風圧抵抗の少ない船舶
【課題】水面上の風圧面積が比較的大きく、風圧力の影響を受け易い自動車専用船、コンテナ船、客船などの風圧力の影響を低減できて、船舶の運航性能を向上することができる風圧抵抗の少ない船舶を提供する。
【解決手段】船舶１の航海速力に関係するフルード数Ｆｎが、０．１３〜０．３０の船舶１で、上甲板１１上に設けた上部構造物１２の船尾側の形状１３，１４、または、水面２上の船体の船尾側の形状の少なくとも一方の水面上構造物の形状を、予め設定された風速の中を前記航海速力で前進したときに船尾側に渦流が発生しない形状に形成する。
【解決手段】船舶１の航海速力に関係するフルード数Ｆｎが、０．１３〜０．３０の船舶１で、上甲板１１上に設けた上部構造物１２の船尾側の形状１３，１４、または、水面２上の船体の船尾側の形状の少なくとも一方の水面上構造物の形状を、予め設定された風速の中を前記航海速力で前進したときに船尾側に渦流が発生しない形状に形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風圧抵抗の少ない船舶に関し、更に詳細には、船橋や居住区などの上部構造物の船尾側の形状を工夫することにより風圧抵抗を少なくした船舶に関する。
【背景技術】
【０００２】
水上を走行する商船の殆どの船舶は、排水量型と呼ばれ、航行中は、水面下の部分と水面上の部分とを有し、水面下の水の粘性による抵抗と、水面付近の波による抵抗と、水面上の空気（風）による抵抗を受けながら、プロペラ等の推進器で発生する推力により航行している。
【０００３】
船舶の水面下においては、船体形状の工夫による抵抗減少や船体とプロペラと舵などの関係による推進性能の向上が進められ、また、水面付近での波による造波抵抗や砕波抵抗や反射波における抵抗減少についても船首形状や船尾形状の工夫により抵抗減少が図られている。これらに関しては、多大な労力が費やされ、現在も努力が継続されている。
【０００４】
一方、水面上の空気による抵抗に関しては、従来においては、水面下及び水面付近における抵抗量が大きく、船体形状の工夫による改善効果もあったため、どちらかといえば軽視されてきていた。しかしながら、水面下及び水面付近における抵抗量が減少するにつれて、相対的に空気抵抗即ち風圧抵抗への改善の要求が高まってきている。
【０００５】
特に、乾舷が高く風圧面積が大きい自動車専用船や積み荷の積載により風圧面積が増加するコンテナ船や上部構造部が大きい客船等は水面上の風圧面積が大きいため、風圧力の影響を受け易い。そのため、風圧抵抗による直接的な抵抗増加や、風圧力による船体の姿勢変化による斜航により水中抵抗が増加したり、針路維持のための当舵等による間接的な抵抗増加が生じ、船速が低下する等の運航性能の問題があった。
【０００６】
これに関連して、船舶の上甲板上に位置する上部構造の前壁に半円筒体を垂直に取り付けて中空構造体とし、この中空構造体の下端にラッパ状の拡大部を有する空気吸込口を、上端に空気吐出口を設けて、上部構造物の前壁の下部に当たる風を空気吸込口で吸い込んで、煙突効果で吸い上げて空気吐出口より放出することで、前壁の前面の圧力を低減し、これにより、上部構造前面の風圧抵抗を低減する船舶の風圧抵抗低減装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
また、複数の車両搭載デッキを有する自動車専用船において、係船機が配置される船首側係船デッキを囲む外板に船首側係船窓を閉鎖可能に設けて、船首付近の気流の流れの乱れを抑制して、空気の流れをスムースなものとし、気流の乱れに起因する風圧抵抗の増加を抑制し、更には、格納式フラップや切欠部などを空気流入促進手段として利用して、船尾側係船デッキへの空気の流入を促進させて、船尾付近の負圧領域に空気を送り込んで圧力回復を図ることにより、船体全体の風圧抵抗を低減させる自動車専用船が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００８】
また、主船体の船側上部に、船首から離間し、かつ、上部構造物よりも船首側の位置に、船外壁の上端に連続させて、且つ、船首より離間した位置から立ち上がり、船尾に向かうにつれて次第に高さが増していく防風フェンスを設けて、この防風フェンスの主船体の外側を向く面を、上端が下端よりも上部構造側に位置する傾斜面とすることで、主船体の構造を変更することなく、空気抵抗を低減する船舶が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。
【０００９】
これらの船舶では、上部構造物の形状はそのままで、周囲の空気の流れを変化させることにより、風圧抵抗の減少を図っている。これに対して、船体形状の一部を変化させることにより、風圧抵抗を減少することが考えられている。
【００１０】
このような船舶の一つとして、船体の上甲板と両舷側部とを結ぶ両角部に、それぞれ船首から船尾のほぼ全長に、あるいは、船首からほぼ船体中央部にわたって切欠段部を設けて、更に、船首部に船首前縁上端から上甲板に向かって水平面に対して上向きの傾斜面を形成した船舶が提案されている（例えば、特許文献４参照）。
【００１１】
また、船体の上甲板と両舷側部とがなすそれぞれの角部に、船首から船尾の方向に沿って形成された切欠段部と、少なくとも一方の切欠段部に設けられた換気ユニットと、換気ユニットを覆うとともに上面と側面とがなす舷側部側に位置する角部が第１の傾斜面に形成されたハウジングとを具備した船舶が提案されている（例えば、特許文献５参照）。
【００１２】
これらの船舶で、この切欠段部により斜め方向の風に対して上甲板と舷側部とを結ぶ角部での剥離及び渦の発生が抑制されて、風圧による抵抗、横力、ヨーモーメントが軽減されることが、風洞実験結果やＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics）解析結果で確認されている。しかしながら、上甲板の上に設けた船楼の角型の形状や船尾部の角型の形状に関しては改善に余地があると考えられる。
【００１３】
上記のように、従来技術においては、船橋や居住区等の上甲板より上に設けられた上部構造物に関しては、容積の減少を嫌うことから、大きな形状変化を考えることなく、従来の箱型の組み合わせに近い形状のままで、上部構造物やその周囲に風の流れを変える付加物を取り付けているような工夫だけであった。
【００１４】
しかしながら、航海用機器や舵取り機構の小型化や、抵抗減少による燃費の改善と容積の増減を考慮しながら、上部構造物の後側の形状や、喫水線より上の風を受ける部分の船体の後部の形状を、風圧抵抗を減少するために大幅に形状変化させるような、全体的な改良までは検討されていないのが実情である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開平６−１８３３９２号公報
【特許文献２】特開２００５−８２０３０号公報
【特許文献３】特開２００５−１３２３１４号公報
【特許文献４】特開２００３−２９１８８３号公報
【特許文献５】特開２００６−３６１１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明の目的は、水面上の風圧面積が比較的大きく、風圧力の影響を受け易い自動車専用船、コンテナ船、客船などの風圧力の影響を低減できて、船舶の運航性能を向上することができる風圧抵抗の少ない船舶を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記の目的を達成するための風圧抵抗の少ない船舶は、航海速力で、船舶の航行速度に関係するフルード数が、０．１３〜０．３０の船舶で、上甲板上に設けた上部構造物の船尾側の形状、または、水面上の船体の船尾側の形状の少なくとも一方の水面上構造物の形状を、予め設定された風速の中を前記航海速力で前進したときに船尾側に渦流が発生しない形状に形成して構成する。この予め設定された風速とは、通常は、対象とする船舶が航行する想定海域の風速から設定される設計用の風速であり、設計仕様から決まる風速である。また、航海速力も設計仕様から決まる。
【００１８】
なお、この渦流は死水領域に生じる停滞渦やカルマン渦のような流出渦であり、水面上構造物の大きさと比較して考えたときにそれ相当の大きさの渦であり、本発明が問題としている風圧抵抗の大きさに比べて小さく、本発明が問題としている風圧抵抗に大きな影響を与えない小さい渦に関しては問題としない。例えば、船尾垂線Ａ．Ｐ．よりも０．２×Ｌｐｐ（垂線間長）後方の位置で、水面上構造物の最大幅（船橋を有する上部構造物の場合は、ドジャー及びドジャーの支持構造体を除く）Ｂの１０分の１以下のような渦は問題としない。つまり、強いて言えば、ここでいう「渦流」とは、船尾垂線Ａ．Ｐ．よりも０．２×Ｌｐｐ（垂線間長）後方の位置で、水面上構造物の最大幅Ｂの３倍（あえて上限を示せば）の大きさからこの最大幅Ｂの１０分の１の大きさまでの直径を持つような渦流を意味する。
