JPH09183396A - 船体摩擦抵抗低減方法及び該方法の実施に用いる微小気泡発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小さな吹き出し圧力で微小気泡を発生させ
て、船底を微小気泡で覆えるようにする。 【解決手段】 船体１における船首部２の浸水部にて船
底３に向かうようになっている流線４上の位置で且つ静
圧の小さい位置に、空気の吹き出し口５を設ける。吹き
出し口５部で加圧空気１１の吹き出しにより発生させた
微小気泡１２を、流線４に沿わせて船底３に廻り込ませ
ることにより所要のボイド率を生じさせ、航行時の船体
摩擦抵抗を低減させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は航行時に船体表面に
作用する摩擦抵抗を低減できるようにする船体摩擦抵抗
低減方法及び該方法の実施に用いる微小気泡発生装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】船舶の航行時には、流体としての海水の
粘性のために船体の周りに海水による境界層が形成され
るが、この境界層の中では、海水の流速は船体表面が零
で船体表面から離れるに従い急激に大きく変化する傾向
にあり、船体の表面に海水の摩擦抵抗が作用し船体抵抗
の大きな要素の一つとなっている。

【０００３】そのため、近年、上記船体の表面に作用す
る摩擦抵抗を減少させて推進性能を向上させるための研
究が進められており、その対策の一つとして、船体表面
から微小気泡（マイクロバブル）を噴出させ、船体の浸
水部（没水部）表面の境界層内に微小気泡を吹き込んで
船体の浸水部表面を微小気泡で覆うことにより船体表面
に作用する摩擦抵抗を低減することを狙ったマイクロバ
ブル推進法の研究が進められている。

【０００４】マイクロバブル推進法を具現化するための
一つの方法として、空気ポンプ等の空気供給装置で発生
させた加圧空気を船底から水中へ吹き出させて、船底に
微小気泡による所要のボイドを形成させるようにするこ
とが考えられる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、加圧空気を
船底から水中に吹き出させて微小気泡を発生させる技術
では、船底部の静圧が大きいことから、加圧空気吹き出
し時のエネルギー消費が大きく、摩擦抵抗低減によるエ
ネルギー節約よりも、微小気泡発生のためのエネルギー
消費の方が大きくなってしまうので、実用化を図る上で
難点がある。

【０００６】そこで、本発明は、小さな吹き出し圧力で
微小気泡を発生させて浸水部表面に所要のボイド率を生
じさせるようにすることにより船体摩擦抵抗を低減させ
ることができるような船体摩擦抵抗低減方法及び該方法
の実施に用いる微小気泡発生装置を提供し、以て、マイ
クロバブル推進法の具現化に寄与することができるよう
にしようとするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、乱流拡散を考慮した船体周りにおける気
泡運動とボイド率分布を求めて、浸水部の任意の個所に
所要のボイド率を生じさせるように、船首部の浸水部に
て船底に向かう流線上の位置で且つ静圧の小さい位置か
ら所要径の微小気泡を発生させ、発生させた微小気泡を
流線に沿わせて船底に廻り込ませるようにする船体摩擦
抵抗低減方法とする。

【０００８】これにより、船体の浸水部を微小気泡で覆
うことができて浸水部のボイド率を向上させることがで
き、船体に作用する摩擦抵抗を低減できるようになる。

【０００９】又、船体船首部の浸水部にて船底に向かう
流線上の位置で且つ静圧の小さい位置に、加圧空気の吹
き出し口を設け、加圧空気供給装置に接続した空気送給
管を、上記吹き出し口に接続した構成を有する微小気泡
発生装置とした場合、吹き出し口の部分で発生した微小
気泡が流線に沿って船底に廻り込むことから、加圧空気
の吹き出し圧力が小さくて済むことになる。

【００１０】更に、吹き出し口を、上下方向に複数個所
に設定し、空気送給管に設けた流量調整弁の操作によっ
て使用する吹き出し口を選定できるようにすると、吃水
の変化に対応できることになる。

【００１１】一方、吹き出し口を、前後方向にも複数個
所設定した場合は、船速の変化に応じて最適位置の吹き
出し口を選定できるようになる。

【００１２】又、シーチェストの前面を多孔の空気吹き
出し面としてなる空気吹き出し器を吹き出し口に配置し
た場合は、微小気泡を容易に発生させることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。

