水槽について講演（pdfファイル約2MB

NMRI
試験水槽の技術
海上技術安全研究所
深海技術研究グループ
田村 兼吉
NMRI
内 容
１．水槽の歴史
２．曳航水槽
３．キャビテーション水槽
４．運動性能水槽（旋回腕水槽・角水槽）
５．その他の水槽
NMRI
１．水槽の歴史
水槽試験の概史
NMRI
●水槽試験は誰が最初に行ったのか？
・Leonardo Da Vinci簡単な船舶模型試験を行った記録
・Benjamin Franklin船舶抵抗の水深影響を試験1768年
●相似則が明らかでない→模型試験の有効性も疑問視
・実船の成績から次の船を考えるのが主流
●William Froude(英国 1810-1879)の登場
・曳航水槽で模型試験の有効性を実証
●水槽の形態・目的の多様化・専門化
・キャビテーション水槽、耐航性／操縦性水槽、回流
水槽、氷水槽、深海水槽等
水槽試験の始まり
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●世界最初の本格的水槽
・英国海軍の費用でW.FroudeがTorquayに建設。
・長さ85m x 幅11m x 深さ3mの曳航水槽。
・1871年竣工、1872年より模型試験開始。
●水槽の目的
・相似模型の実験を
精密に行い、実船
性能を正しく見積
もる。
・形の異なった船の
間の抵抗の関係を
明らかにする。
水槽試験の広がり
NMRI
●1800年代後半から1900年代初頭の欧米での曳航水槽
・1884年 Deny水槽（英）
・1887年 Haslar水槽（英海軍）
・1902年 Berlin水槽（独）
・1905年 Michigan大学水槽（米）
・1906年 Paris（仏）
・1910年 NPL水槽（蘭）
●日本の水槽
・1907年 長崎飽の浦（三菱）、東京築地（海軍）
・1924年 九大 1928年 阪大 1936年 東大
●1930年前後から1940年代にかけて水槽建設ラッシュ
NMRI
２．曳航水槽
抵抗試験での相似性
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●流れの力学的相似性
・無次元数と境界条件が２つの系で同じ→流れは相似
●抵抗試験の無次元数
・水の粘性の存在→レイノルズ数 Rn = VL/ν
Fn = V/√Lg
・自由表面の存在→フルード数
RnとFnを同時に満足する模型実験は不可能
Froudeの仮説（ Froude則）の登場
フルード則と摩擦抵抗則
NMRI
●フルード則
・船体の抵抗＝摩擦抵抗＋剰余抵抗
●摩擦抵抗則
・摩擦抵抗＝長さと浸水面積の等しい平板の摩擦抵抗
・剰余抵抗＝Fnのみの関数
●Fnだけを合わせた模型試験を実施し、Rnの違いを
近似的な経験則を用いて修正する。
二次元外挿法
二次元外挿法の概念図
NMRI
二次元外挿法の問題点と三次元外挿法 NMRI
●Froudeの摩擦抵抗算式に対する疑問
・Reynoldsの法則に従っていない。
●1950年代のHughesの一連の実験から
・船体の抵抗＝粘性抵抗＋造波抵抗
・物体形状が平板でないことによる粘性抵抗の増分を
Form Factorkを用いて摩擦抵抗の1+k倍とする。
・造波抵抗＝Fnのみの関数
・Form Factorkは船型のみによって決定される。
三次元外挿法
（現在、どちらの方法も経験的に使われている。）
三次元外挿法の概念図
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曳航水槽で通常行う推進性能試験
NMRI
●抵抗試験
・静止流体中、模型船を一定速度で曳航し、その抵抗
を計測する。
●プロペラ単独試験
・静止流体中、一定回転数で回転させながら一定速度
でプロペラを曳航し、トルク、スラストを計測する。
●自航試験
・静止流体中、プロペラを一定回転数で回転させなが
ら一定速度で模型船を曳航し、トルク、スラストを
計測する。
抵抗試験概略図（旧式の天秤型）
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模型船・模型プロペラ
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●模型船
・木製、パラフィン製、（FRP製）
・船長 6m程度が多く使用される
・乱流遷移促進 トリップ・ワイヤー、スタッド
●模型プロペラ
