船の模型水槽

船舶模型水槽は、新しい（実物大の）船舶を設計したり、船舶の海上での性能を向上させるために船舶の設計を改良したりする目的で、船舶模型による流体力学試験を行うために使用される水槽またはタンクです。また、このような施設を所有および運営する組織（多くの場合、企業）を指すこともあります。

エンジニアリング会社は、関係する造船所の請負業者として機能し、船舶や海洋構造物の設計と開発をサポートするために、流体力学モデルテストと数値計算を提供します。

著名なイギリス人技術者ウィリアム・フルードは、 1860年代に安定性を最大化する船の設計に関する一連の影響力のある論文を発表しました。最終的に、英国造船技師会は、最も効率的な船体形状を特定するよう彼に依頼しました。彼は、さまざまな船体寸法のスケールモデルを使用して、広範な実験的テストで理論モデルを検証しました。彼は、小規模テストの結果を使用してフルサイズの船体の挙動を予測できる公式（現在フルード数として知られています）を確立しました。彼は、3フィート、6フィート、および（写真に示すように）12フィートのスケールモデルを次々と構築し、抵抗とスケーリングの法則を確立するために曳航試験に使用しました。彼の実験は後に海軍本部が実施したフルスケール試験で実証され、その結果、公費で彼の自宅であるトーキーに最初の船体模型水槽が建設されました。ここで彼は数学の専門知識と実際の実験を組み合わせることに成功し、彼の手法は今日でも採用されています。^[1]

フルードの成功した研究に触発され、造船会社ウィリアム・デニー・アンド・ブラザーズは1883年に世界初の商業用船体模型水槽を完成させた。この施設は様々な船の模型をテストするために使用され、プロペラ、パドル、羽根車など様々な推進方式が検討された。デニー・ブラウン安定装置とデニー・ホバークラフトの模型で実験が行われ、その実現可能性が測定された。タンクのスタッフは他の会社のためにも研究と実験を行った。ベルファストに拠点を置くハーランド・アンド・ウルフは、デニー・タンクでの模型テストが成功した後、定期船キャンベラに球状船首を取り付けることを決定した。^[2]

モデル水槽サイトにある流体力学試験設備には、少なくとも曳航水槽、キャビテーション トンネル、作業場が含まれます。一部の船舶モデル水槽には、操縦および耐航水槽や氷タンクなどの追加設備が備わっています。

曳航水槽は、幅が数メートル、長さが数百メートルの水盤で、両側の 2 本のレール上を走る曳航台車を備えています。曳航台車は、模型を曳航することも、自走模型に追従することもできます。また、速度、プロペラの推力とトルク、舵角などの変数をそれぞれ記録または制御するためのコンピューターとデバイスを備えています。曳航水槽は、造船所と船主の間で契約された速度を達成するためにエンジンがどれだけのパワーを供給しなければならないかを判断するために、曳航船模型と自走船模型の抵抗と推進力のテストに使用されます。曳航水槽は、模型スケールでの操縦動作を判断するためにも使用されます。このために、自走模型は、さまざまな舵角振幅で一連のジグザグ操縦にさらされます。システム識別によるテスト データのポスト処理により、ディウドネ スパイラル テストや旋回円などの他の操縦をシミュレートする数値モデルが作成されます。さらに、曳航タンクには PMM (平面運動機構) または CPMC (コンピューター化された平面運動キャリッジ) を装備して、斜めの流入や強制運動の影響下にある船舶または水中物体にかかる流体力学的な力とモーメントを測定することができます。曳航タンクには、自然 (不規則) 波をシミュレートするか、モデルを波束にさらして応答振幅演算子(略語RAO ) と呼ばれる一連の統計値を生成することによって耐航性テストを実行するための波発生器も装備できます。応答振幅演算子は、さまざまな波の振幅と周波数 (これらのパラメーターは海況と呼ばれます) のある海で運航する場合の船舶の実際の航行動作を決定します。最新の耐航性テスト施設では、適切なコンピューター ハードウェアとソフトウェアの支援を受けて、1 回のテストでこれらの RAO 統計値を決定できます。