【００１９】
また、フルード数Ｆｎは、船速をＶ、垂線間長をＬｐｐ、重力加速度をｇとしたときに、Ｆｎ＝Ｖ／（Ｌｐｐ×ｇ）1/2となる。ここで、本発明の対象とする船舶のフルード数Ｆｎを０．１３〜０．３０とする理由は、フルード数Ｆｎが０．３０より大きい場合が殆どの高速の艦艇では、レーダー反射をする少なくするためのステルス技術に関して、船体全体を覆いでカバーすることがあるので、このようなステルス用のカバーと区別するためである。
【００２０】
上記の構成によれば、船橋や居住区等の上部構造物や水面上の船体の船尾側にスムーズな流れを形成するフェアリング部が設けられることになる。そして、正面からの風による風圧抵抗が最も大きくなるのは、予め設定された風速の中を前記航海速力で前進したときであり、この時に船尾側に渦流（死水領域の停滞渦及びカルマン渦の流出渦等）ができなければ、風圧抵抗が小さくなるので、航海中全般にわたって、従来技術の船尾側を左右方向に延びる壁面で形成した上部構造物や、従来のトランサム形状等の水面上の船尾の形状よりも風圧抵抗を少なくすることができる。
【００２１】
この船尾側に渦流が発生するか否かは、風洞模型実験や、数値流体シミュレーションによって容易に検証することができ、具体的な形状もこれらの風洞模型実験や、数値流体シミュレーションの結果や、従来の周知の形状等から容易に決定することができる。
【００２２】
上記風圧抵抗の少ない船舶で、上部構造物の船尾側の形状又は水面上の船体の船尾側の形状の少なくとも一方の水面上構造物の形状において、船橋を有する上部構造物の場合にはドジャー及びドジャーの支持構造体を除いた最大幅をＢとしたときに、この水面上構造物の船尾側の形状を、この水面上構造物の上下方向の範囲のうちで少なくとも０％〜５０％の範囲における、水面に平行な各断面の形状において、最大幅Ｂの船尾側最後部を下辺とし、該下辺の長さＢ１を０．９×Ｂとし、底角θ１を４０ｄｅｇ〜８０ｄｅｇとし、上辺の長さＢ２を０．５×Ｂとする等脚台形よりも外側の範囲で、且つ、前記最大幅Ｂの船尾側最後部を底辺とし、該底辺の長さＢ３を１．２×Ｂとし、底角θ２を４０ｄｅｇ〜８０ｄｅｇとする二等辺三角形よりも内側の領域に入るように形成して構成する。
【００２３】
なお、ドジャーとは、接岸時や離岸時等の操船に際して、舷側を監視するために人員が舷側側に移動できるように、船橋の操舵室から左右両方向に延びて形成された構造物である。
【００２４】
また、平面視でこの範囲にあると、正面からの風に対して船尾側に大きな渦が発生することを回避できるので、いちいち、風洞模型実験や、数値流体シミュレーションによって検証する手間を省くことができる。
【００２５】
そして、このような形状とすることで、水面上の船体の船尾側に適用した場合には、船尾部が延長され、これにより、水線長が長くなり、水面下の船尾における剥離流れと造波抵抗の低減も図ることができる。
【００２６】
上記の風圧抵抗の少ない船舶で、前記水面上構造物の船尾側を形成する船尾側の側壁部を、水面に平行な各断面の形状において、平面視で凹凸の深さが最大幅Ｂの５％以下となるなめらかな曲線状の部分、又は、平面視で凹凸の深さが最大幅Ｂの５％以下となる直線部分、又は、両者の組み合わせで形成して構成する。
【００２７】
この凹凸の少ない滑らかな曲線状又は直線状に形成することにより、この曲線状の部分又は直線状の部分で流れに剥離が生じて、ここで問題にしている抵抗に影響を与えるような大きな渦が発生することを抑制できる。
【００２８】
上記の風圧抵抗の少ない船舶で、前記水面上構造物の船尾側を形成する船尾側の側壁部を、この水面上構造物の上下方向の範囲のうちで少なくとも０％〜５０％の範囲において、水平面に対して３０ｄｅｇ〜９０ｄｅｇの傾斜角θ３を有するように形成して構成する。
【００２９】
この船尾側の側壁部を水平面に対して３０ｄｅｇ〜９０ｄｅｇ傾斜させることにより、水面上構造物の船尾側を形成する船尾側上面と船側側壁部との角部で生じる渦流を抑制することができる。また、更に、この船尾側上面と船側側壁部との角部に角取り又は丸めを設けることにより、より効果的に渦流を抑制することができるようになる。
【００３０】
なお、上記の風圧抵抗の少ない船舶の構造の決定方法は、風圧抵抗の少ない船舶の設計方法としても利用できる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明の風圧抵抗の少ない船舶によれば、風圧抵抗を低減し船速低下を改善することができ、風圧抵抗が低減することにより、風圧抵抗によって生じる船体の姿勢変化による斜航や当舵を抑制することができ、速力性能と操縦性能を改善することができる。その結果、燃費と運航性能を向上することができる。また、桟橋に離着する際に、港内で受ける風圧力が低減されるので、港内での操船性が向上し、離着桟時に要する時間の短縮を図ることができる。
【００３２】
また、居住区を含む上部構造物を対象にした場合には、この上部構造物の後方で剥離して生じる渦を抑制することができるので、煙害などを抑制することができ、上甲板作業の安全性と作業性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１の実施の形態における船舶の上部構造物を斜め上方の前方から見た図である。
【図２】図１の船舶の上部構造物の側面図である。
【図３】図１の上部構造物の船尾側形状を示した平面図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態における船舶を斜め上方の後方から見た図である。
【図５】図４の船舶を斜め後方から見た図である。
【図６】図４の船舶の正面図である。
【図７】図４の船舶の背面図である。
【図８】図４の船舶の右側面図である。
【図９】図４の船舶の左側面図である。
【図１０】図４の船舶の平面図である。
【図１１】図４の船舶の底面図である。
【図１２】図４の船舶の船尾側部分の船尾側形状を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、図面を参照して本発明に係る風圧抵抗の少ない船舶の実施の形態について説明する。ここでは、第１の実施の形態では上甲板より上に設けられた居住区兼船橋の上部構造物を有する船舶を例にして説明し、第２の実施の形態では自動車専用船を例にして説明している。しかしながら、本発明は、自動車専用船のみならず、コンテナ船、タンカー、客船等の他の船舶にも適用できる。なお、ステルス技術のために船体を覆いでカバーしている艦艇を除くために、航海速力Ｖで、船舶の航行速度Ｖに関係するフルード数Ｆｎが、０．１３〜０．３０の船舶としている。
【００３５】
最初に、第１の実施の形態の風圧抵抗の少ない船舶（以下船舶という）について説明する。図１〜図３に示すように、この第１の実施の形態の船舶１では、上甲板１１上に上部構造物（水面上構造物）１２が設けられている。この上部構造物１２は船橋を有しており、左右にドジャー１７が設けられ、また、上部構造物１２の船尾側の水平部１６に煙突１８が設けられている。
【００３６】
本発明においては、船橋や居住区等の上部構造物１２の船尾側にスムーズな流れを形成するフェアリング部を設ける。つまり、上部構造物１２の船尾側の形状を船尾側の側壁部１３、１４と水平部１５、１６とで形成して、上甲板１１上に設けた上部構造物１２の船尾側の形状を予め設定された風速Ｖｗの中を船舶１の航海速力Ｖで前進したときに、上部構造物１２の船尾側に渦流が発生しない形状に形成する。この船尾側に渦流が発生するか否かは、風洞模型実験や、数値流体シミュレーションによって容易に検証することができ、具体的な形状もこれらの風洞模型実験や、数値流体シミュレーションの結果や、従来の周知の形状等から容易に決定することができる。
【００３７】
この船尾側の側壁部１３、１４と水平部１５、１６で囲まれる部分は、居住区などにして利用してもよいが、空隙としてもよい。すなわち、側壁部１３、１４と水平部１５、１６を、船尾側の空気の流れで渦流が発生しないようにするための、空間を囲むカバー体として形成してもよい。また、側壁部１３等には係船上等の必要に応じて開口部１３ａを設けてもよい。
【００３８】
なお、具体的な形状を風洞模型実験や、数値流体シミュレーションの結果や、従来の周知の形状等から決定する代わりに、次のようにして、この上部構造物１２の船尾側の形状を決めてもよい。
【００３９】
先ず、ドジャー１７及びドジャー１７の支持構造体（図示しない）を除いた最大幅をＢとする。次に、図３に示すように、この上部構造物１２の船尾側の形状を、この上部構造物１２の高さの範囲、即ち、上下方向の範囲のうちで少なくとも０％〜５０％、好ましくは０％〜７０％、より好ましくは０〜１００％の範囲における、水面に平行な各断面の形状において、次のように構成する。言い換えれば、この上部構造物１２の上下方向の範囲のうちで、５０％以上の範囲、好ましくは７０％以上の範囲、より好ましくは１００％の範囲における、水面に平行な各断面の形状において、次のように構成する。なお、上部構造物１２の高さには、煙突やマスト等の上部構造物１２からの突出物は含まない。