・アルミ製、真鍮製
・実験精度から
直径 20cm前後
プロペラ単独試験概略図
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三鷹第二船舶試験水槽（400m水槽）NMRI
水槽および曳引車主要目
■ 水 槽
・ 長さ
・ 幅
・ 水深
400m
18m
8m
■ 造波装置
・ プランジャー式
・ 波長
0.5ｍ∼15.0ｍ
・ 最大波高 0.3ｍ
・ 規則波及び不規則波
■ 曳引車
・ 長さ
17m
・ 幅
20m
・ 最高速度 15m/s
三鷹第二船舶試験水槽（400m水槽）NMRI
巨大タンカーや超高速船の試験にも対応
可能な世界最大級の曳航水槽。平成１３、
１４年度の２カ年で機能強化工事で・曳引
車制御系や造波装置（フラップ型から
プランジャ型へ）を更新。
昭和40年(1965年）に完成。昭和41年には
皇太子殿下・妃殿下（当時）も見学された。
日本産業全体の中での造船業の大きさ。
三鷹第三船舶試験水槽（中水槽）
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水槽および曳引車主要目
（1971年完成）
■ 水 槽
・ 長さ
・ 幅
・ 水深
水深を0.2mから 3.5mの範囲で調整することにより、浅水
域での巨大船の航行性能等に関する実験が可能 。
水深に対応できる造波機が設置されており、海洋構造物
や運動性能等のための多目的水槽として、各種の実験
にも活用できる。曳引車はボックスガーター方式の構造
で、平成７年度に 速度制御システムを改修し、実験精度
が向上し、実験が一層行い易くなった。
150m
7.5m
0∼3.5m
■ 造波装置
・ プランジャー式
・ 波長
0.5ｍ∼10.0ｍ
・ 最大波高 0.3ｍ
・ 規則波及び不規則波
■ 曳引車
・ 最高速度
6m/s
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３．キャビテーション水槽
キャビテーション現象
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●キャビテーションとは
・流体機器で液体が加速され、液体の静圧が下がる
とき、ある限界の圧力以下で気泡が生じる現象。
●キャビテーションによる影響
・プロペラ性能劣化
・プロペラ翼表面の壊食
・振動・騒音
●キャビテーション水槽の登場
・キャビテーション水槽は曳航水槽の次に歴史がある。
・世界初のタービン船タービニア号が予想性能を発
揮せず、その原因究明。
・1895年 Parsons（英）世界初のキャビテーション
水槽を製作（現在ニューキャッスルの博物館にある）
キャビテーション水槽
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●1920年前後にプロペラの壊食が論議される
・1925年 Kaiser Wilhelm Institut（独）
・1929年 DTNSRDC（米）
●軍艦→高速化→キャビテーション
・1936年 CIT（米）
・1938年 MARIN（蘭）、MIT（米）
・1941年 船舶試験所（目白）
●船舶の大型化によりキャビテーションが問題に
・1974年 大型キャビテーション水槽（三鷹）
大型キャビテーション水槽
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計測胴が２種類あり、第一計測胴ではプロペラや二次元物体の試験を、第二計測胴では模型船
の後方で作動するプロペラのキャビテーション試験が行える。特に模型船を用いた実験が可能
な、わが国唯一のキャビテーション水槽である。また、回流水の気泡核を供給する水素気泡発
生装置も備えている。動力計・分力計は試験に応じて４種類用意されており、通常プロペラのほ
か斜流プロペラ試験などに用いられる。
大型キャビテーション水槽
■ 方式 ： 縦型減圧回流式、高さ10ｍ、長さ18ｍ
■ 圧力調整範囲 ： 0.05∼2.0kg/cm２
■ 第１計測部 ： 断面0.75mφ、長さ2.25m、最大流速20m/s
■ 第２計測部 ： 断面2ｍ×0.88ｍ、長さ8ｍ、最大流速6.5m/s
NMRI
MARIN（蘭）の減圧曳航水槽
NMRI
キャビテーション水槽と
曳航水槽の中間。見学に
は、誓約書が必要。
・圧力2500∼4000Pa.
