オールブレードに働く非定常流体力

造前学会秋期講演会発表
平成16年11月26日於東京海洋大学
オールブレードに働く非定常流体力
（アスペクト比と先端形状の影響）
○宮下雅樹（東大生研）、木下健（東大生研）、
小林寛（海技研）、板倉博（東大生研）、鵜沢潔(東大工)
研究の背景




漕艇を工学的見地から研究することは長
らく行われてこなかった。
オールのブレードに働く力を推定する際に
は、定常状態を仮定して行われている。
実際のブレードは、流速迎角がダイナミッ
クに変化する振動翼として働いている。
平板を用いた回流水槽実験で、非定常の
流れに対する平板の振る舞いを調べた。
本研究の概要


実際に使用されているオールブレードに対
して、アスペクト比やブレード先端形状を変
えた計4種類のオールブレードに対して回
流水槽実験を行った。
漕艇機械効率に大きく寄与する直圧力係
数Cnに対する、オールブレードのアスペク
ト比とブレード先端形状の影響を調べた。
Rowing Boatの動き
進行方向
ドライブ
Catch
進行方向
フォーワード
進行方向
Finish
オールブレードの水中での動き
（流れの迎角の変化）
＜ストロークサイド（左舷＞
middle
catch
＜流れの迎角の変化＞
catch
finish
middle
艇の進行方向
finish
流れの速度の変化
流れの速度 : VB

V   θ  l u   R
B

out
VB
h

流れの迎角α、速度VBは
水中で過渡的に変化する。
ハンドル

ブレード
FB
θ
クラッチ
lout
u
艇の速度

R
h
オールブレードに加わる流体力


実艇実験より推定された、オールブレード
に加わる流体力は、準定常の考えから得
られるものとかけ離れている。
オールブレードに加わる力には、流れの速
度・迎角が過渡的に変化することによる非
定常流体力の寄与が大きい。
回流水槽実験（平板）

ストローク中にブレードにかかる非定常流
体力をより定量的に評価するために、オー
ルブレードを模した平板を回流水槽内で回
転させ、平板にかかる流体力を測定した。
直圧力係数Cnの定義
F [kgf ]

L
MZ
L
Fy
U [m / s]
F
Cn ( )  1
2
2 U S
Reduced frequency
(換算周波数)

翼の運動１周期ごとの対翼弦長比速度
2c
fr 
TU
U ：流速、
T ：振動の代表周期
c ：翼弦長

類似現象の指標として、Keulegan-Carpenter
number K c , 泳動数 S w 、ストローハル数 S0 など
がある。
平板の実験結果


平板を回転させた場合は、回転させない場
合よりはるかに大きな直圧力係数Cnを示し
た。
非定常流体力の寄与が大きい。
平板が流れに対して直角のときの直圧力
係数Cn（α＝π/2）は、換算周波数ｆｒと非常
に大きな相関を示した。
Cn(α=π/2)の
reduced frequencyに対する変化
Cn vs fr (angle of attack = ƒÎ/2)
6
5
Cn
4
3
Small/0.5[m/s]
Small/0.8[m/s]
Small/1.0[m/s]
Small/1.2[m/s]
Normal/0.8[m/s]
Normal/1.0[m/s]
Normal/1.2[m/s]
Large/0.8[m/s]
2
1
0
0
0.5
1
1.5
fr
2
2.5
3
実際のオールブレードを用いた
回流水槽実験


ブレードを回転させたときの直圧力係数Cnの
変化に対する、ブレードのアスペクト比やブ
レード先端形状の影響を調べる。
直圧力係数Cnと換算周波数 fr との関係を調
べ、実際のオールブレードを用いた場合におい
ても、Cnがfrの関数となっているかを調べる。
使用したオールブレード
Original形状(アスペクト比=0.44)
Highアスペクト比(アスペクト比=0.52)
Lowアスペクト比(アスペクト比=0.35)
Delta翼形状(アスペクト比=0.42)
回流水槽実験の模式図
PMMに接続
Load Cell
Mz
天蓋
天蓋
100mm
tip
一様流
neck
アウトボードモーメントMn

