JP2001278176A - 摩擦抵抗低減船 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 摩擦抵抗を効率良く低減するとともに、船体
の建造コストを抑えることができる摩擦抵抗低減船を提
供する。 【解決手段】 摩擦抵抗低減船Ｍは、没水表面１２に気
泡４２を放出するための気泡発生装置１１を備えてお
り、この気泡発生装置１１は、船体１０から水中に向か
って突出するように形成された前段部２２及び後段部２
３と、気体空間ＡＲと連通した排出口３１とを備えてい
る。船体１０に対して作用する流れ４０によって排出口
３１近傍には負圧箇所４１が生成されるので、気体空間
ＡＲの気体は負圧箇所４１に導かれる。このとき、前段
側先端部２２ａによって水の剥離領域Ｈが生成されるた
め、排出口３１から排出された気泡４２の径は細かくな
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、航行する船体の没
水表面に気泡を放出する機能を備えた摩擦抵抗低減船に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、船舶等の航行時のエネルギー
消費を節減することを目的として、水中に気体を送り込
み、船体外板の表面（没水表面）に多数の気泡を放出し
て、船体と水との摩擦抵抗を低減する方法が提案されて
いる。

【０００３】水中に気泡を発生させる技術は、特開昭５
０−８３９９２号公報、特開昭５３−１３６２８９号公
報、特開昭６０−１３９５８６号公報、特開昭６１−７
１２９０号公報、実開昭６１−３９６９１号公報、実開
昭６１−１２８１８５号公報などに開示されている。

【０００４】これらの技術は、ポンプやブロア等の装置
によって加圧した気体を、船体に設けられた複数の孔や
多孔板から水中に噴出することによって、水中に気泡を
発生させるものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、加圧し
た気体を水中に噴出する方法であると、加圧用装置の稼
動エネルギーが必要となるため、船体の摩擦抵抗を低減
して消費エネルギーを低減したとしても、稼働エネルギ
ーによってエネルギーの節約分が目減りしてしまう。特
に、大型船の船底等、比較的水深の大きい部分において
水中に気体を噴出させる場合には、水圧（静水圧）に対
応して高い圧力に気体を加圧する必要があり、多大なエ
ネルギーを消費してしまう。また、加圧用装置を船体に
設置することにより、設備コストや施工コスト等、多大
なコストが生じてしまう。

【０００６】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たものであって、摩擦抵抗を効率良く低減するととも
に、船体の建造コストを抑えることができる摩擦抵抗低
減船を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明の摩擦抵抗低減船は、船体の没水表面に気泡
を放出する気泡発生装置を備えた摩擦抵抗低減船におい
て、気泡発生装置は、船体から水中に向かって突出する
ように形成され、この船体に対する相対的な水の流れに
より気体空間に対して低圧となる負圧箇所を水中に生成
する負圧生成部と、気体空間と負圧生成部とを連通し、
気体空間から水中の負圧箇所に気体を導くための流体流
路と、負圧生成部に設けられ、流体流路により導かれた
気体を水中に排出する排出口と、排出口近傍に設けら
れ、船体に対して相対的に流れる水の剥離領域を生成す
る剥離生成部とを備えることを特徴とする。

【０００８】本発明によれば、船体から水中に向かって
突出する負圧生成部を設けることにより、気体空間に対
して負圧となる負圧箇所を水中に生成することができ
る。すなわち、図４に示すように、船体１が所定の船速
Ｖｓで航行すると、船体１に対して相対的な水の流れ２
が生成される。このとき、船体１から水中に向かって突
出する負圧生成部３によって水の流路が狭められると、
局所的に静水圧が下がり、所定の深さの水中（例えば、
負圧生成部３の頂部付近の水中）において、負圧箇所４
が形成される。負圧箇所４が形成されると、圧力勾配力
により、気体が流体通路５内を流動し、水中の所定の深
さに送り込まれる。このように、船体の航行によって生
じる、船体に対する相対的な水の流れを利用して負圧箇
所４を生成し、水中に気体を送り込むようにするので、
気体を加圧する必要がなく、従来の加圧方式に比べて、
水中に気体を送り込むときに消費されるエネルギーを低
く抑えることができる。したがって、建造コストを抑え
つつ効率良い摩擦抵抗の低減を行うことができる。