【００４０】
つまり、この範囲において、上部構造物１２の最大幅Ｂの船尾側最後部を下辺とし、この下辺の長さＢ１を０．９×Ｂとし、底角θ１を４０ｄｅｇ〜８０ｄｅｇ、より好ましくは５０ｄｅｇ〜７０ｄｅｇとし、上辺の長さＢ２を０．５×Ｂとして等脚台形を作る。また、最大幅Ｂの船尾側最後部を底辺とし、この底辺の長さＢ３を１．２×Ｂとし、底角θ２を４０ｄｅｇ〜８０ｄｅｇ、より好ましくは５０ｄｅｇ〜７０ｄｅｇとする二等辺三角形を作る。そして、この上部構造物１２の船尾側の形状を、平面視で、この等脚台形の領域よりも外側で、二等辺三角形の内側の領域に入るように形成する。
【００４１】
なお、高さ方向（上下方向）に関しては、段差が無い方が、空気の流れが円滑に流れ、渦流の発生が無くなるので好ましいが、構造上必要な場合には、図１〜図２に示すように高さ方向に段差があってもよい。この場合は、段差のある部分の角部に面取りや丸みを設けることが好ましい。
【００４２】
この構成により、いちいち、風洞模型実験や、数値流体シミュレーションによって検証する手間を省くことができ、正面からの風に対して船尾側に大きな渦が発生することを回避できる。
【００４３】
なお、等脚台形の底角θ１の角度を、４０ｄｅｇより小さくすると渦ができ易くなり、８０ｄｅｇより大きくすると上部構造物１２の船尾側が大きく船尾方向に延びすぎることになる。また、二等辺三角形の底角θ２の角度についても同様に、４０ｄｅｇより小さくすると渦ができ易くなり、８０ｄｅｇより大きくすると上部構造物１２の船尾側が大きく船尾方向に延びすぎることになる。
【００４４】
なお、この船尾側の側壁部１３、１４の形状に関しては、水面に平行な各断面の形状において、平面視で滑らかな曲線状の部分、又は、直線状の部分で形成することが好ましい。この滑らかな曲線又は滑らかな直線とは実際の船舶では、完全に凹凸が無いということは無理であるので、凹凸の深さが最大幅Ｂの５％以下となるように形成することが好ましい。この凹凸の少ない滑らかな曲線状又は直線状で形成することにより、この曲線状の部分又は直線状の部分で流れに剥離が生じて大きな渦が発生することを抑制することができる。
【００４５】
また、更に、上部構造物１２の船尾側を形成する船尾側の側壁部１３、１４を、この上部構造物１２の高さの範囲、即ち、上下方向の範囲のうちで少なくとも０％〜５０％、好ましくは０％〜７０％、より好ましくは０〜１００％の範囲における、水面に平行な各断面の形状において、次のように構成する。言い換えれば、この上部構造物１２の上下方向の範囲のうちで、５０％以上の範囲、好ましくは７０％以上の範囲、より好ましくは１００％の範囲における、水面に平行な各断面の形状において、次のように構成する。なお、上部構造物１２の高さには、煙突やマスト等の上部構造物１２からの突出物は含まない。
【００４６】
つまり、この範囲において、水平面に対して、３０ｄｅｇ〜９０ｄｅｇ、好ましくは、５０ｄｅｇ〜７０ｄｅｇの傾斜角θ３を有するように形成することが好ましい。この構成により、上部構造物１２の船尾側を形成する船尾側上面１５、１６と船尾側の側壁部１３、１４との角部で生じる渦流を抑制することができる。また、更に、この船尾側上面と船側側壁部との角部に角取り又は丸めを設けることにより、より効果的に渦流の発生を抑制することができるようになる。
【００４７】
この側壁部１３、１４は、水面上の全体又は上側の一部分が外側に凸となる曲面状に形成した場合には、曲面上の各点における接面が、水平面となす角度を傾斜角θ３とする。なお、傾斜角θ３を３０ｄｅｇより小さくすると、上部構造物１２の船尾側の下部が大きく船尾方向に延びることになり、９０ｄｅｇより大きくし過ぎると実用的ではなくなる。
【００４８】
この構成によれば、正面からの風による風圧抵抗が最も大きくなるのは、予め設定された風速Ｖｗの中を航海速力Ｖで前進したときであり、この時に船尾側に渦流（死水領域の停滞渦及びカルマン渦の流出渦等）ができなければ、風圧抵抗が小さくなるので、航海中全般にわたって、従来技術の船尾側を左右方向に延びる壁面で形成した上部構造物の形状よりも風圧抵抗を少なくすることができる。
【００４９】
そして、斜め前方からの風に対しても、従来技術の箱型の上部構造物に比べて渦流が発生し難く、斜め前方からの風に対する上部構造物１２の風圧抵抗が小さくなり、また、上部構造物１２は、荷役を考えて一般に船尾側に配置されていることが多いので、風圧に起因するヨウモーメントも小さくなるので、操縦性が向上することになる。
【００５０】
次に、第２の実施の形態の風圧抵抗の少ない船舶（以下船舶という）について説明する。図４〜図１３に示すように、この第２の実施形態の船舶１Ａは、自動車専用船を例にしたものであり、船体２０の船首から船尾にわたって、自動車を固定して搬送するために、階層構造の複数の甲板を有し、最上部の甲板である上甲板２１には、マスト２２や煙突２３は設けるが、船橋や居住区等の船楼を設けない。この船舶１Ａでは、船橋も居住区も上甲板２１より下に設け、上甲板２１より上にはできるだけ突出するものを設けず、風圧抵抗を減少させる。
【００５１】
また、水面より下には、船首側に船首バルブ３１が、船尾側にスクリュープロペラ３２と舵３３が設けられている。
【００５２】
この構成では、例えば、船橋は上甲板２１より下で見晴らしがよい船首部に設け、居住区はエンジンのある機関室に近い船尾側に設ける。最近はエンジンの制御や船内制御がリモートコントロール化されてきているので、船橋と機関室と居住区を必ずしも近傍に配置する必要性も小さくなってきているので、船楼を設けない構成でも大きな不便は生じない。
【００５３】
船首には、船首前縁上端から上甲板２１に向かって上向きの傾斜面２４を形成する。この傾斜面２４は、水平面に対する上向き角度が２０ｄｅｇ〜６０ｄｅｇで、好ましくは３８ｄｅｇになるように形成される。これにより、風の流れが船首前縁上端から上甲板に向かって流れる際に、上甲板部分における剥離と渦の発生を抑制でき、風圧抵抗を低減できる。
【００５４】
船体の上甲板２１と両舷側部２５とがなす角部に、船首から船尾のほぼ全長にわたって切欠段部２６を設ける。この切欠段部２６は、図６に示すように、船体中央における、上甲板から船底（キールライン）までの深さＤからバラスト喫水ｄｂを引き算したバラスト状態における乾舷ｆｂの５〜２０％の深さｄｓと幅ｂｓを有して形成される。例えば、積み荷となる自動車１台分の幅で、方形状に切り欠くことによって形成される。
【００５５】
この切欠段部２６により斜め方向の風に対して上甲板２１と舷側部２５とを結ぶ角部での剥離及び渦の発生が抑制されて、風圧による抵抗、横力、ヨーモーメントが軽減される。なお、この切欠段部２６は、船首から船尾のほぼ全長にわたって設けると効果が大きいが、船首からほぼ船体中央部までの範囲にわたって設けてもよい。
【００５６】
この切欠段部２６の舷側部２５と上甲板２１との角部においては、傾斜面２７を設けて横風を受けたときの抵抗を軽減することが好ましく、図４、図５、図８〜図１０の構成では、角部と傾斜面とを船首尾方向に交互に配置している。この傾斜面２６ａは、３０ｄｅｇ〜６０ｄｅｇで、好ましくは、４５ｄｅｇとし、この傾斜面２７の高さは、切欠段部２６の深さｄｓの３分の２〜３分の１程度が好ましい。
【００５７】
本発明においては、船体２０の水面上の部分（水面上構造物）の船尾側部分２０ａにスムーズな流れを形成するフェアリング部である側壁部２７、２８を設ける。つまり、船尾側部分２０ａの船尾側の形状を船尾側の側壁部２７、２８と上甲板２１で形成して、この船尾側部分２０ａの形状を予め設定された風速Ｖｗの中を船舶１Ａの航海速力Ｖで前進したときに、船尾側部分２０ａに渦流が発生しない形状に形成する。この船尾側部分２０ａに渦流が発生するか否かは、風洞模型実験や、数値流体シミュレーションによって容易に検証することができ、具体的な形状もこれらの風洞模型実験や、数値流体シミュレーションの結果や、従来の周知の形状等から容易に決定することができる。
【００５８】
この船尾側部分２０ａの側壁部２７，２８と上甲板２１で囲まれる部分は、係船装置や舵取り機構を配置するが、空隙部分を設けてもよい。すなわち、側壁部２７、２８と上甲板２１を、船尾側の空気の流れで渦流が発生しないようにするための、空間を囲むカバー体として形成してもよい。また、側壁部２７、２８には係船上等の必要に応じて開口部を設けてもよい。この構成では、自動車の荷役を行うためのランプウエイ用の開口部とその扉２９を設けている。また、船体２０の中央部付近の舷側部２５にも自動車の荷役を行うためのランプウエイ用の開口部とその扉３０を設けている。
【００５９】
