位置に対する、音波の発信と反射波の測定を実際に行う方向（すなわち各音波発信方向６）および当該方向における各層の計測点５の相対位置は、測定機会毎に不変となるように設定し、これらの方向や位置を予め把握しておくものとする。また、これらの方向や位置についてはメンテナンス等のタイミングで設定変更できるようにしてもよい。

また、センサ２の音波発信方向６を変化させるにあたり、例えば、センサ２が有するスピーカとマイクとを一体的に連動させて同じ方向を向くように回転等させる構成としてもよいし、スピーカの向きのみを変化させてマイクについては常に同じ方向を向くよう固定的に設置してもよい。

流場測定処理部３は、センサ２の動作を制御するとともに、センサ２からの出力結果を取得して流場の計算等の処理を行う機能を有する。流場測定処理部３は、後述する各機能を実現するよう設計された集積回路や記憶装置、入出力装置等からなる専用のハードウェアとして実装してもよいし、ＰＣ（Personal Computer）等の汎用の情報処理装置およびその上で稼働するソフトウェアとして実装することも可能である。

流場測定処理部３は、例えば、制御部３１、計測部３２、流場計算部３３、インタフェース部３４などの各部、および測定データ３５、メッシュ情報３６、設定情報３７、流場データ３８などの各データストアを有する。

制御部３１は、流場測定処理部３の各部の動作を、予め設定された設定情報３７の内容等に基づいて自動で、もしくは後述するインタフェース部３４を介したユーザからの指示等に基づいて手動で制御する機能を有する。計測部３２は、センサ２により計測を行い、その結果を取得する機能を有する。具体的には、上述したように、音波発信方向６を変化させながら、所定の方向でセンサ２から発信した送信波と受信した反射波の時間差および反射波の周波数のデータを取得する。取得したデータは、例えば、音波発信方向６毎に測定データ３５として時系列に記録しておく。なお、制御部３１、計測部３２、および測定データ３５や設定情報３７の全部もしくは一部について、１つまたは複数のセンサ２毎に対応させて複数備えるようにしてもよい。

流場計算部３３は、測定データ３５の内容から、設定情報３７およびメッシュ情報３６の内容等に基づいて、図１に示したような手法により、すなわち、流体中の所定の位置について複数のセンサ２により測定された流速４を合成することで２次元もしくは３次元の流速分布（流場）を算出し、算出結果を流場データ３８として記録する機能を有する。所定の位置、すなわち複数のセンサ２における音波発信方向６の交点の情報については、例えば、各センサ２の設置位置や走査範囲の情報に基づいて、メッシュ情報３６に「○番目のセンサの△番目の方向における□層目の計測点と、●番目のセンサの▲番目の方向における■層目の計測点」のような形で予め登録しておくことができる。

インタフェース部３４は、流場測定処理部３に対する入出力のインタフェースを提供する機能を有する。例えば、流場計算部３３によって計算された流場データ３８の内容を図示しないディスプレイ等に表示して出力する。また、流場データ３８や測定データ３５などの蓄積データや、メッシュ情報３６、設定情報３７などについて、図示しない外部記録媒体やネットワークを介して入出力を行う。また、図示しないボタンやダイヤル等からなる操作パネルやリモコン、タッチパネル等を介してユーザからの操作指示やデータの入力を受け付ける。

＜処理フロー＞
図４は、本実施の形態における流場測定処理の流れの例について概要を示したフローチャートである。まず、制御部３１が計測部３２および全てのセンサ２を制御して、各センサ２について音波発信方向６を同一平面上で一定範囲で変化させることで走査しながら、音波発信方向６上の複数の計測点５での流速４を計測する。

具体的には、全てのセンサ２について処理を行う第１ループ処理を開始し（Ｓ０１）、さらに対象のセンサ２について、予め設定された所定の音波発信方向６の全てについて処理を行う第２ループ処理を開始する（Ｓ０２）。第２ループ処理では、対象の音波発信方向６について、特許文献１に記載された多層型船速計と同様の技術により、複数の計測点５での流速４を短時間に一括して計測して測定データ３５に記録する（Ｓ０３）。その後、次の音波発信方向６となるようセンサ２の方向を変化させ、流速４の計測を継続する（Ｓ０４、Ｓ０２）。全ての音波発信方向６について計測を行うと、第２ループ処理を終了し（Ｓ０４）、次のセンサ２の処理に移る（Ｓ０５、Ｓ０１）。全てのセンサ２について第２ループ処理による流速４の計測を行うと、第１ループ処理を終了する（Ｓ０５）。