【０００９】このとき、流体流路により導かれた気体を
水中に排出する排出口の近傍に、船体に対して相対的に
流れる水の剥離領域を生成する剥離生成部を設けること
により、排出口から水中に排出された気体（気泡）は、
水の剥離領域によって生成される強いせん断力を受けて
更に径の細かい気泡となる。このとき、気泡の径が小さ
いほど、摩擦抵抗の低減効果は大きいので、摩擦抵抗の
低減効果は向上する。

【００１０】この剥離生成部は、船体の推進方向に沿っ
て段差を有する段差部を備えているので、船体に対して
相対的に流れる水は、この段差部によって剥離する。

【００１１】剥離生成部は、排出口より船体の進行方向
前方側に設けられこの排出口より水中側に突出する前段
部を備えているので、排出口から排出された気泡は安定
して水中に混入される。

【００１２】つまり、図４に示す水中の気泡６には、水
の流れにより様々な力が作用する。その力の一例を表１
に示す。

【００１３】

【表１】

【００１４】例えば、図４に示すように、負圧生成部３
が船底から突出して形成されている場合、流体通路５内
を流動した気体は、気体と液体（水）との境界面７（気
液界面）に到達した後、負圧箇所４による圧力勾配力
と、次に説明する揚力との作用を受けて気泡６として水
中に移動し、その後、抗力（粘性力）により水に乗って
流れる。

【００１５】揚力は、気泡６の周囲の水の流れ２が渦度
を有するときに生じるものであり、その力の方向は、渦
度ベクトルωと気液相対速度ベクトルｕｓとの外積によ
って得られるベクトルの逆方向である。また、その大き
さは気泡の体積Ａｖと液体の密度ρとに比例する。すな
わち、揚力Ｌｆは、次式によって表される。 Ｌｆ＝−ρ・Ａｖ・ｕｓ・ω （１） ただし、これはＡｕｔｏｎの慣性揚力であり、低レイノ
ルズ数時にはＳａｆｆｍａｎの揚力が作用し、渦度の１
／２乗に比例するようになる。なお、両者とも作用方向
は同じである。

【００１６】船底の境界層には、一般に、渦度を有する
流れが船体外板の表面近傍に集中しており、上述した各
ベクトルは図５のような向きとなる。この図５から分か
るように、船底における揚力Ｌｆは、船体外板から離れ
る方向、すなわち、気液界面７から水中に気泡６が離脱
する方向に作用する。

【００１７】ところが、負圧生成部の形状によっては、
気泡に対して、気液界面に押し戻す方向に比較的大きな
力（抵抗力）が作用することがある。

【００１８】例えば、図４に示す負圧生成部３に沿って
水が流れる場合、水中の気泡６に対する抵抗力として、
次に説明する付加慣性力と圧力勾配力とが作用する。

【００１９】付加慣性力は、液体（水）中におかれた気
泡の付加質量による慣性力であり、気液の密度差を１／
８００とすると、気泡内の気体質量自体に作用する慣性
力に比べて４００倍の大きさとなる。また、水の慣性力
と比べたとき、気泡の慣性力＋付加慣性力は、１／２の
大きさである。このことから、同じ外力が作用したと
き、気泡は水の１＋１／（１／２）＝３倍の加速度を生
じることになる（ただし、抗力を無視したときの最大
値）。

【００２０】すなわち、図６に示すように、凹凸を有す
る物体表面８に沿って水及び気泡６が流れる場合、凹部
である箇所ＰＡ１で水の流れ２が下向きに変わるとき、
気泡６は水の３倍の加速度で下降する。また、凸部であ
る箇所ＰＡ２で水の流れ２が上向きに変わるとき、気泡
６は水の３倍の加速度で上昇する。

【００２１】したがって、前述した図４の負圧生成部３
に沿って水が流れる場合、負圧生成部３の頂部の曲率
（凸部）により、負圧箇所４において水の流れ２が上向
きに変わるとき、気泡６に対して、気液界面７に押し戻
す方向に付加慣性力が作用する。

【００２２】また、この図４の場合、負圧箇所４が水中
の他の箇所に比べて低圧であることから、負圧箇所４に
位置する気泡６に対して、気液界面７に押し戻す方向に
圧力勾配が作用する。