【００１４】図１（イ）（ロ）（ハ）は本発明の船体摩
擦抵抗低減方法の実施に用いる微小気泡発生装置の実施
の一形態を示すもので、船体１における船首部２の浸水
部左右舷側位置にて船底３に向かうようになっている流
線４上の位置で且つ最も静圧の小さい位置（吃水線Ｄ．
Ｌよりもやや下側位置）に、加圧空気の吹き出し口５を
それぞれ設ける。一方、船体１の船首部２内に基台６を
設置し、該基台６上に、電動機７によって駆動されるブ
ロワ８を加圧空気供給装置として設置して図示しない空
気取入口に接続し、該ブロワ８に一端を接続した流量調
整弁１３付きの空気送給管９の他端側を左右に分岐さ
せ、該分岐させた空気送給管９の他端を、上記吹き出し
口５に取り付けた空気吹き出し器１０に接続し、吹き出
し口５より加圧空気１１を吹き出させて発生させた所要
径の微小気泡１２を、上記流線４に沿わせて船底３に廻
り込ませるようにする。

【００１５】上記空気吹き出し器１０は、前面を開口さ
せたボックス形状のシーチェスト１５の上記前面の開口
部に、多数の細孔１６を所要の配列ピッチで穿設した平
板１４を取り付けて空気吹き出し面とし、平板１４の表
面を吹き出し口５に一致させるように該吹き出し口５に
組み付けるようにしてある。なお、上記細孔１６は、平
板１４の表面に対して直角に穿設してある。

【００１６】本発明者等は、船体形状が与えられると、
船体周りにおいて流線に沿って流れる微小気泡の乱流拡
散を考慮した運動と任意位置でのボイド率分布を求める
計算式を確立した。乱流拡散の影響は、等方性乱流の仮
定の基で乱数を用いて、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸（上向き）方
向の流速を変動させ、微小気泡の軌跡に乱れを与えるこ
とにより考慮した。すなわち、微小気泡のランダムな運
動をモンテカルロ法により直接的にシミュレートした。
微小気泡の運動が計算されると、ボイド率は、ある時刻
における検査領域内（セル内）に存在する微小気泡の体
積で除することにより求めることができる。

【００１７】したがって、このようにして求めたボイド
率の分布を基に、摩擦抵抗低減に効果のある高いボイド
率が生じるような流線の軌跡を求めて、上記の吹き出し
口５の位置を決定した。

【００１８】巡航速度での航行時に、ブロワ８を電動機
７で駆動して、加圧空気１１を空気送給管９を通しシー
チェスト１５内に導き、前面の細孔１６を通して水中へ
吹き出させるようにすると、発生した微小気泡１２が流
線４に沿って船底３に廻り込み、船首側から船尾側に流
れて船底３を覆うことにより、船底３に微小気泡による
ボイドが形成されることになり、このボイドの存在によ
り船体１の摩擦抵抗を低減することができる。

【００１９】上記において、微小気泡１２は、加圧空気
１１が平板１４に直角に穿設された細孔１６を通過する
際のオリフィス作用によって発生するもので、細孔１６
と該細孔１６に接する水との相対移動により容易且つ確
実に気泡化される。しかも、吹き出し口５は静圧の最も
小さい位置に設定してあることから、微小気泡１２を発
生させる際の動力は小さくて済む利点がある。なお、上
記細孔１６の直径は、船体１の設計時において、巡航速
度での航行時に最適直径の微小気泡１２が発生させられ
るように選定するものであるが、船体１の航行速度の変
更に伴って微小気泡１２の直径を変える必要が生じた際
には、流量調整弁１３の開度調整により加圧空気の供給
流量を調整することによって対応することができる。

【００２０】次に、図２は本発明の微小気泡発生装置の
他の実施の形態を示すもので、図１に示したと同様な構
成において、吹き出し口５の下部位置に吹き出し口５を
もう１個所増設して、上下２個所とし、下部位置の吹き
出し口５にも、同様に空気送給管９に接続された空気吹
き出し器１０を配置して、使用する吹き出し口５の位置
を上下で選択できるようにしたものである。

【００２１】図２に示すように構成した場合、たとえ
ば、空荷時等のように吃水線Ｄ．Ｌが二点鎖線で示すよ
うに下がったようなときに、上部の吹き出し口５の空気
吹き出し器１０に接続されている空気送給管９途中の流
量調整弁１３を閉じ、下部の吹き出し口５の空気吹き出
し器１０に接続されている空気送給管９途中の流量調整
弁１３を開いて、下部の吹き出し口５の位置から微小気
泡１２を発生させるようにする。これにより、吃水線
Ｄ．Ｌの変化に対応して微小気泡１２を発生させること
ができて、船底３に良好なボイド率のボイドを形成保持
させることができる。なお、上記吹き出し口５は上下方
向に３個所以上設定してもよい。

