マイクロバブルで省コスト－船を乗せて走る泡の絨毯－

児玉良明

独立行政法人　海上技術安全研究所

知的乱流制御研究センター

マイクロバブルとは?

境界層に微細な気泡を注入

最大80%もの大きな摩擦抵抗低減効果を発生

気泡発生板の直後で摩擦を計測したMadavanの実験

吹き出し空気量

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 2 4 6 8 10 12 14t_a (mm)

Cf/Cf0

4 .2m/s

9.3m/s

12.4m/s

17.4m/s

摩擦抵抗比

最大80%低減

気泡発生板 摩擦計測板

流れ

船の抵抗の大部分は摩擦抵抗

特に、肥大船(タンカーなど)では約80%が摩擦抵抗

摩擦抵抗の低減が省エネルギーに直結

摩擦抵抗は船の主要抵抗成分

摩擦抵抗は主に乱流によって発生する

= 物体の大きさ×速度

摩擦係数

レイノルズ数

層流 乱流

流れが層流から乱流になると、摩擦抵抗が著しく増大する。

流れ

境界層

壁

流れ

乱流

壁

摩擦抵抗を低減させるためには、

摩擦抵抗を低減させるためには、

レイノルズ応力項を小さくする必要がある。

速度変動相関を弱める、

密度を小さくする等により

''vuyu ρµ −∂∂

リブレットは船に使えるか?

リブレット

リブレット(高さ h+ = 15)は、模型船 (L=7m)ではh=0.35mm

だが、実船(L=320m、15万トンタンカー)ではh=0.08mmに

なり、汚損などに耐えられない。

使えない

マイクロバブルは船舶への実用化に最も近い摩擦抵抗低減デバイス

肥大船型

摩擦抵抗が全抵抗の80%を占める。

平らで広い船底をもち、船首部で気泡を注入すると、船

底を気泡で効率的に覆うことができる。

二重底の間に気泡発生装置を設置できる。

マイクロバブルが船に適している理由

マイクロバブルが実船においても抵抗低減効果をもつことは、実船実験(後述)で示された。

マイクロバブル研究の歴史

1970年代

旧ソ連で、軍用を意識した研究

1980年代

米国で、軍用を意識した研究

1990年代以降

日本で、商用を意識した研究

2001年:

造研SR239部会による青雲丸実船実験

2002年～

再び米国で活発な研究

海技研における研究:

1995年～。実験、数値計算。実船実験にも参加。

我が国の研究が最も進んでいる。

海技研はその中でも指導的立場にある。

マイクロバブル基礎実験用の小型流路を製作した

Test section（15mm x 100mm）

3000mm

Air injection chamber (Position 1)Flow direction

PumpElectromagnetic flow meter

Dump tankWire mesh

1038 500 500 500 462

P2 P3 P4

Test section（15mm x 100mm）

3000mm

Air injection chamber (Position 1)Flow direction

PumpElectromagnetic flow meter

Dump tankWire mesh

1038 500 500 500 462

P2 P3 P4

Porous plate Air

Flow

気泡吹き出し部

計測部

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12

αa

Cf/Cf0

P2P3P4Merkle

多孔質板

吹き出し空気量を増やすと、低減効果が上がる。

下流ほど低減効果が下がる。

多孔質板の方が低減効果が大きい。

摩擦抵抗低減効果の特徴 (U=7m/s)

摩

擦

抵

抗

比

吹き出し空気量(平均ボイド率)

摩

擦

抵

抗

比

ＰＰ　多孔質板(公称孔径2μm)

局所ボイド率分布の計測結果 （Um=7m/s、平均ボイド率α=8%）

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1112 13 14 15

distance from the wall (mm)

αa

P.2P.3

P.4

壁からの距離

局

所

ボ

イ

ド

率

上流

下流

下流に行くほど気泡が拡散する

空気

水

50m平板模型船を用いた実験

(3.5m) (4.8m) (8.8m) (31.5m)(32.8m) (36.8m)

P1 P2

50.0m

P4 P5P3 P6

Air injection at bow (3.0m) Air injection at middle (31.0m)

(3.5m) (4.8m) (8.8m) (31.5m)(32.8m) (36.8m)

P1 P2

50.0m

P4 P5P3 P6

Air injection at bow (3.0m) Air injection at middle (31.0m)

12m船の平行部を追加して長さ50mの平板模型船(ギネスレコード申請中)を製作。

摩擦抵抗低減効果の持続性

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0 10 20 30 40 50

Xa (m)