直圧力係数Cnと着力点の位置Lを用いて、
以下の様にアウトボードモーメントMnを計算。
M n  Cn  (lout  L)
ブレードの中心
着力点
ハンドル
スリーブ
lout
L
実験条件
回流水槽の流速
0.8, 1.0, 1.2 [m/s]
ブレード上面と水面の 100[mm](天蓋有り）
距離
ブレードの回転周波数 0.01, 0.02, 0.05, 0.1, 0.15, 0.2,
0.25, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6 [Hz]
ブレードの回転角
0～π[rad]
Reynolds数
約4×105
結果の解析
１．それぞれのブレードに対して、ブレードの
回転に伴うアウトボードモーメントMnの変
化を調べ、アスペクト比と先端形状の影
響を調べる。
２．ブレードが流れに対し直角の時のアウト
ボードモーメントMn（α＝π/2）と換算周波
数 fr との関係を調べる。
実験結果
Mnの変化：Original形状
12
fr=0.075
fr=0.148
fr=0.370
fr=0.734
fr=1.052
fr=1.382
fr=1.642
fr=1.854
fr=2.146
fr=2.324
10
8
Mn
6
4
2
0
0
π/4
π/2
ブレードの回転角[rad]
3π/4
π
実験結果
Mnの変化：Highアスペクト比
12
fr=0.059
fr=0.117
fr=0.282
fr=0.569
fr=0.822
fr=1.065
fr=1.257
fr=1.435
fr=1.730
fr=1.780
10
8
Mn
6
4
2
0
0
π/4
π/2
ブレードの回転角[rad]
3π/4
π
実験結果
Mnの変化：Lowアスペクト比
12
fr=0.076
fr=0.150
fr=0.374
fr=0.718
fr=1.058
fr=1.343
fr=1.620
fr=1.887
fr=2.215
fr=2.252
10
8
Mn
6
4
2
0
0
π/4
π/2
ブレードの回転角[rad]
3π/4
π
実験結果
Mnの変化：Delta翼形状
12
fr=0.076
fr=0.152
fr=0.368
fr=0.745
fr=1.091
fr=1.375
fr=1.604
fr=1.831
fr=2.193
fr=2.326
10
8
Mn
6
4
2
0
0
π/4
π/2
ブレードの回転角[rad]
3π/4
π
考察：Mnの変化
ｆｒがおよそ2以下の時は、平板の場合と同様にfr
に比例してMnも大きくなっていくが、frがおよそ2
以上の時は、Mnはやや減少する。
オールブレードの種類によって、同じfrに対する
Mnのとる値が異なる。Original形状に比べ、
Lowアスペクト比、Delta翼形状はより大きな値
を
とる。
結果：Mn(α=π/2）とfrの関係
14
12
Mn（α＝π/2）
10
8
Originall形状
6
Highアスペクト比
4
Lowアスペクト比
Delta翼形状
2
平板の近似曲線
0
0
0.5
1
1.5
fr
2
2.5
3
多項式
(Originall形状)
多項式
3.5(Highアス
ペクト比)
多項式 (Lowアス
4
考察：換算周波数との関係


実際のオールブレードの場合においては、 Mn
とfrの関係は平板の場合のように線形ではなく
より複雑になり、また、ブレードの形状によって
もその関係は変化する。
実際のローイングに近い、fr=1.4の時のMｎ（α
＝π/2）で比較
Lowアスペクト比
Delta翼形状
13.6%の向上
13.1%の向上
結論１
実際のブレードの場合においては、ブレードに
加わる流体力を、平板の場合のように一意に
換算周波数のみで評価することは難しく、関係
はより複雑であることが明らかになった。
Original形状のブレードに対して、Lowアスペ
クト比、Delta翼形状の方が、大きなMnを得る
ことが分かった。アスペクト比や先端形状を変
えることで、漕艇機械効率を向上させることが
可能であることを示すことが出来た。
結論２



翼のアスペクト比が低い方が効率的であるという
結果は、蛾やとんぼの羽ばたきの場合と同様の
結果を示している。
前縁に生ずる２次元的な渦がスパイラル状に発
達することにより大きな流体力が生じる可能性が
あるとされている。
オールブレードの場合においても、羽ばたきと同
じような非定常渦による流体力が大きいと考えら
れる。
これからの展望

CFDを用いた現象の解明
•シミュレーション結果と実験結果と照合
することで、ストローク中のオールブレード
に働く流体力が何によるものであるのかを
調べる。
•アスペクト比やブレード先端形状を変化
させることで、実際に物理現象としてどの
ような変化が生じているのかを調べる。

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