なお、具体的な形状を風洞模型実験や、数値流体シミュレーションの結果や、従来の周知の形状等から決定する代わりに、次のようにして、この船尾側部分２０ａの船尾側の形状を決めてもよい。
【００６０】
先ず、船尾側部分２０ａの最大幅をＢとする。この船尾側部分２０ａとしては、船体２０の平行部の最後から船尾側とするが、平行部の最後が明確でない場合には、船尾垂線Ａ．Ｐ．から０．２×Ｌｐｐ（垂線間長）前方の位置から後方部分とする。
【００６１】
図１２に示すように、この船尾側部分２０ａの船尾側の形状を、この船尾側部分２０ａの上下方向の範囲のうちで少なくとも０％〜５０％、好ましくは０％〜７０％、より好ましくは０〜１００％の範囲における、水面に平行な各断面の形状において、次のように構成する。言い換えれば、この船尾側部分２０ａの高さの範囲、即ち、上下方向の範囲のうちで、５０％以上の範囲、好ましくは７０％以上の範囲、より好ましくは１００％の範囲における、水面に平行な各断面の形状において、次のように構成する。なお、船尾側部分２０ａの高さには、煙突やマスト等の船尾側部分２０の上甲板２１からの突出物は含まない。
【００６２】
つまり、この範囲における、水面に平行な各断面の形状において、船尾側部分２０ａの最大幅Ｂの船尾側最後部を下辺とし、この下辺の長さＢ１を０．９×Ｂとし、底角θ１を４０ｄｅｇ〜８０ｄｅｇ、より好ましくは５０ｄｅｇ〜７０ｄｅｇとし、上辺の長さＢ２を０．９×Ｂとして等脚台形を作る。また、最大幅Ｂの船尾側最後部を底辺とし、この底辺の長さＢ３を１．２×Ｂとし、底角θ２を４０ｄｅｇ〜８０ｄｅｇ、より好ましくは５０ｄｅｇ〜７０ｄｅｇとする二等辺三角形を作る。そして、この船尾側部分２０ａの船尾側の形状を、平面視で、この等脚台形の領域よりも外側で、二等辺三角形の内側の領域に入るように形成する。
【００６３】
この構成により、いちいち、風洞模型実験や、数値流体シミュレーションによって検証する手間を省くことができ、正面からの風に対して船尾側に大きな渦が発生することを回避できる。
【００６４】
なお、等脚台形の底角θ１の角度を、４０ｄｅｇより小さくすると渦ができ易くなり、８０ｄｅｇより大きくすると上部構造物１２の船尾側が大きく船尾方向に延びすぎることになる。また、二等辺三角形の底角θ２の角度についても同様に、４０ｄｅｇより小さくすると渦ができ易くなり、８０ｄｅｇより大きくすると上部構造物１２の船尾側が大きく船尾方向に延びすぎることになる。
【００６５】
なお、この船尾側部分２０ａの側壁部２７、２８の形状に関しては、水面に平行な各断面の形状において、平面視で滑らかな曲線状の部分、又は、直線状の部分で形成することが多く、また、このように構成することが好ましい。しかしながら、ランプウエイの扉２９を設けたりする場合には、完全に凹凸が無いということは無理であるので、凹凸の深さが最大幅Ｂの５％以下となるように構成することが好ましい。この凹凸の少ない滑らかな曲線状又は直線状で形成することにより、この曲線状の部分又は直線状の部分で流れに剥離が生じて大きな渦が発生することを抑制することができる。
【００６６】
また、更に、船尾側部分２０ａの船尾側を形成する側壁部２７，２８を、この船尾側部分２０ａの高さの範囲、即ち、上下方向の範囲のうちで少なくとも０％〜５０％、好ましくは０％〜７０％、より好ましくは０〜１００％の範囲における、水面に平行な各断面の形状において、次のように構成する。言い換えれば、この船尾側部分２０％の上下方向の範囲のうちで、５０％以上の範囲、好ましくは７０％以上の範囲、より好ましくは１００％の範囲における、水面に平行な各断面の形状において、次のように構成する。なお、船尾側部分２０ａの高さには、煙突やマスト等の船尾側部分２０の上甲板２１からの突出物は含まない。
【００６７】
つまり、この範囲において、水平面に対して、３０ｄｅｇ〜９０ｄｅｇ、好ましくは５０ｄｅｇ〜７０ｄｅｇの傾斜角θ３を有するように形成することが好ましい。この構成により、船尾側部分２０ａの船尾側を形成する上甲板２１と側壁部２７、２８との角部で生じる渦流を抑制することができる。
【００６８】
この側壁部１３、１４は、水面上の全体又は上側の一部分が外側に凸となる曲面状に形成した場合には、曲面上の各点における接面が、水平面となす角度を傾斜角θ３とする。
【００６９】
なお、この側壁部２７、２８は、水面上の全体又は上側の一部分が外側に凸となる曲面状に形成することが好ましく、この場合には、曲面上の各点における接面が、水平面となす角度を傾斜角θ３とする。また、更に、この上甲板２１と側壁部２７、２８の角部に角取り又は丸めを設けることにより、より効果的に渦流の発生を抑制することができるようになる。
【００７０】
なお、傾斜角θ３を３０ｄｅｇより小さくすると、船尾側部分２０ａの下部が大きく船尾方向に延びることになり、９０ｄｅｇより大きくし過ぎると、実用的ではなくなる。
【００７１】
この構成によれば、正面からの風による風圧抵抗が最も大きくなるのは、予め設定された風速Ｖｗの中を航海速力Ｖで前進したときであり、この時に船尾側に渦流（死水領域の停滞渦及びカルマン渦の流出渦等）ができなければ、風圧抵抗が小さくなるので、航海中全般にわたって、従来技術の船尾側部分を左右方向に延びる壁面で形成したトランサム船型の船尾の形状よりも風圧抵抗を少なくすることができる。
【００７２】
そして、斜め前方からの風に対しても、従来技術のランサム船型の船尾の形状に比べて渦流が発生し難く、斜め前方からの風に対する船体２０の風圧抵抗が小さくなり、風圧に起因するヨウモーメントも小さくなるので、操縦性が向上することになる。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明の風圧抵抗の少ない船舶は、風圧抵抗を低減し船速低下を改善することができて、速力性能と操縦性能を改善することができ、その結果、燃費と運航性能を向上することができるので、数多くの種類の船舶として利用でき、特に、風圧面積が大きくなる自動車専用船、コンテナ船、客船として利用できる。
【符号の説明】
【００７４】
１、１Ａ 船舶
２ 水面
１１、２１ 上甲板
１２ 上部構造物（水面上構造物）
１３、１４ 側壁部（フェアリング部）
１５、１６ 水平部
１７ ドジャー
２０ 船体
２０ａ 船体の水面上の部分（水面上構造物）の船尾側部分
２１ 上甲板
２５ 舷側部
２６ 切欠段部
２７、２８ 傾斜部
２９、３０ ランプウエイ用の開口部の扉
Ｂ 最大幅
Ｂ１ 等脚台形の下辺の長さ
Ｂ２ 等脚台形の上辺の長さ
Ｂ３ 二等辺三角形の底辺の長さ
Ｖｗ 風速
Ｖ 航海速力
θ１ 等脚台形の底角
θ２ 二等辺三角形の底角
θ３ 側壁部の水平面に対する傾斜角
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風圧抵抗の少ない船舶に関し、更に詳細には、船橋や居住区などの上部構造物の船尾側の形状を工夫することにより風圧抵抗を少なくした船舶に関する。
【背景技術】
【０００２】
水上を走行する商船の殆どの船舶は、排水量型と呼ばれ、航行中は、水面下の部分と水面上の部分とを有し、水面下の水の粘性による抵抗と、水面付近の波による抵抗と、水面上の空気（風）による抵抗を受けながら、プロペラ等の推進器で発生する推力により航行している。
【０００３】
船舶の水面下においては、船体形状の工夫による抵抗減少や船体とプロペラと舵などの関係による推進性能の向上が進められ、また、水面付近での波による造波抵抗や砕波抵抗や反射波における抵抗減少についても船首形状や船尾形状の工夫により抵抗減少が図られている。これらに関しては、多大な労力が費やされ、現在も努力が継続されている。
【０００４】
一方、水面上の空気による抵抗に関しては、従来においては、水面下及び水面付近における抵抗量が大きく、船体形状の工夫による改善効果もあったため、どちらかといえば軽視されてきていた。しかしながら、水面下及び水面付近における抵抗量が減少するにつれて、相対的に空気抵抗即ち風圧抵抗への改善の要求が高まってきている。
【０００５】
特に、乾舷が高く風圧面積が大きい自動車専用船や積み荷の積載により風圧面積が増加するコンテナ船や上部構造部が大きい客船等は水面上の風圧面積が大きいため、風圧力の影響を受け易い。そのため、風圧抵抗による直接的な抵抗増加や、風圧力による船体の姿勢変化による斜航により水中抵抗が増加したり、針路維持のための当舵等による間接的な抵抗増加が生じ、船速が低下する等の運航性能の問題があった。
【０００６】
これに関連して、船舶の上甲板上に位置する上部構造の前壁に半円筒体を垂直に取り付けて中空構造体とし、この中空構造体の下端にラッパ状の拡大部を有する空気吸込口を、上端に空気吐出口を設けて、上部構造物の前壁の下部に当たる風を空気吸込口で吸い込んで、煙突効果で吸い上げて空気吐出口より放出することで、前壁の前面の圧力を低減し、これにより、上部構造前面の風圧抵抗を低減する船舶の風圧抵抗低減装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