キャビテーション トンネルは、プロペラの調査に使用されます。これは、大口径パイプを備えた垂直の水回路です。上部には測定設備があります。平行な流入が確立されます。船の模型の有無にかかわらず、動力計に取り付けられたプロペラが流入に持ち込まれ、流入速度に対するプロペラ速度 (回転数) のさまざまな比率で、その推力とトルクが測定されます。プロペラ速度と同期したストロボスコープは、キャビテーション バブルが動かないかのようにキャビテーションを視覚化するのに役立ちます。これにより、プロペラがキャビテーションによって損傷を受けるかどうかを観察できます。実物大のプロペラとの類似性を確保するために、圧力が下げられ、水のガス含有量が制御されます。

船舶模型製作所では、コンピューター制御のフライス盤を使用して木材またはパラフィンから船舶模型を製作しています。模型用プロペラも製作しているところもあります。船舶模型にあらゆる駆動装置とゲージを装備し、非標準模型テスト用の装置を製造するのが、この工房の主な仕事です。

これは、波と船体模型の間の任意の角度を調査したり、曳航タンクが狭すぎる旋回円などの操作を実行したりするのに十分な広さのテスト施設です。ただし、スパイラル テストなどの重要な操作にはさらに多くのスペースが必要であり、システム識別後に数値的にシミュレーションする必要があります。

砕氷船の開発には氷タンクが使用され、このタンクは外洋船の曳航タンクと同様の目的を果たします。抵抗と必要なエンジン出力、操縦動作は氷の厚さに応じて決定されます。また、沖合構造物に対する氷の力も決定できます。氷層は特別な手順で凍結され、氷結晶をモデルスケールに縮小します。

さらに、これらの企業や当局は、船舶や舵、プロペラの周りの複雑な流れを数値的にシミュレートするCFDソフトウェアと経験を持っています。今日の最先端の技術では、ソフトウェアがモデル テスト全体を CFD 計算に置き換えることはまだできません。その理由の 1 つは、要素化がまだ高価であることです (ただし、これが唯一の理由ではありません)。また、一部の船舶のライン設計は、最初から、または造船所から取得した初期設計を最適化することによって、船舶モデル ベイスンの専門家によって実行されます。同じことがプロペラの設計にも当てはまります。

世界中の船舶模型水槽はITTC ^[3]（国際曳航水槽会議）に組織され、模型試験手順を標準化しています。

最も重要な船舶模型水槽には以下のものがあります。

• スコットランド、ダンバートンにあるデニータンク。デニータンクは最初の商用船模型水槽でした。^[4]
• 電流計定格台車、CMC部門、CWPRSプネ、インド^[5]
• SINTEF Ocean、曳航タンク、海洋盆地、キャビテーショントンネル^[6]、ノルウェー、トロンハイム
• 高速曳航戦車 - ウルフソンユニットMTIA ^[7] - 高性能動力と帆の専門家。
• 米国海軍水上戦闘センターのカーデロック部門にあるデイビッド・テイラー模型盆地とデイビッドソン研究所
• インド・ヴィザグ海軍科学技術研究所の高速曳航タンク施設
• カナダのセントジョンズにある海洋技術研究所^[8]
• デンマークのリンビーにあるFORCEテクノロジー^[9]
• SSPA ^[10]スウェーデン、ヨーテボリ
• ブラジルのサンパウロにあるサンパウロ技術研究所^[12]の海軍海洋工学研究所( ^[11] ) 。
• オランダ海洋研究所（MARIN）^[13]オランダ、ワーゲニンゲン
• CNR-INSEAN [ ^14]ローマ、イタリア
• イタリア、ナポリのフェデリコ2世ナポリ大学^[15]
• SVAポツダム^[16]（ドイツ、ポツダム）
• HSVA ^[17 ]ドイツ、ハンブルク
• 「Bassin d'essai des carènes」（ヴァル・ド・ルイユ）^[18] フランス
• スペインのマドリードにあるCEHIPAR ^[19]
• CTO SA ^[20] ]（ポーランド、グダニスク）
• スコットランド、エディンバラのFloWaveTT ^[21]
• ロシア、サンクトペテルブルクのクリロフ州立研究センターКрыловский государственный научный центр
• 国立研究開発法人海上技術安全研究所（NMRI）^[22]（東京）
• 中国船舶科学研究センター（CSSRC）^{[23] （}中国無錫市）
• ローザ・レーレ [de ]ベルリン、ドイツ

• 船舶モデリングに関する Ultramarine Inc. の Web ページ

• 「海軍のスピードとパワーを向上」、1943年6月、ポピュラーサイエンス誌、曳航基地に関する大きくて分かりやすい記事