なお、記載の便宜上、各センサ２における計測処理を、第１ループ処理によりセンサ２毎に順次行うような処理フローとなっているが、複数のセンサ２が並行的に計測処理を行うよう制御してもよい。ループ処理のように各センサ２における計測タイミングが異なる場合、交点となる各計測点５で得られる流速４は異なるタイミングで計測されたものであり、これらを合成して得られる合成流速７は厳密にはある時点での実際の流速を表したものではないが、時間的な乖離は小さいことからこれに近似するものとして取り扱うことができる。

全てのセンサ２について全ての音波発信方向６における複数の計測点５での流速４の測定が終了すると、次に、流場計算部３３が、計測点５の各交点における合成流速７を計算する。すなわち、メッシュ情報３６から計測点５の各交点の情報を取得し（Ｓ０６）、全ての交点について処理を行う第３ループ処理を開始する（Ｓ０７）。第３ループ処理では、対象の交点に対応する各計測点５における流速４のデータを測定データ３５から取得し、これらを合成することで合成流速７を計算して流場データ３８に記録し（Ｓ０８）、次の交点の処理に移る（Ｓ０９、Ｓ０７）。全ての交点について合成流速７を計算すると、第３ループ処理を終了する（Ｓ０９）。

各交点の合成流速７は、予め設定情報３７等に定められた方法もしくはユーザから指定された方法その他所定の方法により（例えば、図１の下段の図や図２などに示した方法により）、インタフェース部３４を介して出力する。その後は、インタフェース部３４を介したユーザからの指示や、所定の条件（例えば、船の停止等）に起因する制御部３１からの指示等に基づいて、流場測定処理の終了が要求されているか否かを判定し（Ｓ１０）、終了要求がされていない場合にはステップＳ０１以降の処理を繰り返して流場測定処理を継続する。終了要求がされている場合には流場測定処理を終了する。

＜変形例＞
本実施の形態では、複数のセンサ２が音波発信方向６を走査しながら計測した複数の計測点５の交点においてそれぞれ得られた流速４を合成することで各交点での合成流速７を計算しているが、流場を求める際のメッシュにおける交点の位置は各計測点５およびこれらの交点の位置とは無関係に別の任意の位置に設けることも可能である。

図５は、任意の位置の合成流速７を近傍の複数の計測点５の流速４から求める例について概要を示した図である。図５の例では、実際の音波発信方向６とは無関係に、ユーザが流場を求めるために設定した格子状のメッシュの一部（ｘ＝１〜３、ｙ＝１〜３）を示しており、その中の点Ｐ（ｘ＝２，ｙ＝２）の点における合成流速のｙ方向成分（合成流速７ｙ）を求める場合の例を示している。図中ではさらに、２つのセンサ２（図示しない）における音波発信方向６をそれぞれ矢印で示し（音波発信方向６ａ、６ｂ）、各音波発信方向６上における点Ｐの近傍の計測点５（計測点５ａ＿１、５ａ＿２、および計測点５ｂ＿１、５ｂ＿２）を示している。

図５の例では、各音波発信方向６と、メッシュにおけるｘ＝２の格子との交点（点Ｑａ、点Ｑｂ）上での流速４（流速４ａ、流速４ｂ）のｙ方向成分（流速４ｙａ、流速４ｙｂ）をそれぞれ求め、これらを要素として合成して合成流速７ｙを得ている。

点Ｑａ、点Ｑｂ上での流速４ａ、流速４ｂについて、例えば、点Ｑａにおける流速４ａは、音波発信方向６ａ上での点Ｑａの前後の計測点５ａ＿１、計測点５ａ＿２においてそれぞれ測定された流速４ａ＿１および流速４ａ＿２を、点Ｑａと計測点５ａ＿１および計測点５ａ＿２との距離の比で按分したものとして求めることができる。同様に、点Ｑｂにおける流速４ｂは、音波発信方向６ｂ上での点Ｑｂの前後の計測点５ｂ＿１、計測点５ｂ＿２においてそれぞれ測定された流速４ｂ＿１および流速４ｂ＿２を、点Ｑｂと計測点５ｂ＿１および計測点５ｂ＿２との距離の比で按分したものとして求めることができる。