また、複数の車両搭載デッキを有する自動車専用船において、係船機が配置される船首側係船デッキを囲む外板に船首側係船窓を閉鎖可能に設けて、船首付近の気流の流れの乱れを抑制して、空気の流れをスムースなものとし、気流の乱れに起因する風圧抵抗の増加を抑制し、更には、格納式フラップや切欠部などを空気流入促進手段として利用して、船尾側係船デッキへの空気の流入を促進させて、船尾付近の負圧領域に空気を送り込んで圧力回復を図ることにより、船体全体の風圧抵抗を低減させる自動車専用船が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００８】
また、主船体の船側上部に、船首から離間し、かつ、上部構造物よりも船首側の位置に、船外壁の上端に連続させて、且つ、船首より離間した位置から立ち上がり、船尾に向かうにつれて次第に高さが増していく防風フェンスを設けて、この防風フェンスの主船体の外側を向く面を、上端が下端よりも上部構造側に位置する傾斜面とすることで、主船体の構造を変更することなく、空気抵抗を低減する船舶が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。
【０００９】
これらの船舶では、上部構造物の形状はそのままで、周囲の空気の流れを変化させることにより、風圧抵抗の減少を図っている。これに対して、船体形状の一部を変化させることにより、風圧抵抗を減少することが考えられている。
【００１０】
このような船舶の一つとして、船体の上甲板と両舷側部とを結ぶ両角部に、それぞれ船首から船尾のほぼ全長に、あるいは、船首からほぼ船体中央部にわたって切欠段部を設けて、更に、船首部に船首前縁上端から上甲板に向かって水平面に対して上向きの傾斜面を形成した船舶が提案されている（例えば、特許文献４参照）。
【００１１】
また、船体の上甲板と両舷側部とがなすそれぞれの角部に、船首から船尾の方向に沿って形成された切欠段部と、少なくとも一方の切欠段部に設けられた換気ユニットと、換気ユニットを覆うとともに上面と側面とがなす舷側部側に位置する角部が第１の傾斜面に形成されたハウジングとを具備した船舶が提案されている（例えば、特許文献５参照）。
【００１２】
これらの船舶で、この切欠段部により斜め方向の風に対して上甲板と舷側部とを結ぶ角部での剥離及び渦の発生が抑制されて、風圧による抵抗、横力、ヨーモーメントが軽減されることが、風洞実験結果やＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics）解析結果で確認されている。しかしながら、上甲板の上に設けた船楼の角型の形状や船尾部の角型の形状に関しては改善に余地があると考えられる。
【００１３】
上記のように、従来技術においては、船橋や居住区等の上甲板より上に設けられた上部構造物に関しては、容積の減少を嫌うことから、大きな形状変化を考えることなく、従来の箱型の組み合わせに近い形状のままで、上部構造物やその周囲に風の流れを変える付加物を取り付けているような工夫だけであった。
【００１４】
しかしながら、航海用機器や舵取り機構の小型化や、抵抗減少による燃費の改善と容積の増減を考慮しながら、上部構造物の後側の形状や、喫水線より上の風を受ける部分の船体の後部の形状を、風圧抵抗を減少するために大幅に形状変化させるような、全体的な改良までは検討されていないのが実情である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開平６−１８３３９２号公報
【特許文献２】特開２００５−８２０３０号公報
【特許文献３】特開２００５−１３２３１４号公報
【特許文献４】特開２００３−２９１８８３号公報
【特許文献５】特開２００６−３６１１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明の目的は、水面上の風圧面積が比較的大きく、風圧力の影響を受け易い自動車専用船、コンテナ船、客船などの風圧力の影響を低減できて、船舶の運航性能を向上することができる風圧抵抗の少ない船舶を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記の目的を達成するための風圧抵抗の少ない船舶は、航海速力で、船舶の航行速度に関係するフルード数が、０．１３〜０．３０の船舶で、上甲板上に設けた上部構造物の船尾側の形状、または、水面上の船体の船尾側の形状の少なくとも一方の水面上構造物の形状を、予め設定された風速の中を前記航海速力で前進したときに船尾側に渦流が発生しない形状に形成して構成する。この予め設定された風速とは、通常は、対象とする船舶が航行する想定海域の風速から設定される設計用の風速であり、設計仕様から決まる風速である。また、航海速力も設計仕様から決まる。
【００１８】
なお、この渦流は死水領域に生じる停滞渦やカルマン渦のような流出渦であり、水面上構造物の大きさと比較して考えたときにそれ相当の大きさの渦であり、本発明が問題としている風圧抵抗の大きさに比べて小さく、本発明が問題としている風圧抵抗に大きな影響を与えない小さい渦に関しては問題としない。例えば、船尾垂線Ａ．Ｐ．よりも０．２×Ｌｐｐ（垂線間長）後方の位置で、水面上構造物の最大幅（船橋を有する上部構造物の場合は、ドジャー及びドジャーの支持構造体を除く）Ｂの１０分の１以下のような渦は問題としない。つまり、強いて言えば、ここでいう「渦流」とは、船尾垂線Ａ．Ｐ．よりも０．２×Ｌｐｐ（垂線間長）後方の位置で、水面上構造物の最大幅Ｂの３倍（あえて上限を示せば）の大きさからこの最大幅Ｂの１０分の１の大きさまでの直径を持つような渦流を意味する。
【００１９】
また、フルード数Ｆｎは、船速をＶ、垂線間長をＬｐｐ、重力加速度をｇとしたときに、Ｆｎ＝Ｖ／（Ｌｐｐ×ｇ）1/2となる。ここで、本発明の対象とする船舶のフルード数Ｆｎを０．１３〜０．３０とする理由は、フルード数Ｆｎが０．３０より大きい場合が殆どの高速の艦艇では、レーダー反射をする少なくするためのステルス技術に関して、船体全体を覆いでカバーすることがあるので、このようなステルス用のカバーと区別するためである。
【００２０】
上記の構成によれば、船橋や居住区等の上部構造物や水面上の船体の船尾側にスムーズな流れを形成するフェアリング部が設けられることになる。そして、正面からの風による風圧抵抗が最も大きくなるのは、予め設定された風速の中を前記航海速力で前進したときであり、この時に船尾側に渦流（死水領域の停滞渦及びカルマン渦の流出渦等）ができなければ、風圧抵抗が小さくなるので、航海中全般にわたって、従来技術の船尾側を左右方向に延びる壁面で形成した上部構造物や、従来のトランサム形状等の水面上の船尾の形状よりも風圧抵抗を少なくすることができる。
【００２１】
この船尾側に渦流が発生するか否かは、風洞模型実験や、数値流体シミュレーションによって容易に検証することができ、具体的な形状もこれらの風洞模型実験や、数値流体シミュレーションの結果や、従来の周知の形状等から容易に決定することができる。
【００２２】
上記風圧抵抗の少ない船舶で、上部構造物の船尾側の形状又は水面上の船体の船尾側の形状の少なくとも一方の水面上構造物の形状において、船橋を有する上部構造物の場合にはドジャー及びドジャーの支持構造体を除いた最大幅をＢとしたときに、この水面上構造物の船尾側の形状を、この水面上構造物の上下方向の範囲のうちで少なくとも０％〜５０％の範囲における、水面に平行な各断面の形状において、最大幅Ｂの船尾側最後部を下辺とし、該下辺の長さＢ１を０．９×Ｂとし、底角θ１を４０ｄｅｇ〜８０ｄｅｇとし、上辺の長さＢ２を０．５×Ｂとする等脚台形よりも外側の範囲で、且つ、前記最大幅Ｂの船尾側最後部を底辺とし、該底辺の長さＢ３を１．２×Ｂとし、底角θ２を４０ｄｅｇ〜８０ｄｅｇとする二等辺三角形よりも内側の領域に入るように形成して構成する。
【００２３】
なお、ドジャーとは、接岸時や離岸時等の操船に際して、舷側を監視するために人員が舷側側に移動できるように、船橋の操舵室から左右両方向に延びて形成された構造物である。
【００２４】
また、平面視でこの範囲にあると、正面からの風に対して船尾側に大きな渦が発生することを回避できるので、いちいち、風洞模型実験や、数値流体シミュレーションによって検証する手間を省くことができる。
【００２５】
そして、このような形状とすることで、水面上の船体の船尾側に適用した場合には、船尾部が延長され、これにより、水線長が長くなり、水面下の船尾における剥離流れと造波抵抗の低減も図ることができる。
【００２６】
上記の風圧抵抗の少ない船舶で、前記水面上構造物の船尾側を形成する船尾側の側壁部を、水面に平行な各断面の形状において、平面視で凹凸の深さが最大幅Ｂの５％以下となるなめらかな曲線状の部分、又は、平面視で凹凸の深さが最大幅Ｂの５％以下となる直線部分、又は、両者の組み合わせで形成して構成する。