Cf/Cf0

t_a=2.0mm AHP NMRI t_a=3.0mm AHP NMRI t_a=1.9mm PP Watanabet_a=2.9mm PP Watanabe

V=7m/s

摩

擦

抵

抗

比

吹き出し位置からの距離

摩擦抵抗低減効果は、ほぼ下流端まで持続

50m平板模型船における3種類の吹き出し方法の比較

気泡発生板として多孔質板(PP)、配列多孔板(AHP)、スロット板(SP)を比較した。

PP AHP SP 2μm　1mm 　　5.2mm

全抵抗値の低減

0.85

0.90

0.95

1.00

0 2 4 6 8t_a (mm)

Rt/Rt0

V=5m/s AHP

V=5m/s PP

V=5m/s SP

V=7m/s AHP

V=7m/s PP

V=7m/s SP

吹き出し空気量

抵抗低減効果は3者ほぼ同一。

スロット板は、圧力損失が最も小さく、汚損にも強く、実用に最適。

実船にマイクロバブルを適用した場合の省エネルギー効果の推定方法

W)( pump

net

WWr

−∆−=正味の省エネ率

船の推進動力

)( agzQρ=気泡発生動力抵抗低減による省エネ量

長さ100mの肥大船の省エネ効果の推定

正味約10%の省エネルギー効果が得られる

全長: 100m

全幅: 20m

喫水: 7m

船速: 14 ノット → 50m平板模型船の実験結果(7m/s)を利用

船首近くの下向きの流れを利用→気泡発生動力≒０

青雲丸を用いた実船実験

(社)日本造船研究協会第239研究部会は青雲丸を用いたマイクロバブルの実船実験を実施した(2001年)。

マイクロバブルにより

3%の摩擦抵抗低減効果と正味2%の省エネルギー効果が得られた、プロペラに気泡が流入するとプロペラ性能が低下した、

船尾振動が低減した。

1900

2000

2100

2200

2300

2400

2500

2600

13.4 13.6 13.8 14 14.2 14.4 14.6

14kt 1&4 Max

W/O Bubble

with Bubble

PS

Vs [kt]

2279 PS

2216 PS

Vs3 curve

Approx. 3% power reduction

without bubble

with bubble

Vs (kt)

V3 curve

1900

2000

2100

2200

2300

2400

2500

2600

13.4 13.6 13.8 14 14.2 14.4 14.6

14kt 1&4 Max

W/O Bubble

with Bubble

PS

Vs [kt]

2279 PS

2216 PS

Vs3 curve

Approx. 3% power reduction

without bubble

with bubble

1900

2000

2100

2200

2300

2400

2500

2600

13.4 13.6 13.8 14 14.2 14.4 14.6

14kt 1&4 Max

W/O Bubble

with Bubble

PS

Vs [kt]

2279 PS

2216 PS

Vs3 curve

Approx. 3% power reduction

without bubble

with bubble

without bubble

with bubble

Vs (kt)

V3 curve

3%の馬力低減

航海訓練所練習船「青雲丸」

青雲丸の気泡発生装置

実用化のための要件 1/2

(1)正味の省エネルギー効果 (例えば5%)

抵抗低減効果の増大 :

各種損失の低減 : 機械的損失、管路損失、水圧

(2)運動する船体への適用

波浪中、旋回

(3)粗さ付き表面への適用

粗い表面の方が低減効果が大。

(4)メンテナンスの容易さ

スロット板は、圧力損失小、汚損対策が容易(開口部大、面積小)

(5)経済性

設備費、ランニングコストに見合う効果

実用化のための要件 2/2

Deutsch et al. (2003)による粗さ付き平板のマイクロバブル実験結果. U=13.7m/s.

抵

抗

値

吹き出し空気量

粗面(0.3mm)

滑面

技術の進歩による環境の変化

気泡のプロペラ流入の回避 : バトックフロー船型とポッド推進の利用

コンプレッサ動力の低減 : 電気推進システムの利用

ポッドプロペラ

ヤンマー（株）殿パンフレットより

超高速船への適用は可能か?

×高速ほど抵抗低減効果は減少する。

乱流の働きにより、気泡が壁から拡散される。

◎高速ほど、動圧の利用により気泡発生動力を低減できる。

30ノットを超えると、動圧により10mの水深圧をゼロにできる。

米国ONR(Office of Naval Research)、DARPAによる抵抗低減研究

ポリマーとマイクロバブルを研究

Sea Lift (大型船を70ノットで航行)に利用を検討

Signature(航跡)問題は?

海技研はマイクロバブルの抵抗低減メカニズムを担当(ONR-IFO)

おわりに

・マイクロバブルは振動低減効果ももっている。

・マイクロバブルによる摩擦抵抗低減メカニズムは解明されつつあり、

その知見を用いて、さらに低減効果を高めることが期待される。

・ただし、気泡がプロぺラに流入すると性能低下を起こすので、装置及び

船型の設計により避ける必要がある。

・マイクロバブルは船舶に有効な抵抗低減デバイスであり、低速肥大船

では、現在の技術レベルでも10%程度の省エネ効果を得ることができる。