多相完全オイラー法フレームワークを用いた氷航行船舶の流体構造連成モデリング

本研究では、氷と相互作用する海洋構造物に対する流体力学的抵抗を予測する北極航行に関する階層的問題の完全連成3次元数値モデルを提示する。従来開発された完全オイラー相場面フレームワークを用いて、局所から大規模な氷-構造物相互作用に及ぶ問題をモデリングする。本研究は船舶と氷の相互作用問題に対する本フレームワークの汎用性を確立し、氷に覆われた海域での安全かつ効率的な航行指針への一歩を示す。研究の第一部では、数値パラメータを調整し自由表面効果を伴う3D船舶モデルの抵抗を正確に予測できるかを評価する。この節は、静止円柱周りの流れで力計算ルーチンと数値設定の検証から始まる。鈍体や部分的に水没したコンテナ船の抵抗を実験結果と比較する。複雑な流体-構造物連成（FSI）と自由表面効果を適切に捉えながら抵抗を正確に予測するため、メッシュと拡散界面の解像度双方の連成要件を特定した。研究の第二部では、2つの異なる流体伝達による氷-構造物相互作用を提示し、フレームワークの汎用性を強調する。まず水中で重い氷塊と衝突する推進器やバルバスバウなどの海洋構造体に作用する力をモデル化する。衝突中の最大力と運動量移転は実海氷を用いた実験と概ね良い一致を示す。この設定を利用して、海氷のせん断弾性率および衝突速度が衝突力とインパルスに及ぼす影響を調査した。最後に、氷塊群と連続的に相互作用する船舶の長距離航行を模擬し、本フレームワークを用いた手法を示す。このモデルは、船舶、氷、水、空気間の完全に連結した多彩な相互作用を捉え、船体への応力分布に関する知見をもたらす。氷場の濃度と流速が時間変動する抵抗特性に与える影響を検討し、特定の氷場での操縦域制約の重要性を示した。