水中パラシュートによる船舶用制動機の提案 ７班 米道 卓音 1.はじめに 現在、船舶には制動機が搭載されておらず、水の 抵抗による減速とスクリューの逆回転による推進力 によって制動されている 1)。この制動機の不在によ って船舶は制動に大きな時間･距離を必要としてい る。このことが、近年増加している船舶同士の衝突 事故の原因の一端であるとすると、事故を未然に防 ぐために制動機を開発する必要があると考えられる。 以上の理由により本研究では、新たに船尾後方水 中に設置するパラシュート型の制動機を考案し、性 能の評価をすることを目的とする。 2.抵抗力について 流体中の物体が受ける抵抗力 F は、以下の式によ って与えられる 2)。 F =C 1 ρV 2 S 2 (1) 図１ 実験模式図 図２ 実験の様子 ρは流体の密度、V は流体と物体の相対速度、S は物 体の前方投影面積、C は抵抗係数である。 ここで、(1)式を抵抗係数 C について解くと C= 2F ρV 2 S (2) とすることができる。抵抗係数 C は無次元の定数で あるため、水のような既知の流体中においてあらか じめ速度 V、面積 S を求めておき、抵抗力 F を測定 することによって抵抗係数 C を求めることができる。 流体力学における相似則によれば、レイノルズ数 が一定の範囲内にあるとき、流体の運動は相似の関 係を持つため、新たに速度 V'、面積 S'を仮定した系 について求めた抵抗係数 C と共に(1)式に代入する ことによって F '= C 1 ρ V '2 S ' 2 (3) と、この系が受ける抵抗力 F'を求めることができる。 3.実験装置と方法 3.1 実験装置 図 １ の よ う に 、 断 面 が 300mm × 300mm 、 全 長 が 2000mm の水槽に水をはり、ポンプを接続することで 定常流を作成した。ここに全長 120mm の船の模型を 流れに逆らう向きで浮かべ、船前方と水槽をばねば かりと紐で接続した。さらに、船後方にパラシュー トを設置してこれを水中に沈めた。実際の実験中の 様子を図２に示す。 3.2 パラシュートの作成と種類 パラシュートの素材にブルーシートとテグスを用 図３ パラシュート部の改善案 1,2 いた。半径 R の円形に切り取ったパラシュート部の 外周に 350mm のテグス 8 本を等間隔に取り付けこれ らのテグスを 1 本にまとめてコード部とした。 R=35,50,70,100mm となるように 4 種類作成した。 また、針金によってパラシュート部を補強した改善 案 1,2(図 3)、コード部の素材をゴムテグスに変更し た改善案 3 をそれぞれ作成した。 3.3 安定するパラシュートの選定 流速 0.3m/s の条件下で R=70mm のパラシュートを 実験装置に取付け、水中で安定して開くことができ るかを目視で確認した。同様の実験を改善案 1～3 について同様に行った。 3.4 抵抗力の測定 3.3 節で述べた予備実験の結果、改善案 3 が最も 安定したため、以降の実験では全てのパラシュート に改善案 3 を用いた。 まず、流速 0.3m/s のもとで R=35mm のパラシュー トを装置に取り付け、パラシュートを取り付ける前 とのばねばかりの変化量を記録した。同様にして、 他の半径のものについても変化量を記録した。 次に、R=100mm のパラシュートを用いて流速を 0.3m/s から段階的に下げていき、ばねばかりが受け る力を記録した。 なお、上記 2 つの実験中、ばねばかりが受ける力 は連続的に変化したため、2 分間測定を続けるなか で平均値と最大値をそれぞれ目測により求めた。 4.実験結果 4.1 安定するパラシュートの選定 4 種類のパラシュートの安定性を確認したところ、 改善案 1,2 は全く安定せず、改善案 3 は改善しなか ったものよりも安定した。 4.2 抵抗力の測定 パラシュート面積と抵抗力の関係を図 4 に、流速 と抵抗力の関係を図 5 にそれぞれ示す。 5.考察 5.1 パラシュートの安定性について 4.1 節に述べたように改善案 1,2 が安定しなかった 理由は、水中で予想以上に強い抵抗力を受けて針金 が変形したことにより、パラシュートとしての形を 維持できなかったためであると考えられる。 次に、改善案 3 が安定した理由としてテグスの持 つ弾性力の有無が考えられる。パラシュートが水中 で見かけ上釣合いの状態となったときにも、水流の 不規則性やパラシュート作成時の誤差によってパラ シュート内において力の勾配ができてしまったと考 えられる。弾性力の無いコードを用いた場合はこの 力の勾配によってパラシュートが傾いてしまったの に対してコードに弾性力をもたせることによってこ の力の勾配を弾性力が釣り合わせたのだと推測した。 5.2 抵抗係数の算出 図 5 に示した結果および(2)式を用いて本研究に おける抵抗係数を算出し、図 6 に示した。 抵抗係数はおおよそ 1.6 という一定の値をとった と言える。また、半球型の抵抗係数は 1.33 である 2) ため、これと近い値をとったと言えるのではないか。 一方、測定した力に 10%、流速に 10%、パラシュー ト面積に 5%の不確かさが存在していたとすると、(2) 式に基づき不確かさの伝播則に従うと、算出した抵 抗係数にはおおよそ 22.9%の不確かさが存在してい ると考えられる。 5.3 制動機としての性能の評価 全長 120m の客船 3)を想定し、半径を 1000 倍の 100m にしたパラシュートが 20 ノット(10m/s)で航行中に 展 開 し た と 仮 定 す る と 、 (3) 式 よ り 抵 抗 力 は 約 2.5*106N と予測できた。さらに、この客船の重量を 5000 トン程度とする 3)と、パラシュート展開時の加 速度は-0.5m/s2 と予測できた。 このモデルの運動方程式は(1)式に以上の値を用 いることで非線形微分方程式として記述でき、下式 (4)となった。 5 × 10 6 dV + 0.8 × 10 4 πV 2 = 0 dt (4) 10 m / s となり、速度が 5m/s 0 .05 t + 1 に半減するまで約 20 秒かかるとわかった。 6.おわりに パラシュート型制動機が 10m/s で巡航中の船で作 動した時の加速度は-0.5m/s-2 程度と予測でき、船を 5m/s まで減速させるのに約 20 秒かかることがわか った。以上より、本制動機は船の制動を補助するこ とが十分可能だとわかった。 参考文献 1) 鈴木和夫,船体抵抗と推進,成山堂書店,2012 2) 渡辺敬三,流体力学-流れと損失,丸善,2002 3) 東海汽船(2015/1/7 アクセス) これを解くと、 V = http://www.tokaikisen.co.jp/shipinfo/largeship/
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