風水洞における自由表面影響を考慮した海上風境界層制御に関する実験的研究

• 研究課題/領域番号: 20K04952
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分24020:船舶海洋工学関連
• 研究機関: 国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所
• 研究代表者: 佐藤 宏 国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所, その他部局等, 研究員 (70435775)
• 研究分担者: 長谷川 賢太 国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所, その他部局等, 研究員 (20772130) ; 石田 圭 国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所, その他部局等, 研究員 (60636827) ; 湯川 和浩 国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所, その他部局等, 研究員 (80435776)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 中途終了 (2020年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2022年度: 260千円 (直接経費: 200千円、間接経費: 60千円); 2021年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円); 2020年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円)
• キーワード: 海上風 / 風水洞 / 自由表面影響 / 境界層制御 / 波浪中

研究開始時の研究の概要

変動風水洞において自由表面影響を考慮した風速の鉛直プロファイルや乱れ度、スペクトルの制御技術に関する研究を実施する。風速の低周波数変動は変動風水洞の変動風システム制御により制御し、高周波数変動は粗度部材、変動風水洞の造波機能を組み合わせることで実海域の風特性を再現できる技術を確立する。

研究実績の概要

自由表面影響を考慮した風速の鉛直プロファイルを作成するため、変動風水洞で平水中の風速分布計測を行ない、海上風を模擬した風速の鉛直プロファイルを再現するための技術検討を行った。水深1.5mの状態で変動風水洞の基本特性を調査するため、定常風（5、15、25m/sec）の鉛直方向の風速分布計測を水槽先端から4.5、7.5、10.5mの3か所で水面下10～1200mm（水面付近は詳細）で計測を実施した。計測は水面付近の乱流を計測するため100KHzで収録、また、水面付近への風の流入角度を調整するための可動床の傾斜角度を5、10degの2種類で計測し、風速影響、計測位置による影響及び可動床の傾斜角度影響を調査した。海上風の風速を表現するべき法則（1/7乗）による鉛直分布を再現する方法として粗度部材を用いた手法の検討を行った。粗度部材には45、90mmの角材を可動床に設置した。また、自由表面が風速に及ぼす影響を調べるために、規則変動風（平均風速、15m/sec、変動周期30、50sec、変動振幅を±25、50％）を用いて風速分布の計測を行なった。定常風による風速分布の計測結果では、計測の前後位置の違いにより水面上300mmの高さ付近まで風速の無次元値に差が生じたが、それ以上ではほぼ同じ値となった。可動床の角度による大きな差も見られなかった。粗度部材を用いた計測では可動床の傾斜角度が5deg、粗度部材90mmの場合に海上風の鉛直分布を表現した1/7乗則に最も近い結果が得られた。最後に実施した変動風の計測では、自由表面の有無が風速に及ぼす影響を調べた。その結果、水面上100mmの高さでは自由表面のある場合がない場合に比べ平均40％小さくなった。本計測は使用した粗度部材のサイズは2種類であり、もう少し詳細な検討が必要である。更に、今回は平水中での計測であったため波浪中での計測も必要であると考えられる。