船舶関連流体現象の理解促進を目指した机上回流水槽装置と実習プログラムの開発

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流体力学上の静的な釣合関係("浮力と重量"、"横/縦傾斜における傾斜モーメントと復原力"など)を理解するための机上実習装置を活用しているが、舵揚力、プロペラ推力、船体抵抗などの複雑ではあるが重要な動的な流体現象に関する教材を提供できないでいた。本研究は、机上で流れを生成する机上回流水槽装置を設計・試作し、「動的な流体現象を触って、見て、感じて理解する机上実習」を実現し、学生の船舶関連の動的な流体現象の理解を促進させることを試みた。現有する大型回流水槽の要目と特性に基づき、W:600×D:400×H:100mm(観測部長=200mm)の机上回流水槽を試設計し、モータ・インペラを含めた机上回流水槽の主要目の決定、3Dモデラー(solidworks)による水槽本体の詳細設計を行った。・机上回流水槽の本体は3Dプリンタ(uPrint)により分割して樹脂成型し、観測に使用する舵も同じく樹脂成型する。・観測部はアクリル板を加工し、インペラ、モーター、コントローラなどの駆動部・駆動制御部を組立、試作する。・舵角調整部、検力計を取り付け、舵角に対する揚力が測定できる構造とする。試作した机上回流水槽のインペラ回転に伴う流速分布等を計測、検証後、舵角調整部に舵を装着し観測を実施した。机上で実験できる寸法とし手軽に実習が行えることや、多くの学生が動的な流体力学実験を自ら触って、見て、感じられることなど利点が多い。CFDによる流体現象可視化教材(画像(流速、流向、圧力分布)、アニメーションで可視化した教材)を活用した授業を展開しており、併せて活用することで流体力学現象を捉えやすく、流体力学の興味、理解促進に繋がると考える。