・キャビテーション
数＝0.4
・240m x 18m x 8m
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４．運動性能水槽（旋回腕水槽・角水槽）
旋回腕水槽
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●模型船を円形運動させて操縦性能を調べる。
●最初の旋回腕水槽
・1938年 Barrilon直径70mの半屋外式円形水槽を建設
・日本では九州大学に現存する。
角水槽
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●運動にさらに自由度を持たせて操縦性能を調べたい。
・Ｚ試験等
●角水槽の発達
・1945年 Davidson 24m角の半屋外曳引車付円形水槽
・1950年代 日本（船研）、カナダ、英国で曳引車無
しで模型船を無線操縦する角水槽が建設。
・その後、X方向の曳引車とY方向の補助台車を持ち、
屋根付きのタイプが主流となる。
●角水槽は通常、造波装置を備えており、操縦性能
試験だけでなく、耐航性試験にも対応可能。
三鷹第一船舶試験水槽（80m角水槽）NMRI
第２面造波機
第１面造波機
水槽主要目
1959年完成
長さ 80ｍ
幅 80ｍ
深さ 4.5m
第１面造波装置
第２面造波装置
波長
0.7∼12.0m
0.5∼10.0m
波高
∼0.4m
∼0.3m
波形
規則波
不規則波
規則波
多方向不規則
波
フラップ式
プランジャー式
形式
* 波長により異なります。
野島崎沖での異常海難や漁船転覆、フェ
リー浸水等の海難事故原因究明に活躍。
三鷹第一船舶試験水槽（80m角水槽）NMRI
無線操縦による自由航走模型船を用いて
船舶の操縦性能、耐航性能の試験を行う。
水槽の２面に造波装置を設置し、規則波だ
けでなく、任意のエネルギー分布を持つ不
規則波や多方向波も発生させることができ
る。
海洋構造物試験水槽（大陸棚水槽） NMRI
造波装置
水槽および台車の主要目（1978年完成）
潮流吹出口
走行副台車
主台車
固定副台車
潮流吸込口
消波板
27.1m
40m
■ 水 槽：長さ40ｍ、幅27.1ｍ、水深0∼2ｍ
■ 造波装置
・ フラップ式、周期0.4∼3s、最大波高0.3m
・ 規則波及び不規則波
■ 潮流発生装置：最大流量824m３/min
■ 台車
・ 主台車の最高速度
2.0m/s
・ 走行副台車の最高速度 1.5m/s
・ 固定副台車 ： 移動可能
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５．その他の水槽
変動風水洞（1982年）
NMRI
最大30m/secの定常風のほかに、変動する風を発生できる。
風洞の計測洞の下に水槽があり、船舶や海洋構造物の模型を
浮かべて、風、波、流れが共存する状態での実験ができる。
■ 風洞部
・ 形式 ： ゲッチンゲン型水平回流式
・ 閉鎮型 ： 長さ15ｍ×幅3ｍ×高さ2ｍ、風速 1∼30m/s、正弦変動風可能
・ 開放型 ： 長さ 3ｍ×幅3ｍ×高さ2ｍ、風速 1∼30m/s、正弦変動風可能
■ 水槽部 ： 長さ15ｍ×幅3ｍ×水深1.5ｍ
・ 造波装置 ： 規則波及び不規則波、フラップ式、最大波高0.3ｍ、周期0.6∼4.0s
・ 回流装置 ： 流速 0∼0.3m/s
氷海水槽
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●初期の氷水槽（軍事的）
・1955年レニングラード北極南極研究所（ソ連）
・1958年 ハンブルグ試験水槽（独）、CRREL（米陸軍）
・1960年 海中技術研究所（米海軍）
●1968年アラスカでの石油試掘成功→民間でも
・1970年 アイオワ大水学研究所、アークテック社（米）
ヴァルチラ社（フィンランド）
●日本の氷水槽（石油価格の高騰を受けて）
・1981年 船舶技術研究所
・1982年 日本鋼管（津）
模型氷の作成
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●２つの方法
・水槽表面を冷却結氷させて氷板を作る（氷水槽）
・別途作成した合成ワックス製板を水槽に浮かべる
（模擬氷水槽）
●模型氷の条件
・模型の縮尺に合わせて強さ（通常曲げ強さ）と弾
性率を小さくする必要がある。
・塩、尿素、エチレングリコール等を水に添加
●海技研の氷水槽では
・過冷却後、霧を吹いて柱状結晶を生成させる。
氷海船舶試験水槽（1981年）
■
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試験水槽部
長さ 35.0 m
幅 6.0 m
深さ 1.8 m
製氷能力
結氷速度
3 mm/h（-20℃）
最大氷厚
300 mm
冷却方式
自然対流方式
曳引台車
長さ 6.4 m
重量 17 ton
速度 0.2∼2.0 m/s
NMRI
氷海船舶試験水槽
NMRI
砕氷の様子
（横の観察窓から）
下に押し割る。
実験風景
世界の深海水槽
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MARIN（オランダ）(2001)
45m x 36m x 10.5m(30m)
Lab Oceano（ブラジル）
(2003)
40m x 30m x 15m(25m)
深海水槽（2002年）
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世界一深い試験水槽で（ギネス認定）、水槽周囲には、造波装置
（１２８台）があり、これによってあらゆる波を再現することができる。
水槽内には非接触式の３次元水中挙動計測装置があり、振動する
ライザー管等の運動や水中を降下する物体の運動が計測できる。
深海水槽
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造波装置（１２８台）
16m
台車
5m
35m
30m
6m
■ 水槽 ：
・ 水深0∼5ｍの円形水槽部
： 直径14ｍ
・ 水深5ｍ∼35ｍの深海ピット部 ： 直径 6ｍ
■ 台車 ： XYZに移動可能
■
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造波機
吸収型フラップ式造波機（128台）
周期 0.5∼4.0s
最大波高0.5ｍ (周期1.5s)
規則波、短波頂不規則波