2017 年度実施状況報告書

船尾伴流分布とプロペラ形状の最適化を考慮した高性能プロペラ設計法に関する研究

研究課題

研究課題/領域番号	16K06920
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	白石耕一郎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 (40586591)
研究分担者	一ノ瀬康雄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 (00550021) 澤田祐希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 (60711356) 新川大治朗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 (40785549)
研究期間 (年度)	2016-04-01 – 2019-03-31
キーワード	伴流設計システム / 応答曲面法 / 差分進化
研究実績の概要	本年度は、前年度に整備した船型（伴流）データベースを用いて、少ないパラメータで多様な船型（伴流）を表現することが可能な伴流設計システムの開発を行った。このシステムを用いることによって、従来はフーリエ級数を用いて表現していた伴流分布が、船型Blending手法におけるBlending factorのみで表現することが可能となり、大幅にパラメータを減らすことが可能であることを確認した。伴流分布及びプロペラ形状最適化を行う場合、最適化の過程でプロペラ性能計算を幾度となく行う必要があり、この計算時間が長いと最適化計算も長くなり、短時間でより優れた解を探索することが困難となる。この問題を解決するために、応答曲面法を用いる方法を新たに採用した。この方法では、あらかじめプロペラの設計変数による応答（目的関数）の変化を応答曲面（近似多項式）に表し、プロペラ翼形状最適化の過程の性能評価において応答曲面を用いることで，最適化に要する時間を抑えることのできる最適化手法である。今年度は、本手法を実装したプロペラ形状最適化プログラムを開発し、従来の方法よりも短時間で優れた解を探索できることを確認した。今年度は本最適化問題に適した最適化アルゴリズムについて研究調査を行い、現時点で最も有効なアルゴリズムの選定を行った。その結果、差分進化の一手法であるJADE（Adaptive Differential Evolution）が様々なベンチマーク問題において有効であることが分かった。JADEの有効性を確認するために、JADEを実装した最適化プログラムを開発し、当初実装を予定していたCMA-ES(共分散行列適応進化戦略)と比較計算を行った。その結果、JADEはCMA-ESに比べ、約5倍以上の性能を有することを確認した。
現在までの達成度 (区分)	現在までの達成度 (区分) 2: おおむね順調に進展している理由研究当初はフーリエ級数を用いた伴流分布表現を予定していたが、船型Blending手法を用いた船型データベースを構築していく過程で、Blending factorのみで伴流分布を表現可能であることを発見した。これによって最適化計算における設計変数を大幅に減らすことが可能となり、飛躍的に探索効率を向上する。また、今年度の成果で、本項目において予定していた内容が全て完了した。プロペラ形状最適化計算で計算時間のボトルネックとなるプロペラ性能計算を応答曲面法による近似手法を採用することで解決した。これによって、計算時間の短縮が可能となり、実用的な時間で伴流分布及びプロペラ形状最適化問題を解くことが可能となる。当初実装を予定していたCMA-ESよりも有効な最適化アルゴリズムであるJADEを見つけ出し、その最適化プログラムを開発した。これによって、最適化計算の更なる時間短縮が可能となる。
今後の研究の推進方策	平成30年度は、対象船である内航船の船型（伴流分布）と対象プロペラの翼形状の同時最適化を行い、数値計算において開発した手法によって対象プロペラよりも優れたプロペラを設計できることを確認する。そして、数値計算において最適化したプロペラの模型プロペラを製作し、プロペラ単独性能試験及びキャビテーション試験を実施する。模型試験において開発した手法の有効性の確認を行う。なお、数値計算を行うための計算機の整備及び模型プロペラの製作を行う。また、これまでの研究成果について学会発表及び論文発表を行う予定である。
次年度使用額が生じた理由	本研究では、複数台の計算機を用いてプロペラ形状の最適化計算を分散して実施することになっており、分散最適化計算を制御するためのPCを計上していた。本年度は最適化プログラムの整備を優先しておこなったため、分散計算環境の整備を行わなかったため、分散最適化計算用PCを購入しなかった。次年度は、分散最適化計算の環境を整備を行い、その整備に必要なPCの購入も行う。