船首の膨らみの重要性とは？

多くの船舶について、一般人の目を引くものの1つに、船舶の前方端、多くの場合喫水線の下にある電球のような突起が挙げられます。 この構造物の存在理由について、人生のある時点で自問自答したことがあるのは間違いないでしょう。 さて、一般に電球の形に似ていて、常に船首に配置されていることから、バルバス・バウと呼ばれています

今から約100年前を振り返ってみましょう。 タイタニックを覚えていますか？ あれには球根状の船首がないことを確認したはずです。 しかし、現代の客船、コンテナ船、LNG船、調査船などの船首を見てみてください。 どれも球状船首が特徴的です。 単胴船だけでなく、今日では双胴船のほとんどに直立船首ではなく球状船首が採用されています。

船が波立つと、図1に示すように、ケルビン波（外洋を航海しているときに船の周りに見える波）を発生させることができます。 このエネルギーはどこから来たのだろうか。 言い換えれば、誰が水の粒子にエネルギーを与えてこれらの波を形成したのでしょうか。

この仕事をするのは、船の移動質量です。 動く」という言葉に注意してください。 船の動きはその推進システムによって動かされます。 エンジンから送られるエネルギーの一部はプロペラを回転させるのに使われ、プロペラから発生する推力の一部は実際に船を推進するのに役立っています。 残りのエネルギーはどこへ行くのだろうか。 水の粒子が波動を伝えるためにエネルギーを与えられたことを覚えていますか？ それが答えです。 これは船の造波抵抗とも呼ばれています。

さて、なぜこのことを議論しているのか、そしてこれが球状船首とどう関係があるのでしょうか。

船首がまっすぐな船（たとえばタイタニック）を考えてみましょう。 船が前方に押し寄せると、水の粒子は船の全長に沿って船尾のほうに移動します。 しかし、船尾の中心線に入射している水粒子はどうでしょうか。 その瞬間的な速度はゼロであり、科学用語では「停滞点」と呼ばれる。 ベルヌーイの方程式を思い出すと、淀み点での圧力は高くなる。 つまり、船首の水粒子の圧力が高くなり、その結果、波の頂上が発生するのである。 この波は、図2に示すように、船首が水中を移動することによって発生するため、船首波と呼ばれる。 つまり、まっすぐな船首では、常に船首を頂点とする波が連続的に形成されているのです。 したがって、この波を発生させるために、エンジンパワーの一部を無駄にしていることがわかる。 この波を作る効果を減らすことができるとしたら、どうでしょうか？

船首の喫水線の下、船尾の前に別の不連続面（水線より下にある船内の構造物で層流を乱すものは不連続面とみなされる）を導入すると、不連続面自体がその最前部に別の波を発生させることになります。 船尾はまだ喫水線上にあるため、通常の船首波が発生する。 では、船首波と不連続面の波が破壊的に干渉するように、不連続面の形状や位置を設計すればどうでしょう。 (図3参照）まあ、これがバルバスバウの設計の原理とほぼ同じなんですけどね。 図3.船首波と不連続面からの波が破壊的に干渉しあう。 船首波とバルブから発生する波、ともに位相がずれている

バルブの開発の初期段階では、造波抵抗の低減が設計の第一の使命でした。

波作りは、より細かい船型の重要な特性です。 そのため、客船、定期船、ヨット、海軍の巡洋艦などでは、ケルビン波が顕著に見られます。 バルクキャリアーやオイルタンカー（フルハルフォーム）を見ると、これらの船型には顕著なケルビン波パターンが見られないことがわかる。 なぜか？ それは、船尾の水線幅が大きく（言い換えれば流れの不連続性が大きく）、船首波高が波の特性を保持する閾値を超えるレベルまで圧力が上昇するためである。 この場合、波は船長を伝わる前に船首で砕ける。

では、この点で船型が大きいほうがエネルギー効率がよいのだろうか。 また、波浪に対する抵抗力は高いのでしょうか。 また、砕波抵抗も大きいのでしょうか。 はい、そうです。

バルブの形状、位置、方向による種類は次のとおりです。 ( Picture by Danny Cornelissen from the portpictures.nl / Wikipedia)

電球の位置は船首波と電球波の位相差を大きく影響します。 バルブの体積は結果波の振幅の決定的な要因である。

バルブのもう一つの利点は、船のピッチ運動の動的影響を低減することである。 ほとんどの船で、バルブの内部はフォアピークバラストタンクとして使用される。 ピッチングが大きい場合、フォアピークタンクはピッチングの影響を軽減するためにバラスト化されることが多い。 さて、ピッチングの時間は、船のLCGから錘の長手方向の距離に正比例します。 フォアピークがバラストされると、船のLCG（ほとんどの理想的なケースではミッドシップのアバフト）からより大きな距離でウェイトが増加するのです。 つまり、ピッチ回転半径が大きくなり、船のピッチ周期が長くなります。 ピッチング周期が長くなると、ピッチ運動の動的効果が小さくなる。

氷上航行の場合、バルブは割れた氷をその濡れた面を船体に当てて、船体に沿って滑らせることができるようにする。

バルバスバウは、バウスラスターユニットを備えた近代的な船舶に見られるように、バウスラスターを収容するのにも有利であった。

幅広い船型とバルブ形状のモデルテスト手順を繰り返した結果、バルブがすべての使用速度で効率的ではないことがわかりました（それをフルーデ数と関連付けることができます）。 非常に低いFroude数では、バルブス船首は抵抗を増加させることが判明しています。 なぜでしょうか？ バルブは船首波と一緒にそれ自身の波を作るときだけ有効だからです。 しかし、非常に低いフルーデ数では、波を作ることはほとんどありません。

では、船首の球形化が重要であることをもっと知っていますか？