【００２７】
この凹凸の少ない滑らかな曲線状又は直線状に形成することにより、この曲線状の部分又は直線状の部分で流れに剥離が生じて、ここで問題にしている抵抗に影響を与えるような大きな渦が発生することを抑制できる。
【００２８】
上記の風圧抵抗の少ない船舶で、前記水面上構造物の船尾側を形成する船尾側の側壁部を、この水面上構造物の上下方向の範囲のうちで少なくとも０％〜５０％の範囲において、水平面に対して３０ｄｅｇ〜９０ｄｅｇの傾斜角θ３を有するように形成して構成する。
【００２９】
この船尾側の側壁部を水平面に対して３０ｄｅｇ〜９０ｄｅｇ傾斜させることにより、水面上構造物の船尾側を形成する船尾側上面と船側側壁部との角部で生じる渦流を抑制することができる。また、更に、この船尾側上面と船側側壁部との角部に角取り又は丸めを設けることにより、より効果的に渦流を抑制することができるようになる。
【００３０】
なお、上記の風圧抵抗の少ない船舶の構造の決定方法は、風圧抵抗の少ない船舶の設計方法としても利用できる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明の風圧抵抗の少ない船舶によれば、風圧抵抗を低減し船速低下を改善することができ、風圧抵抗が低減することにより、風圧抵抗によって生じる船体の姿勢変化による斜航や当舵を抑制することができ、速力性能と操縦性能を改善することができる。その結果、燃費と運航性能を向上することができる。また、桟橋に離着する際に、港内で受ける風圧力が低減されるので、港内での操船性が向上し、離着桟時に要する時間の短縮を図ることができる。
【００３２】
また、居住区を含む上部構造物を対象にした場合には、この上部構造物の後方で剥離して生じる渦を抑制することができるので、煙害などを抑制することができ、上甲板作業の安全性と作業性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１の実施の形態における船舶の上部構造物を斜め上方の前方から見た図である。
【図２】図１の船舶の上部構造物の側面図である。
【図３】図１の上部構造物の船尾側形状を示した平面図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態における船舶を斜め上方の後方から見た図である。
【図５】図４の船舶を斜め後方から見た図である。
【図６】図４の船舶の正面図である。
【図７】図４の船舶の背面図である。
【図８】図４の船舶の右側面図である。
【図９】図４の船舶の左側面図である。
【図１０】図４の船舶の平面図である。
【図１１】図４の船舶の底面図である。
【図１２】図４の船舶の船尾側部分の船尾側形状を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、図面を参照して本発明に係る風圧抵抗の少ない船舶の実施の形態について説明する。ここでは、第１の実施の形態では上甲板より上に設けられた居住区兼船橋の上部構造物を有する船舶を例にして説明し、第２の実施の形態では自動車専用船を例にして説明している。しかしながら、本発明は、自動車専用船のみならず、コンテナ船、タンカー、客船等の他の船舶にも適用できる。なお、ステルス技術のために船体を覆いでカバーしている艦艇を除くために、航海速力Ｖで、船舶の航行速度Ｖに関係するフルード数Ｆｎが、０．１３〜０．３０の船舶としている。
【００３５】
最初に、第１の実施の形態の風圧抵抗の少ない船舶（以下船舶という）について説明する。図１〜図３に示すように、この第１の実施の形態の船舶１では、上甲板１１上に上部構造物（水面上構造物）１２が設けられている。この上部構造物１２は船橋を有しており、左右にドジャー１７が設けられ、また、上部構造物１２の船尾側の水平部１６に煙突１８が設けられている。
【００３６】
本発明においては、船橋や居住区等の上部構造物１２の船尾側にスムーズな流れを形成するフェアリング部を設ける。つまり、上部構造物１２の船尾側の形状を船尾側の側壁部１３、１４と水平部１５、１６とで形成して、上甲板１１上に設けた上部構造物１２の船尾側の形状を予め設定された風速Ｖｗの中を船舶１の航海速力Ｖで前進したときに、上部構造物１２の船尾側に渦流が発生しない形状に形成する。この船尾側に渦流が発生するか否かは、風洞模型実験や、数値流体シミュレーションによって容易に検証することができ、具体的な形状もこれらの風洞模型実験や、数値流体シミュレーションの結果や、従来の周知の形状等から容易に決定することができる。
【００３７】
この船尾側の側壁部１３、１４と水平部１５、１６で囲まれる部分は、居住区などにして利用してもよいが、空隙としてもよい。すなわち、側壁部１３、１４と水平部１５、１６を、船尾側の空気の流れで渦流が発生しないようにするための、空間を囲むカバー体として形成してもよい。また、側壁部１３等には係船上等の必要に応じて開口部１３ａを設けてもよい。
【００３８】
なお、具体的な形状を風洞模型実験や、数値流体シミュレーションの結果や、従来の周知の形状等から決定する代わりに、次のようにして、この上部構造物１２の船尾側の形状を決めてもよい。
【００３９】
先ず、ドジャー１７及びドジャー１７の支持構造体（図示しない）を除いた最大幅をＢとする。次に、図３に示すように、この上部構造物１２の船尾側の形状を、この上部構造物１２の高さの範囲、即ち、上下方向の範囲のうちで少なくとも０％〜５０％、好ましくは０％〜７０％、より好ましくは０〜１００％の範囲における、水面に平行な各断面の形状において、次のように構成する。言い換えれば、この上部構造物１２の上下方向の範囲のうちで、５０％以上の範囲、好ましくは７０％以上の範囲、より好ましくは１００％の範囲における、水面に平行な各断面の形状において、次のように構成する。なお、上部構造物１２の高さには、煙突やマスト等の上部構造物１２からの突出物は含まない。
【００４０】
つまり、この範囲において、上部構造物１２の最大幅Ｂの船尾側最後部を下辺とし、この下辺の長さＢ１を０．９×Ｂとし、底角θ１を４０ｄｅｇ〜８０ｄｅｇ、より好ましくは５０ｄｅｇ〜７０ｄｅｇとし、上辺の長さＢ２を０．５×Ｂとして等脚台形を作る。また、最大幅Ｂの船尾側最後部を底辺とし、この底辺の長さＢ３を１．２×Ｂとし、底角θ２を４０ｄｅｇ〜８０ｄｅｇ、より好ましくは５０ｄｅｇ〜７０ｄｅｇとする二等辺三角形を作る。そして、この上部構造物１２の船尾側の形状を、平面視で、この等脚台形の領域よりも外側で、二等辺三角形の内側の領域に入るように形成する。
【００４１】
なお、高さ方向（上下方向）に関しては、段差が無い方が、空気の流れが円滑に流れ、渦流の発生が無くなるので好ましいが、構造上必要な場合には、図１〜図２に示すように高さ方向に段差があってもよい。この場合は、段差のある部分の角部に面取りや丸みを設けることが好ましい。
【００４２】
この構成により、いちいち、風洞模型実験や、数値流体シミュレーションによって検証する手間を省くことができ、正面からの風に対して船尾側に大きな渦が発生することを回避できる。
【００４３】
なお、等脚台形の底角θ１の角度を、４０ｄｅｇより小さくすると渦ができ易くなり、８０ｄｅｇより大きくすると上部構造物１２の船尾側が大きく船尾方向に延びすぎることになる。また、二等辺三角形の底角θ２の角度についても同様に、４０ｄｅｇより小さくすると渦ができ易くなり、８０ｄｅｇより大きくすると上部構造物１２の船尾側が大きく船尾方向に延びすぎることになる。
【００４４】
なお、この船尾側の側壁部１３、１４の形状に関しては、水面に平行な各断面の形状において、平面視で滑らかな曲線状の部分、又は、直線状の部分で形成することが好ましい。この滑らかな曲線又は滑らかな直線とは実際の船舶では、完全に凹凸が無いということは無理であるので、凹凸の深さが最大幅Ｂの５％以下となるように形成することが好ましい。この凹凸の少ない滑らかな曲線状又は直線状で形成することにより、この曲線状の部分又は直線状の部分で流れに剥離が生じて大きな渦が発生することを抑制することができる。
【００４５】
また、更に、上部構造物１２の船尾側を形成する船尾側の側壁部１３、１４を、この上部構造物１２の高さの範囲、即ち、上下方向の範囲のうちで少なくとも０％〜５０％、好ましくは０％〜７０％、より好ましくは０〜１００％の範囲における、水面に平行な各断面の形状において、次のように構成する。言い換えれば、この上部構造物１２の上下方向の範囲のうちで、５０％以上の範囲、好ましくは７０％以上の範囲、より好ましくは１００％の範囲における、水面に平行な各断面の形状において、次のように構成する。なお、上部構造物１２の高さには、煙突やマスト等の上部構造物１２からの突出物は含まない。
【００４６】