上記のような手法により得られた合成流速７ｙと、同様の手法をｘ方向に対して適用して得られる合成流速７ｘ（図示しない）とを合成することで、点Ｐにおける合成流速７（図示しない）を求めることができる。これにより、複数のセンサ２の音波発信方向６が実際に交差しているか否かに関わらず、所望のメッシュ上の交点について、その近傍の複数の音波発信方向６上の計測点５の流速４から合成流速７を求めることができる。

以上に説明したように、本発明の一実施の形態である流場測定装置および流場測定方法によれば、音波発信方向上の複数の位置における流速を求める多層型船速計の技術を用いる。これにより１回の音波の発信により多数の位置の流速を計測することができ、また、各センサが個別に走査して計測した流速を合成することで合成流速を得るため、船体周囲の多数の位置の流速の計測に要する時間を数Ｈｚ程度の環境の変化に対応できる程度に大幅に短縮することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。例えば、上記の実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、上記の実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

本発明は、船舶の航行等に伴う伴流の分布を測定する流場測定装置および流場測定方法に利用可能である。

１…船体、
２、２ａ、２ｂ…センサ、
３…流場測定処理部、
４、４ａ、４ａ＿１、４ａ＿２、４ｂ、４ｂ＿１、４ｂ＿２、４ｙａ、４ｙｂ…流速、
５、５ａ、５ａ＿１、５ａ＿２、５ｂ、５ｂ＿１、５ｂ＿２…計測点、
６、６ａ、６ｂ…音波発信方向、
７、７ｙ…合成流速、
３１…制御部、３２…計測部、３３…流場計算部、３４…インタフェース部、３５…測定データ、３６…メッシュ情報、３７…設定情報、３８…流場データ

Claims (6)

1. 船舶の周囲の流場を測定する流場測定装置であって、
   船底の複数の計測位置から、それぞれ複数の測定方向につき、前記各測定方向上での複数の異なる計測点における流体の流速を計測する計測部と、
   流体中の複数の対象位置につき、それぞれ、その近傍に所在する複数の要素位置における流速成分を合成して、前記各対象位置における流速を計算する流場計算部と、を有し、
   前記各要素位置は、船底の前記各計測位置からの所定の前記測定方向上の所定の前記計測点であり、前記流速成分は、前記各要素位置においてそれぞれ前記計測部により計測された流速成分である、流場測定装置。
2. 請求項１に記載の流場測定装置において、
   前記各要素位置は、船底の前記各計測位置からの所定の前記測定方向上の所定の位置であり、前記流速成分は、前記各要素位置の近傍の前記計測点において前記計測部により計測された流速成分に基づいて算出されたものである、流場測定装置。
3. 請求項１または２に記載の流場測定装置において、
   前記計測部は、前記各計測位置につき、それぞれ、一定範囲で前記測定方向を一定間隔で変化させながら、前記各測定方向において複数の前記計測点における流速をそれぞれ一括して計測する、流場測定装置。
4. 船舶の周囲の流場を測定する流場測定方法であって、
   船底の複数の計測位置から、それぞれ複数の測定方向につき、前記各測定方向上での複数の異なる計測点における流体の流速を計測する第１の工程と、
   流体中の複数の対象位置につき、それぞれ、その近傍に所在する複数の要素位置における流速成分を合成して、前記各対象位置における流速を計算する第２の工程と、を有し、
   前記各要素位置は、船底の前記各計測位置からの所定の前記測定方向上の所定の前記計測点であり、前記流速成分は、前記各要素位置においてそれぞれ前記計測部により計測された流速成分である、流場測定方法。
5. 請求項４に記載の流場測定方法において、
   前記各要素位置は、船底の前記各計測位置からの所定の前記測定方向上の所定の位置であり、前記流速成分は、前記各要素位置の近傍の前記計測点において前記計測部により計測された流速成分に基づいて算出されたものである、流場測定方法。
6. 請求項４または５に記載の流場測定方法において、
   前記第１の工程では、前記各計測位置につき、それぞれ、一定範囲で前記測定方向を一定間隔で変化させながら、前記各測定方向において複数の前記計測点における流速をそれぞれ一括して計測する、流場測定方法。