【００２３】そして、このような気液界面に押し戻す方
向の力（抵抗力）が、気泡に対して大きく作用すると、
気液界面から水中に気泡が離脱しにくくなり、水に混入
される気泡の量が抑制され、船体の摩擦抵抗が効果的に
低減しない恐れがある。

【００２４】そこで、気体の排出口近傍に段差部を設け
るとともに、排出口より船体の進行方向前方側にこの排
出口より水中側に突出する前段部を形成して、後段部を
低く設けることにより、気体の離脱に対して抵抗となる
力が作用しても、気液界面から気泡は容易に離脱される
ので、水に混入される気泡の量が増える。したがって、
摩擦抵抗の低減効果は向上する。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明による摩擦抵抗低減
船の一実施形態を、図面を参照しながら説明する。図１
は、本発明の気泡発生装置を備えた摩擦抵抗低減船を示
す図であり、図２は気泡発生装置のうち負圧生成部近傍
を説明するための図であって、図２（ａ）は側方断面図
を、図２（ｂ）は下方（水側）から見た平面図である。

【００２６】図１において、摩擦抵抗低減船Ｍは、船体
１０と、この船体１０に設けられた気泡発生装置１１
と、船体１０の推力を発生させる推進器１３と、船体１
０の推進方向を制御する舵１４とを備えている。そし
て、船体１０の図１中上側（甲板側）は気体空間ＡＲと
なっており、下側は水Ｗとなっている。

【００２７】摩擦抵抗低減船Ｍは、例えばＶＬＣＣ（Ve
ry Large Crude Oil Carrier）などの肥大船であっ
て、他の種類の船舶に比べて、水面（喫水線）１５下の
船体外板（没水表面）１２の面積が比較的大きく形成さ
れている。

【００２８】気泡発生装置１１は、船体１０の推進方向
の前方Ａ側に設けられており、図２に示すように、船体
１０の没水表面１２に配され、水中Ｗ側に向かって突出
するように形成された負圧生成部２０と、船体１０を貫
通し喫水線１５の上下方向において内部空間が開放され
ている流体通路２１とを備えている。

【００２９】負圧生成部２０は、船体１０の推進方向Ｓ
に沿って段差を有する段差部を備えている。この段差部
は、船体１０の船底から下方に向かって突出するように
形成された前段部２２と後段部２３とからなっており、
推進方向Ｓ側（前方Ａ側）に設けられた前段部２２のほ
うが、後段部２３より水中Ｗ側に突出している。また、
前段部２２と後段部２３とは所定距離離間しており、こ
の離間部分によって排出口３１が形成されている。

【００３０】これら前段部２２及び後段部２３の外側面
は滑らかな曲面状に形成されている。この場合、前段部
２２は前方Ａ側から後方Ｂ側に向かって高さが次第に増
すように曲面状に形成されるとともに、排出口３１部分
（後段部２３と対向する部分）は平面状に形成されてお
り、曲面部分と平面部分との間に鋭角状の前段側先端部
２２ａが形成されている。後段部２３は後方Ｂ側から前
方Ａ側に向かって高さが次第に増すように曲面状に形成
されるとともに、排出口３１部分（前段部２２と対向す
る部分）は平面状に形成されており、曲面部分と平面部
分との間に鋭角状の後段側先端部２３ａが形成されてい
る。そして、前段部２２の前段側先端部２２ａは、後段
部２３（後段側先端部２３ａ）より高く形成されてい
る。すなわち、前段部２２は、排出口３１より進行方向
Ｓ前方Ａ側に設けられているとともに、この排出口３１
より水中Ｗ側に突出している。

【００３１】そして、航行時における船体１０に対する
相対的な水の流れを利用して、所定の船速Ｖｓにおい
て、気体空間（大気）ＡＲに対して低圧となる負圧箇所
を水中Ｗに形成するようになっている。

【００３２】このとき、前段部２２及び後段部２３の形
状は、航行時に負圧生成部２０付近の水の流れが所望の
状態になるように、数値流体力学（ＣＦＤ：Computatio
nalFluid Dynamics）による流場解析によって設計され
ている。すなわち、その形状は、水に対する負圧生成部
２０の抗力がなるべく小さくなる条件のもとで、前段部
２２に沿って流れる水の流速が前段側先端部２２ａ及び
排出口３１近傍において最大となるように設定される。

