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船舶模型水槽とは、船舶模型を用いて流体力学的試験を行うための水槽またはタンクのことで、新しい（実物大の）船舶の設計、あるいは船舶の設計を改良して海上での性能を向上させる目的で使用されます。また、このような施設を所有・運営する組織（多くの場合、企業）を指す場合もあります。
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、船舶や海洋構造物の設計・開発を支援するために、流体力学モデル試験や数値計算を提供する。
著名なイギリス人エンジニア、ウィリアム・フルードは、 1860年代に安定性を最大化するための船舶設計に関する影響力のある論文を多数発表しました。海軍建築家協会は最終的に、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縮尺模型を用いて広範な実証試験を行い、理論モデルを検証しました。彼は、小型試験の結果を用いて実物大の船体の挙動を予測できる公式（現在では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、そして（写真に示されている）12フィートの縮尺模型を製作し、曳航試験でそれらを用いて抵抗とスケーリング法則を確立しました。彼の実験は後に海軍本部が行った実物大試験で正当性が証明され、その結果、彼の自宅であるトーキーに公費で最初の船舶模型水槽が建設されました。ここで彼は、数学的専門知識と実践的な実験を非常に効果的に組み合わせることができ、彼の方法は今日でも踏襲されています。[ 1 ]
フルードの成功に触発され、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舶模型水槽を完成させた。この施設は、さまざまな船舶の模型をテストし、プロペラ、パドル、羽根車などのさまざまな推進方法を研究するために使用された。デニー・ブラウン式スタビライザーとデニー式ホバークラフトの模型で実験が行われ、その実現可能性が評価された。水槽のスタッフは他の企業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、デニー水槽での模型テストが成功した後、客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 ]
模型水槽に設置されてい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、および作業場が含まれる。一部の模型水槽には、操縦性・耐航性試験水槽や氷水槽などの追加設備も備わっている。
曳航水槽は、幅数メートル、長さ数百メートルの水槽で、両側に2本のレールが設置された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、速度、プロペラ推力とトルク、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と装置を備えています。曳航水槽は、曳航式および自走式の船舶模型を用いた抵抗および推進試験に使用され、造船所と船主間の契約で定められた速度を達成するためにエンジンがどれだけの動力を供給する必要があるかを決定します。曳航水槽は、模型スケールでの操縦挙動を決定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。システム同定による試験データの事後処理により、ディユドネ螺旋試験や旋回円などの他の操縦をシミュレートするための数値モデルが生成されます。さらに、曳航水槽には、斜め流入や強制運動の影響下にある船舶や水中物体にかかる流体力とモーメントを測定するために、PMM（平面運動機構）またはCPMC（コンピュータ化平面運動キャリッジ）を装備することができます。曳航水槽には、耐航性試験を実施するために造波装置を装備することもできます。耐航性試験は、自然波（不規則波）をシミュレートするか、応答振幅演算子（略称RAO ）と呼ばれる一連の統計値が得られる波束に模型をさらすことによって行われます。このRAOは、波の振幅と周波数が変化する海域（これらのパラメータは海況として知られています）で船舶が航行する際の実際の海上挙動を予測するものです。最新の耐航性試験設備では、適切なコンピュータハードウェアとソフトウェアを使用することで、これらのRAO統計値を1回の試験で決定することができます。
キャビテーショントンネルは、プロペラを調査するために使用されます。これは、大径パイプを備えた垂直な水回路です。上部には測定設備が設置されています。平行な流入が確立されます。船舶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中に持ち込まれ、プロペラの回転速度（回転数）と流入速度のさまざまな比率で推力とトルクが測定されます。プロペラの回転速度に同期したストロボスコープは、キャビテーション気泡が動かないかのようにキャビテーションを可視化するために使用されます。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、圧力を下げ、水のガス含有量を制御します。
船舶模型製作所は、コンピューター制御のフライス盤を用いて木材やパラフィンから船舶模型を製作する。中には、模型用プロペラも製作するところもある。船舶模型に各種駆動装置や計器類を取り付け、非標準的な模型試験用の装置を製造することが、これらの製作所の主な業務である。
これは、波と船体模型との間の任意の角度を調査したり、曳航水槽では狭すぎてできない旋回円などの操縦を実行したりするのに十分な広さを持つ試験設備です。ただし、螺旋試験のような重要な操縦にはさらに広いスペースが必要であり、システム同定後に数値シミュレーションを行う必要があります。
砕氷船の開発には氷水槽が用いられ、この水槽は外洋航行船の曳航水槽と同様の役割を果たします。氷の厚さに応じて、抵抗や必要なエンジン出力、操縦特性が決定されます。また、海洋構造物にかかる氷の力も測定できます。氷層は特殊な手順で凍結され、氷の結晶が模型サイズに縮小されます。
さらに、これらの企業や機関は、船舶とその舵やプロペラ周辺の複雑な流れを数値的にシミュレーションするためのCFDソフトウェアと経験を有しています。今日の最先端技術では、ソフトウェアが模型実験全体をCFD計算に置き換えることはまだできません。その理由の一つ（ただし、唯一の理由ではありません）は、要素化が依然として高価であることです。また、一部の船舶の船体設計は、最初から、あるいは造船所から入手した初期設計を最適化することによって、船舶模型水槽の専門家によって行われます。プロペラの設計についても同様です。
世界中の船舶模型水槽は、模型試験手順を標準化するためにITTC [ 3 ] (国際曳航水槽会議) に組織されています。
最も重要な船舶模型水槽のいくつかは以下のとおりです。