つまり、この範囲において、水平面に対して、３０ｄｅｇ〜９０ｄｅｇ、好ましくは、５０ｄｅｇ〜７０ｄｅｇの傾斜角θ３を有するように形成することが好ましい。この構成により、上部構造物１２の船尾側を形成する船尾側上面１５、１６と船尾側の側壁部１３、１４との角部で生じる渦流を抑制することができる。また、更に、この船尾側上面と船側側壁部との角部に角取り又は丸めを設けることにより、より効果的に渦流の発生を抑制することができるようになる。
【００４７】
この側壁部１３、１４は、水面上の全体又は上側の一部分が外側に凸となる曲面状に形成した場合には、曲面上の各点における接面が、水平面となす角度を傾斜角θ３とする。なお、傾斜角θ３を３０ｄｅｇより小さくすると、上部構造物１２の船尾側の下部が大きく船尾方向に延びることになり、９０ｄｅｇより大きくし過ぎると実用的ではなくなる。
【００４８】
この構成によれば、正面からの風による風圧抵抗が最も大きくなるのは、予め設定された風速Ｖｗの中を航海速力Ｖで前進したときであり、この時に船尾側に渦流（死水領域の停滞渦及びカルマン渦の流出渦等）ができなければ、風圧抵抗が小さくなるので、航海中全般にわたって、従来技術の船尾側を左右方向に延びる壁面で形成した上部構造物の形状よりも風圧抵抗を少なくすることができる。
【００４９】
そして、斜め前方からの風に対しても、従来技術の箱型の上部構造物に比べて渦流が発生し難く、斜め前方からの風に対する上部構造物１２の風圧抵抗が小さくなり、また、上部構造物１２は、荷役を考えて一般に船尾側に配置されていることが多いので、風圧に起因するヨウモーメントも小さくなるので、操縦性が向上することになる。
【００５０】
次に、第２の実施の形態の風圧抵抗の少ない船舶（以下船舶という）について説明する。図４〜図１３に示すように、この第２の実施形態の船舶１Ａは、自動車専用船を例にしたものであり、船体２０の船首から船尾にわたって、自動車を固定して搬送するために、階層構造の複数の甲板を有し、最上部の甲板である上甲板２１には、マスト２２や煙突２３は設けるが、船橋や居住区等の船楼を設けない。この船舶１Ａでは、船橋も居住区も上甲板２１より下に設け、上甲板２１より上にはできるだけ突出するものを設けず、風圧抵抗を減少させる。
【００５１】
また、水面より下には、船首側に船首バルブ３１が、船尾側にスクリュープロペラ３２と舵３３が設けられている。
【００５２】
この構成では、例えば、船橋は上甲板２１より下で見晴らしがよい船首部に設け、居住区はエンジンのある機関室に近い船尾側に設ける。最近はエンジンの制御や船内制御がリモートコントロール化されてきているので、船橋と機関室と居住区を必ずしも近傍に配置する必要性も小さくなってきているので、船楼を設けない構成でも大きな不便は生じない。
【００５３】
船首には、船首前縁上端から上甲板２１に向かって上向きの傾斜面２４を形成する。この傾斜面２４は、水平面に対する上向き角度が２０ｄｅｇ〜６０ｄｅｇで、好ましくは３８ｄｅｇになるように形成される。これにより、風の流れが船首前縁上端から上甲板に向かって流れる際に、上甲板部分における剥離と渦の発生を抑制でき、風圧抵抗を低減できる。
【００５４】
船体の上甲板２１と両舷側部２５とがなす角部に、船首から船尾のほぼ全長にわたって切欠段部２６を設ける。この切欠段部２６は、図６に示すように、船体中央における、上甲板から船底（キールライン）までの深さＤからバラスト喫水ｄｂを引き算したバラスト状態における乾舷ｆｂの５〜２０％の深さｄｓと幅ｂｓを有して形成される。例えば、積み荷となる自動車１台分の幅で、方形状に切り欠くことによって形成される。
【００５５】
この切欠段部２６により斜め方向の風に対して上甲板２１と舷側部２５とを結ぶ角部での剥離及び渦の発生が抑制されて、風圧による抵抗、横力、ヨーモーメントが軽減される。なお、この切欠段部２６は、船首から船尾のほぼ全長にわたって設けると効果が大きいが、船首からほぼ船体中央部までの範囲にわたって設けてもよい。
【００５６】
この切欠段部２６の舷側部２５と上甲板２１との角部においては、傾斜面２７を設けて横風を受けたときの抵抗を軽減することが好ましく、図４、図５、図８〜図１０の構成では、角部と傾斜面とを船首尾方向に交互に配置している。この傾斜面２６ａは、３０ｄｅｇ〜６０ｄｅｇで、好ましくは、４５ｄｅｇとし、この傾斜面２７の高さは、切欠段部２６の深さｄｓの３分の２〜３分の１程度が好ましい。
【００５７】
本発明においては、船体２０の水面上の部分（水面上構造物）の船尾側部分２０ａにスムーズな流れを形成するフェアリング部である側壁部２７、２８を設ける。つまり、船尾側部分２０ａの船尾側の形状を船尾側の側壁部２７、２８と上甲板２１で形成して、この船尾側部分２０ａの形状を予め設定された風速Ｖｗの中を船舶１Ａの航海速力Ｖで前進したときに、船尾側部分２０ａに渦流が発生しない形状に形成する。この船尾側部分２０ａに渦流が発生するか否かは、風洞模型実験や、数値流体シミュレーションによって容易に検証することができ、具体的な形状もこれらの風洞模型実験や、数値流体シミュレーションの結果や、従来の周知の形状等から容易に決定することができる。
【００５８】
この船尾側部分２０ａの側壁部２７，２８と上甲板２１で囲まれる部分は、係船装置や舵取り機構を配置するが、空隙部分を設けてもよい。すなわち、側壁部２７、２８と上甲板２１を、船尾側の空気の流れで渦流が発生しないようにするための、空間を囲むカバー体として形成してもよい。また、側壁部２７、２８には係船上等の必要に応じて開口部を設けてもよい。この構成では、自動車の荷役を行うためのランプウエイ用の開口部とその扉２９を設けている。また、船体２０の中央部付近の舷側部２５にも自動車の荷役を行うためのランプウエイ用の開口部とその扉３０を設けている。
【００５９】
なお、具体的な形状を風洞模型実験や、数値流体シミュレーションの結果や、従来の周知の形状等から決定する代わりに、次のようにして、この船尾側部分２０ａの船尾側の形状を決めてもよい。
【００６０】
先ず、船尾側部分２０ａの最大幅をＢとする。この船尾側部分２０ａとしては、船体２０の平行部の最後から船尾側とするが、平行部の最後が明確でない場合には、船尾垂線Ａ．Ｐ．から０．２×Ｌｐｐ（垂線間長）前方の位置から後方部分とする。
【００６１】
図１２に示すように、この船尾側部分２０ａの船尾側の形状を、この船尾側部分２０ａの上下方向の範囲のうちで少なくとも０％〜５０％、好ましくは０％〜７０％、より好ましくは０〜１００％の範囲における、水面に平行な各断面の形状において、次のように構成する。言い換えれば、この船尾側部分２０ａの高さの範囲、即ち、上下方向の範囲のうちで、５０％以上の範囲、好ましくは７０％以上の範囲、より好ましくは１００％の範囲における、水面に平行な各断面の形状において、次のように構成する。なお、船尾側部分２０ａの高さには、煙突やマスト等の船尾側部分２０の上甲板２１からの突出物は含まない。
【００６２】
つまり、この範囲における、水面に平行な各断面の形状において、船尾側部分２０ａの最大幅Ｂの船尾側最後部を下辺とし、この下辺の長さＢ１を０．９×Ｂとし、底角θ１を４０ｄｅｇ〜８０ｄｅｇ、より好ましくは５０ｄｅｇ〜７０ｄｅｇとし、上辺の長さＢ２を０．９×Ｂとして等脚台形を作る。また、最大幅Ｂの船尾側最後部を底辺とし、この底辺の長さＢ３を１．２×Ｂとし、底角θ２を４０ｄｅｇ〜８０ｄｅｇ、より好ましくは５０ｄｅｇ〜７０ｄｅｇとする二等辺三角形を作る。そして、この船尾側部分２０ａの船尾側の形状を、平面視で、この等脚台形の領域よりも外側で、二等辺三角形の内側の領域に入るように形成する。
【００６３】
この構成により、いちいち、風洞模型実験や、数値流体シミュレーションによって検証する手間を省くことができ、正面からの風に対して船尾側に大きな渦が発生することを回避できる。
【００６４】
なお、等脚台形の底角θ１の角度を、４０ｄｅｇより小さくすると渦ができ易くなり、８０ｄｅｇより大きくすると上部構造物１２の船尾側が大きく船尾方向に延びすぎることになる。また、二等辺三角形の底角θ２の角度についても同様に、４０ｄｅｇより小さくすると渦ができ易くなり、８０ｄｅｇより大きくすると上部構造物１２の船尾側が大きく船尾方向に延びすぎることになる。
【００６５】
なお、この船尾側部分２０ａの側壁部２７、２８の形状に関しては、水面に平行な各断面の形状において、平面視で滑らかな曲線状の部分、又は、直線状の部分で形成することが多く、また、このように構成することが好ましい。しかしながら、ランプウエイの扉２９を設けたりする場合には、完全に凹凸が無いということは無理であるので、凹凸の深さが最大幅Ｂの５％以下となるように構成することが好ましい。この凹凸の少ない滑らかな曲線状又は直線状で形成することにより、この曲線状の部分又は直線状の部分で流れに剥離が生じて大きな渦が発生することを抑制することができる。
【００６６】