【００３３】流体通路２１は、負圧生成部２０の排出口
３１と、この排出口３１に接続された気体導入管３５の
内部空間３６とから構成され、一端が気体導入管３５の
空気取り入れ口３７を介して気体空間（大気中）ＡＲに
開放されるとともに、他端が負圧生成部２０の排出口３
１を介して水中Ｗに開放されている。このとき、排出口
３１の径は内部空間３６の径より小さく形成されてい
る。

【００３４】気体導入管３５（ＡＩＰ：Air Induction
Pipe）３５は、船体１０に貫通状態に、且つ、負圧生
成部２０に接続状態に設けられ、少ない圧力損失で所望
の流量の流体が流動するように、その内部断面積や形状
が定められている。また、空気取り入れ口３７は、船体
１０における甲板の前方Ａ側に配される。

【００３５】なお、負圧生成部２０及び気体導入管３５
の材質としては、例えば、耐食処理された金属、あるい
は樹脂など、主として表面が海水に対して耐食性を有
し、さらに海成生物が表面に付着しにくいものが好まし
く用いられる。

【００３６】また、負圧生成部２０は、船底の広さに応
じて１つ又は複数配置され、これに応じて気体導入管３
５が配設される。

【００３７】以上説明した構成を有する気泡発生装置１
１を備えた摩擦抵抗低減船Ｍによる船体１０の摩擦抵抗
低減方法について、図３を参照しながら説明する。停船
状態においては、流体通路２１内に、船体１０の周囲と
ほぼ同じ水位まで水（海水）Ｗが入り込んでくる。推進
器１３（図１参照）の推力により船体１０が航行状態に
なると、図３に示すように、船体１０に対して相対的な
水の流れ４０が形成される。

【００３８】航行状態において、船底では、負圧生成部
２０の前段部２２に沿って水が流れ、負圧生成部２０の
前段側先端部２２ａに向かって水の流れ４０が局所的に
狭められる。これにより、負圧生成部２０の前段側先端
部２２ａ近傍における水の流れが速くなり、静水圧が局
所的に低下する（ベルヌーイの定理）。

【００３９】そして、船体１０の航行速度が所定の船速
Ｖｓ（例えば標準航行速度）に達すると、負圧生成部２
０の前段側先端部２２ａ近傍の水中に、大気に対して低
圧となる負圧箇所４１が生成される。

【００４０】この場合にあって、負圧箇所４１に面した
排出口３１付近の圧力が低いために、流体通路２１内の
流体（海水及び空気）には圧力勾配力が作用し、流体通
路２１から海水が排出されたあと、空気取り入れ口３７
から流入した空気が、流体通路２１を流動し、排出口３
１を介して水中に送り込まれる。すなわち、排出口３１
から気泡が水に混入し、この排出口３１近傍に混入部を
形成する。

【００４１】排出口３１には、前段部２２と後段部２３
とによって段差が形成されている。このとき、水の流れ
４０の下流側が低くなるように段差が形成されており、
前段部２２の前段側先端部２２ａを通過した水は、この
前段側先端部２２ａにおいて剥離し、剥離領域Ｈが形成
される。剥離領域Ｈには強いせん断力を伴う低圧域が生
成されるので、流体通路２１を通過した空気は、気泡と
なって水中Ｗに供給されやすくなる。

【００４２】そして、剥離した水Ｗはやがて乱流となっ
て没水表面１２に付着する。排出口３１から排出された
気泡は乱流によってさらに径の小さい気泡４２に変換さ
れる。こうして、船体１０の没水表面１２に多数の気泡
４２が放出されることにより、船体１０の摩擦抵抗が低
減される。

【００４３】このように、排出口３１の近傍（混入部）
に、前段部２２と後段部２３とからなる剥離生成部とし
ての段差を設けたことにより、流体通路２１から水中に
送り込まれた空気は、剥離領域Ｈ及びその後に生成され
る乱流領域によって径の細かい気泡４２に変換される。
このとき、没水表面１２に放出される気泡４２の径が小
さいほど摩擦抵抗の低減の効果は大きいので、船体１０
の摩擦抵抗の低減効果は向上する。

【００４４】また、排出口３１を前段部２２と後段部２
３との間に配置し、前段部２２を後段部２３より高く設
けたことにより、排出口３１近傍で形成された気泡４２
は、気液界面に押し戻す方向に作用する力（抵抗力）を
受けても水中Ｗに供給されやすくなる。したがって、気
泡は船体１０の没水表面１２の近傍に安定して供給され
るので、船体１０の摩擦抵抗の低減効果は向上する。

