変形とキャビテーションを考慮した弾性プロペラの翼形状および剛性の最適化

一般的に商舶用のプロペラは金属製であるが、近年、複合材料製のプロペラの開発と実用化がなされている。複合材料となることによりプロペラの弾性変形を利用し、船尾伴流中でキャビテーションを抑えることが期待されている。本研究の目的は、キャビテーションを抑え、なおかつ効率の良い弾性プロペラの翼形状と剛性を見出すこと、またプロペラ翼形状、翼の変形とキャビテーションの関係性を明確にすることであった。本研究では、揚力面理論とFEMを組み合わせることにより、弾性プロペラの構造流体連成計算法を開発した。なお揚力面理論計算によるプロペラ翼形状と特性の変化の影響については組合せラインCCD法による弾性プロペラ模型の変形量計測結果と比較して再現可能であることを検証した。また、パネル法によるプロペラ性能計算法によりプロペラ効率とキャビテーションの発生範囲を関数とした多目的最適化手法を開発した。さらに、設計空間内における設計変数と設計変数間の複雑な応答を可視化およびイメージ可能な単純な関数に抽出することのできる固有直交分解法を開発した。本手法によって、プロペラの設計変数（ピッチやキャンバーなど）によるプロペラ特性の変化を、単独の設計変数による影響（主要因効果）と2つ以上の設計変数による影響（交互作用）として抽出し、可視化することが可能になった。これにより有効なパラメータの確認が可能となった。本研究の結果、弾性プロペラが変形することに流体特性の変化の予測、またキャビテーションの発生範囲を考慮した多目的最適化、さらに設計変数がプロペラ特性に与える複雑な応答を抽出して可視化することが可能になった。

一般的に商舶用のプロペラは金属製であるが、近年、複合材料製のプロペラの開発と実用化がなされている。複合材料となることによりプロペラの弾性変形を利用し、船尾伴流中でキャビテーションを抑えることが期待されている。本研究の目的は、キャビテーションを抑え、なおかつ効率の良い弾性プロペラの翼形状と剛性を見出すこと、またプロペラ翼形状、翼の変形とキャビテーションの関係性を明確にすることであった。本研究では、揚力面理論とFEMを組み合わせることにより、弾性プロペラの構造流体連成計算法を開発した。なお揚力面理論計算によるプロペラ翼形状と特性の変化の影響については組合せラインCCD法による弾性プロペラ模型の変形量計測結果と比較して再現可能であることを検証した。また、パネル法によるプロペラ性能計算法によりプロペラ効率とキャビテーションの発生範囲を関数とした多目的最適化手法を開発した。さらに、設計空間内における設計変数と設計変数間の複雑な応答を可視化およびイメージ可能な単純な関数に抽出することのできる固有直交分解法を開発した。本手法によって、プロペラの設計変数（ピッチやキャンバーなど）によるプロペラ特性の変化を、単独の設計変数による影響（主要因効果）と2つ以上の設計変数による影響（交互作用）として抽出し、可視化することが可能になった。これにより有効なパラメータの確認が可能となった。本研究の結果、弾性プロペラが変形することに流体特性の変化の予測、またキャビテーションの発生範囲を考慮した多目的最適化、さらに設計変数がプロペラ特性に与える複雑な応答を抽出して可視化することが可能になった。