【００２２】次いで、図３は本発明の更に他の実施の形
態を示すもので、図１に示したと同様な構成において、
吹き出し口５を、上下方向と前後方向（船首尾方向）の
いずれの方向にも所要間隔を隔てて並ぶように複数個所
宛設定し（図では合計９個所）、各吹き出し口５に、空
気送給管９に接続された空気吹き出し器１０を配置した
ものである。

【００２３】図３に示すように構成すると、吃水線Ｄ．
Ｌの変化のみならず、船速の変化に対して極め細かに対
応することができる。すなわち、船速が変化した場合、
船底３に向かう流線の位置が微妙に変化するので、この
流線の位置の変化に対応して最適位置の吹き出し口５か
ら微小気泡１２を発生させることができる。この場合、
各吹き出し口５の空気吹き出し器１０用の流量調整弁１
３を開閉操作するが、船速に応じて自動的に開閉制御で
きるようにしておくと更に有利である。

【００２４】なお、上記実施の形態では、吹き出し口５
に、多孔板型式の空気吹き出し器１０を配置した場合を
示したが、スリット型式の空気吹き出し器１０や、ある
いは、吹き出し口５自体が吹き出しノズルとなるような
型式であってもよいこと、その他本発明の要旨を逸脱し
ない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論であ
る。

【００２５】

【実施例】図４（イ）（ロ）は図１に示す船体１の船底
についての気泡被覆状態シミュレーション結果を示すも
ので、（イ）は直径が５００μm の微小気泡１２を吹き
出し口５から発生させた場合で、船底３が全長に亘って
微小気泡１２によって覆われ、良好なボイドが形成され
た状態となっている。（ロ）は直径が１０００μmの微
小気泡１２を吹き出し口５から発生させた場合で、微小
気泡１２は径が大きく浮上力が大き過ぎるため、船底３
へ廻り込む前に浮上してしまい、船底３でのボイドが消
失した状態となっている。これらの結果から、微小気泡
１２は、径が大き過ぎると、流線に乗せても船底３に廻
り込めないことが判明した。

【００２６】次に、図５（イ）（ロ）（ハ）（ニ）は図
１に示す船体１における吹き出し口５から直径が５００
μm の微小気泡１２を発生させた場合において、船尾垂
線Ａ．Ｐから船首垂線Ｆ．Ｐまでの垂線間長さを１０等
分したときの船尾垂線Ａ．Ｐからの各スクエアステーシ
ョンＳ．Ｓ．５、Ｓ．Ｓ．１、Ｓ．Ｓ．1/2 、Ｓ．Ｓ．
1/4 部でのガース方向のボイド率分布の計算結果を示す
もので、又、図６（イ）（ロ）（ハ）（ニ）は直径が１
００μm の微小気泡１２を発生させた場合についての同
位置でのボイド率分布の計算結果を示すものである。

【００２７】図５（イ）（ロ）（ハ）（ニ）に示す如
く、直径が５００μm の微小気泡１２を発生させた場合
は船尾から抜けるまでボイド率の高いボイドを形成して
いる状態となっているが、図６（イ）（ロ）（ハ）
（ニ）に示す如く、直径が１００μm の微小気泡１２を
発生させた場合は、、船尾に近付くに連れて極めて広範
に拡散してボイド率が低い状態となっている。これらの
結果から、微小気泡１２は、径が小さ過ぎると、流線に
乗って船底３に廻り込んでもボイド率を高くできないこ
とが判明した。

【００２８】

【発明の効果】以上述べた如く、本発明によれば、次の
如き優れた効果を発揮する。 (1) 乱流拡散を考慮した船体周りにおける気泡運動とボ
イド率分布を求めて、浸水部の任意の個所に所要のボイ
ド率を生じさせるように、船首部の浸水部にて船底に向
かうようになっている流線上の位置で且つ静圧の小さい
位置から所要径の微小気泡を発生させ、発生させた微小
気泡を流線に沿わせて船底に廻り込ませるようにするの
で、船体の船底を含む浸水部表面を微小気泡で覆うこと
ができて船底の任意の点のボイド率を向上させることが
でき、これにより、船体に作用する摩擦抵抗を低減する
ことができて、船舶の推進性能を飛躍的に向上させるこ
とができる。 (2) 船体船首部の浸水部にて船底に向かうようになって
いる流線上の位置で且つ静圧の小さい位置に、加圧空気
の吹き出し口を定め、加圧空気供給装置に一端を接続し
た空気送給管の他端を、上記吹き出し口に接続した構成
とすることにより、加圧空気の吹き出し口を船底に設け
る場合に比して小さな動力で行わせることができ、船舶
航行時のエネルギー消費量を少なくすることができる。 (3) 吹き出し口を、上下方向に複数個所に設定し、空気
送給管に設けた流量調整弁の操作によって使用する吹き
出し口を選定できるようにすることによって、吃水の変
化に対応することができる。 (4) 吹き出し口を前後方向にも増設すると、船速の変化
に対しても対処することができる。 (5) 吹き出し口に多孔板型式の空気吹き出し器を配置す
ることにより、微小気泡を容易に発生させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態の概要を示すもので、
（イ）は一部切断側面図、（ロ）は（イ）の切断平面
図、（ハ）は空気吹き出し器を拡大して示す斜視図であ
る。