【００４５】水中Ｗに空気を送り込むために必要なエネ
ルギーは、負圧生成部２０により水の流動状態を変化さ
せることで得られ、例えば気体を加圧して水中に噴出す
る場合に消費されるエネルギーに比べて少ない。そのた
め、船体１０の摩擦抵抗低減により、航行時のエネルギ
ー消費が効果的に低減される。

【００４６】さらに、気泡発生装置１１は簡素な構成で
あり、しかも気体を加圧する装置が不要であることか
ら、船体１０の建造コストが少なくてすむ。

【００４７】なお、段差の形状によっては、所望の気泡
４２が生成できない場合が考えられるが、例えば、ウェ
ーバー数やレイノルズ数をパラメータとして、数値シミ
ュレーションにより最適な段差形状を求めることができ
る。あるいは、実験的手法によって最適な段差形状を求
めることもできる。

【００４８】

【発明の効果】本発明の摩擦抵抗低減船は以下のような
効果を有するものである。本発明によれば、気体空間に
対して低圧となる負圧箇所を水中に生成することによ
り、気体空間の気体は、気体空間と水中に生成された負
圧箇所との圧力勾配力によって水中の所定の深さに供給
される。このとき、負圧箇所の生成は、船体の航行によ
って生じる、船体に対する相対的な水の流れを利用する
ので、例えば加圧用装置等を用いることなく、低コスト
で効率良く行うことができる。そして、気泡が水に混入
する混入部に水の剥離領域を生成することにより、この
混入部には強いせん断力が発生するので、気体空間から
供給された気泡は更に径の細かい気泡となる。この場
合、気泡の径が小さいほど摩擦抵抗の低減効果は大きい
ので、摩擦抵抗の低減効果は向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の摩擦抵抗低減船の一実施形態を示す概
略構成図である。

【図２】本発明の摩擦抵抗低減船のうち気泡発生装置の
一実施形態を示す構成図である。

【図３】本発明の船体の摩擦抵抗低減方法によって気泡
が発生する様子を説明するための模式図である。

【図４】本発明の船体の摩擦抵抗低減方法により水中に
負圧箇所を形成する様子を説明するための模式図であ
る。

【図５】船底における気泡に作用する力を説明するため
の模式図である。

【図６】所定の形状の表面に沿って流れる水及び気泡の
様子を説明するための模式図である。

【符号の説明】

１、１０ 船体 ２、４０ 水の流れ ４、４１ 負圧箇所 ５、２１ 流体通路 ６、４２ 気泡 １１ 気泡発生装置 １２ 船体外板（没水表面） ２０ 負圧生成部 ２２ 前段部（段差部、剥離生成部） ２２ａ 前段側先端部（剥離生成部） ２３ 後段部（段差部） ２３ａ 後段側先端部 ３１ 排出口 ＡＲ 気体空間 Ｍ 摩擦抵抗低減船 Ｈ 剥離領域 Ｗ 水（水中）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 船体の没水表面に気泡を放出する気泡発
   生装置を備えた摩擦抵抗低減船において、 前記気泡発生装置は、前記船体から水中に向かって突出
   するように形成され、該船体に対する相対的な水の流れ
   により気体空間に対して低圧となる負圧箇所を水中に生
   成する負圧生成部と、 前記気体空間と前記負圧生成部とを連通し、前記気体空
   間から水中の負圧箇所に気体を導くための流体流路と、 前記負圧生成部に設けられ、前記流体流路により導かれ
   た気体を前記水中に排出する排出口と、 前記排出口近傍に設けられ、前記船体に対して相対的に
   流れる水の剥離領域を生成する剥離生成部とを備えるこ
   とを特徴とする摩擦抵抗低減船。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の摩擦抵抗低減船におい
   て、 前記剥離生成部は、前記船体の推進方向に沿って段差を
   有する段差部を備えることを特徴とする摩擦抵抗低減
   船。
3. 【請求項３】 請求項１又は２に記載の摩擦抵抗低減船
   において、 前記剥離生成部は、前記排出口より前記船体の進行方向
   前方側に設けられ該排出口より水中側に突出する前段部
   を備えることを特徴とする摩擦抵抗低減船。