Development of a method to estimate fluctuating pressure on ship stern based on bubble dynamics and construction of a comprehensive optimization system for propeller design

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18K04584
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 安東 潤 九州大学, 工学研究院, 教授 (60211710)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: プロペラ / キャビテーション / 舶用工学

Outline of Annual Research Achievements

プロペラの最適設計は、船尾伴流中でプロペラ翼面上に発生するキャビテーションによって誘起される船尾変動圧力に配慮して行われる。この際、プロペラ効率は原型並みで変動圧力を減らしたい、もしくは変動圧力は原型並で、できるだけプロペラ効率を向上させたいといった要求がある。プロペラ効率および変動圧力はトレードオフの関係にあるため、両者を目的関数とする多目的最適化問題とみなすことができる。本研究の主な目的は、プロペラ効率と変動圧力を目的関数とするプロペラ翼形状の多目的最適化計算法の開発を目指すものである。
まず、変動圧力と相関のあるキャビティ面積およびプロペラ効率を目的関数とする多目的最適化問題を解く手法を開発し、その妥当性を模型試験によって確認した。原型プロペラは、749総トン型一般貨物内航船用に海上技術安全研究所において設計されたものであり、改良プロペラの模型試験の結果、設計点付近でプロペラ効率が約2%向上し、キャビテーションによる変動圧力が減少していることが確認された。
次に、変動圧力とより強い相関のあるキャビティ体積を求める計算法を開発した。この方法は、定常な一様流中の2次元翼に発生したキャビテーションの形状を気泡力学に基づいて推定する方法をプロペラ翼に適用するものである。キャビテーションの厚みを積分することでキャビティ体積が得られる。この方法により青雲丸Ⅰ世の通常型プロペラおよびハイリースキュードプロペラの船尾伴流中でのキャビティ体積の変化を計算したところ、実験結果との良好な一致が確認された。
また、プロペラの設計において実用上重要なプロペラ翼強度の評価については、日本海事協会のプロペラ翼厚に関する規則に従い、最適化計算の中でプロペラ翼厚を制約条件として考慮することで、プロペラの流体力学的最適化だけではなく翼強度も考慮したプロペラの総合的な最適化システムが構築できた。