【図２】本発明の他の実施の形態を示す概略図である。

【図３】本発明の更に他の実施の形態を示す概略図であ
る。

【図４】船底の気泡被覆状態シミュレーション結果を示
すもので、（イ）は直径が５００μm の微小気泡を吹き
出し口から発生させた場合を、又、（ロ）は直径が１０
００μm の微小気泡を吹き出し口から発生させた場合を
それぞれ示す船体底面図である。

【図５】直径が５００μm の微小気泡による船体ガース
方向断面内での被覆状況を求めた結果を示すもので、
（イ）はスクエアステーションＳ．Ｓ．５部でのボイド
率分布図、（ロ）はスクエアステーションＳ．Ｓ．１部
でのボイド率分布図、（ハ）はスクエアステーション
Ｓ．Ｓ．1/2 部でのボイド率分布図、（ニ）はスクエア
ステーションＳ．Ｓ．1/4 部でのボイド率分布図であ
る。

【図６】直径が１００μm の微小気泡による船体ガース
方向断面内での被覆状況を求めた結果を示すもので、
（イ）はスクエアステーションＳ．Ｓ．５部でのボイド
率分布図、（ロ）はスクエアステーションＳ．Ｓ．１部
でのボイド率分布図、（ハ）はスクエアステーション
Ｓ．Ｓ．1/2 部でのボイド率分布図、（ニ）はスクエア
ステーションＳ．Ｓ．1/4 部でのボイド率分布図であ
る。

【符号の説明】

１ 船体 ２ 船首部 ３ 船底 ４ 流線 ５ 吹き出し口 ８ ブロワ（加圧空気供給装置） ９ 空気送給管 １０ 空気吹き出し器 １１ 加圧空気 １２ 微小気泡 １３ 流量調整弁 １４ 平板（空気吹き出し面） １５ シーチェスト １６ 細孔

フロントページの続き (72)発明者 吉田 有希 東京都江東区豊洲二丁目１番１号 石川島 播磨重工業株式会社東京第一工場内 (72)発明者 増子 章 神奈川県横浜市磯子区新中原町１番地 石 川島播磨重工業株式会社技術研究所内 (72)発明者 渡辺 修 神奈川県横浜市磯子区新中原町１番地 石 川島播磨重工業株式会社技術研究所内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 乱流拡散を考慮した船体周りにおける気
   泡運動とボイド率分布を求めて、浸水部の任意の個所に
   所要のボイド率を生じさせるように、船首部の浸水部に
   て船底に向かう流線上の位置で且つ静圧の小さい位置か
   ら所要径の微小気泡を発生させ、発生させた微小気泡を
   流線に沿わせて船底に廻り込ませるようにすることによ
   り、航行時の船体摩擦抵抗を低減させることを特徴とす
   る船体摩擦抵抗低減方法。
2. 【請求項２】 船体船首部の浸水部にて船底に向かう流
   線上の位置で且つ静圧の小さい位置に、加圧空気の吹き
   出し口を設け、加圧空気供給装置に接続した空気送給管
   を、上記吹き出し口に接続した構成を有することを特徴
   とする微小気泡発生装置。
3. 【請求項３】 吹き出し口を、上下方向に複数個所に設
   定し、空気送給管に設けた流量調整弁の操作によって使
   用する吹き出し口を選定できるようにした請求項２記載
   の微小気泡発生装置。
4. 【請求項４】 吹き出し口を、前後方向に複数個所設定
   した請求項３記載の微小気泡発生装置。
5. 【請求項５】 シーチェストの前面を多孔の空気吹き出
   し面としてなる空気吹き出し器を吹き出し口に配置した
   請求項２、３又は４記載の微小気泡発生装置。