また、更に、船尾側部分２０ａの船尾側を形成する側壁部２７，２８を、この船尾側部分２０ａの高さの範囲、即ち、上下方向の範囲のうちで少なくとも０％〜５０％、好ましくは０％〜７０％、より好ましくは０〜１００％の範囲における、水面に平行な各断面の形状において、次のように構成する。言い換えれば、この船尾側部分２０％の上下方向の範囲のうちで、５０％以上の範囲、好ましくは７０％以上の範囲、より好ましくは１００％の範囲における、水面に平行な各断面の形状において、次のように構成する。なお、船尾側部分２０ａの高さには、煙突やマスト等の船尾側部分２０の上甲板２１からの突出物は含まない。
【００６７】
つまり、この範囲において、水平面に対して、３０ｄｅｇ〜９０ｄｅｇ、好ましくは５０ｄｅｇ〜７０ｄｅｇの傾斜角θ３を有するように形成することが好ましい。この構成により、船尾側部分２０ａの船尾側を形成する上甲板２１と側壁部２７、２８との角部で生じる渦流を抑制することができる。
【００６８】
この側壁部１３、１４は、水面上の全体又は上側の一部分が外側に凸となる曲面状に形成した場合には、曲面上の各点における接面が、水平面となす角度を傾斜角θ３とする。
【００６９】
なお、この側壁部２７、２８は、水面上の全体又は上側の一部分が外側に凸となる曲面状に形成することが好ましく、この場合には、曲面上の各点における接面が、水平面となす角度を傾斜角θ３とする。また、更に、この上甲板２１と側壁部２７、２８の角部に角取り又は丸めを設けることにより、より効果的に渦流の発生を抑制することができるようになる。
【００７０】
なお、傾斜角θ３を３０ｄｅｇより小さくすると、船尾側部分２０ａの下部が大きく船尾方向に延びることになり、９０ｄｅｇより大きくし過ぎると、実用的ではなくなる。
【００７１】
この構成によれば、正面からの風による風圧抵抗が最も大きくなるのは、予め設定された風速Ｖｗの中を航海速力Ｖで前進したときであり、この時に船尾側に渦流（死水領域の停滞渦及びカルマン渦の流出渦等）ができなければ、風圧抵抗が小さくなるので、航海中全般にわたって、従来技術の船尾側部分を左右方向に延びる壁面で形成したトランサム船型の船尾の形状よりも風圧抵抗を少なくすることができる。
【００７２】
そして、斜め前方からの風に対しても、従来技術のランサム船型の船尾の形状に比べて渦流が発生し難く、斜め前方からの風に対する船体２０の風圧抵抗が小さくなり、風圧に起因するヨウモーメントも小さくなるので、操縦性が向上することになる。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明の風圧抵抗の少ない船舶は、風圧抵抗を低減し船速低下を改善することができて、速力性能と操縦性能を改善することができ、その結果、燃費と運航性能を向上することができるので、数多くの種類の船舶として利用でき、特に、風圧面積が大きくなる自動車専用船、コンテナ船、客船として利用できる。
【符号の説明】
【００７４】
１、１Ａ 船舶
２ 水面
１１、２１ 上甲板
１２ 上部構造物（水面上構造物）
１３、１４ 側壁部（フェアリング部）
１５、１６ 水平部
１７ ドジャー
２０ 船体
２０ａ 船体の水面上の部分（水面上構造物）の船尾側部分
２１ 上甲板
２５ 舷側部
２６ 切欠段部
２７、２８ 傾斜部
２９、３０ ランプウエイ用の開口部の扉
Ｂ 最大幅
Ｂ１ 等脚台形の下辺の長さ
Ｂ２ 等脚台形の上辺の長さ
Ｂ３ 二等辺三角形の底辺の長さ
Ｖｗ 風速
Ｖ 航海速力
θ１ 等脚台形の底角
θ２ 二等辺三角形の底角
θ３ 側壁部の水平面に対する傾斜角
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上記の目的を達成するための風圧抵抗の少ない船舶は、航海速力で、船舶の航行速度に関係するフルード数が、０．１３〜０．３０の船舶で、上甲板上に設けた上部構造物の船尾側の形状、または、水面上の船体の船尾側の形状の少なくとも一方の水面上構造物の形状を、予め設定された風速の中を前記航海速力で前進したときに船尾側に渦流が発生しない形状に形成したことを特徴とする風圧抵抗の少ない船舶。
【請求項２】
上部構造物の船尾側の形状又は水面上の船体の船尾側の形状の少なくとも一方の水面上構造物の形状において、
船橋を有する上部構造物の場合にはドジャー及びドジャーの支持構造体を除いた最大幅をＢとしたときに、
この水面上構造物の船尾側の形状を、この水面上構造物の上下方向の範囲のうちで少なくとも０％〜５０％の範囲における、水面に平行な各断面の形状において、
最大幅Ｂの船尾側最後部を下辺とし、該下辺の長さＢ１を０．９×Ｂとし、底角θ１を４０ｄｅｇ〜８０ｄｅｇとし、上辺の長さＢ２を０．５×Ｂとする等脚台形よりも外側の範囲で、且つ、前記最大幅Ｂの船尾側最後部を底辺とし、該底辺の長さＢ３を１．２×Ｂとし、底角θ２を４０ｄｅｇ〜８０ｄｅｇとする二等辺三角形よりも内側の領域に入るように形成したことを特徴とする請求項１記載の風圧抵抗の少ない船舶。
【請求項３】
前記水面上構造物の船尾側を形成する船尾側の側壁部を、水面に平行な各断面の形状において、平面視で凹凸の深さが最大幅Ｂの５％以下となる滑らかな曲線状の部分、又は、平面視で凹凸の深さが最大幅Ｂの５％以下となる直線部分、又は、両者の組み合わせで形成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の風圧抵抗の少ない船舶。
【請求項４】
前記水面上構造物の船尾側を形成する船尾側の側壁部を、この水面上構造物の上下方向の範囲のうちで少なくとも０％〜５０％の範囲において、水平面に対して３０ｄｅｇ〜９０ｄｅｇの傾斜角θ３を有するように形成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の風圧抵抗の少ない船舶。
【請求項１】
上記の目的を達成するための風圧抵抗の少ない船舶は、航海速力で、船舶の航行速度に関係するフルード数が、０．１３〜０．３０の船舶で、上甲板上に設けた上部構造物の船尾側の形状、または、水面上の船体の船尾側の形状の少なくとも一方の水面上構造物の形状を、予め設定された風速の中を前記航海速力で前進したときに船尾側に渦流が発生しない形状に形成したことを特徴とする風圧抵抗の少ない船舶。
【請求項２】
上部構造物の船尾側の形状又は水面上の船体の船尾側の形状の少なくとも一方の水面上構造物の形状において、
船橋を有する上部構造物の場合にはドジャー及びドジャーの支持構造体を除いた最大幅をＢとしたときに、
この水面上構造物の船尾側の形状を、この水面上構造物の上下方向の範囲のうちで少なくとも０％〜５０％の範囲における、水面に平行な各断面の形状において、
最大幅Ｂの船尾側最後部を下辺とし、該下辺の長さＢ１を０．９×Ｂとし、底角θ１を４０ｄｅｇ〜８０ｄｅｇとし、上辺の長さＢ２を０．５×Ｂとする等脚台形よりも外側の範囲で、且つ、前記最大幅Ｂの船尾側最後部を底辺とし、該底辺の長さＢ３を１．２×Ｂとし、底角θ２を４０ｄｅｇ〜８０ｄｅｇとする二等辺三角形よりも内側の領域に入るように形成したことを特徴とする請求項１記載の風圧抵抗の少ない船舶。
【請求項３】
前記水面上構造物の船尾側を形成する船尾側の側壁部を、水面に平行な各断面の形状において、平面視で凹凸の深さが最大幅Ｂの５％以下となる滑らかな曲線状の部分、又は、平面視で凹凸の深さが最大幅Ｂの５％以下となる直線部分、又は、両者の組み合わせで形成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の風圧抵抗の少ない船舶。
【請求項４】
前記水面上構造物の船尾側を形成する船尾側の側壁部を、この水面上構造物の上下方向の範囲のうちで少なくとも０％〜５０％の範囲において、水平面に対して３０ｄｅｇ〜９０ｄｅｇの傾斜角θ３を有するように形成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の風圧抵抗の少ない船舶。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−５７０５２（Ｐ２０１１−５７０５２Ａ）
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２０７９０７（Ｐ２００９−２０７９０７）
【出願日】平成２１年９月９日（２００９．９．９）
【出願人】（０００１４４０４９）株式会社三井造船昭島研究所 (27)
【出願人】（０００２０５５３５）株式会社 商船三井 (21)
【出願人】（５０２０５５３７７）商船三井テクノトレード株式会社 (5)
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月９日（２００９．９．９）
【出願人】（０００１４４０４９）株式会社三井造船昭島研究所 (27)
【出願人】（０００２０５５３５）株式会社 商船三井 (21)
【出願人】（５０２０５５３７７）商船三井テクノトレード株式会社 (5)
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