风帆助航的研究与应用综述
巴拿马型风帆助航散货船稳性及桅杆结构安全分析
货 舱 开 口之 间 的 船 舶 甲 板 上 安 装 ３个 宽 度 为 ３ 高度 为 ２ 的 圆弧 形翼 帆 ， 弦 比０ ８ 拱 ０ｍ、 ４ｍ 展 ．， 度 比 ０ １７ ． ６ 。其 中 ， 帆 下 缘 距 船 舶 甲 板垂 直 高 翼
作者简 介： 徐
立 （ ９ ５）男 ， 士 ， 教 授 。 １７ ， 博 副
把 风 帆简化 为一 端 刚性 固定 的悬 臂 梁 ， 行应 力 进 和 变形 分析 。
３ １ 帆 表面 受风压 力确 定方 法 ．
有横 向加强 构件 的肋 骨上 。风 帆的布置 主要 考虑 相 互 间不发 生不利 干扰 及有一 定 的操作 空 间Ⅲ 。
２ 稳性 校 核
２ １ 稳性校 核原 理 ．
帆 的迎风 位置 选 取 最危 险状 态 ， 即帆侧 面来 风 的位置 。根 据空 气 动力 学原 理 ， 压 Ｐ与风 速 风
问 的关系 为
Ｐ一 ０ ５ ｕ Ｃ ．ｐ 。ｐ （ ） ３
稳性 的衡 准应 满 足 气 象 衡 准 要 求［ 气 象 衡 ， 准 对 国际航 线在 各 种 载 况 下 的稳 性衡 准数 Ｋ 应 符 合 以下公式 要求 ：
（＿ １武汉理 工 大 学 ａ能 源 与动 力工程 学 院 Ｉ． 舶动 力 工程技 术 交通 行 业重 点 实验 室 ； ． １船 ］ Ｃ 交通 学 院 ， 汉 ４ ０ ６ ；． 国远 洋 运 输 （ 团 ） 公 司研 究发 展 中 心 ， 京 １ ０ ３ ） ． 武 ３０３２ 中 集 总 北 ０ ０ １
摘
Байду номын сангаас
要： 以某 巴拿 马型散货船 为研 究对 象 ， 研究其在加装 风帆助航装 置后 的船 舶稳性及 风帆结构 物在
风帆助航渔船的稳性及经济性分析
大 的经 济效 益 。在 鱿 鱼 钓 这 种 渔 船 中 ，采 用 圆 弧 型
骨架 覆 盖尼 龙 帆 布而 成 的硬 帆 是 合 适 的 ，这 种 风 帆 结构 简 单 ， 重量 轻 ， 价格 便 宜 ， 而且 收放 风 帆也很 方 便 ， 易在 很 多 渔 船 上 推 广 ，故 本 文 将 计 算 安装 圆 容
要求 的。
关 键 词 ： 风 帆 助 航 ；鱿 鱼 钓 船 ； 值 模 拟 ； 性 ；经 济 性 数 稳
中 图分 类 号 ： Ｕ ６ ． １ ６ ４ ３ 文献 标识 码 ： Ａ
文 章 编 号 ： １ ７ － ６ ９ ２ １ ） ７ ０ ５ — ６ ｄ ｉ１． ４ ４ ｊｉ ｎ １７ — ６ ９ ２ １ ． ７ ０ ｌ ６２ ７４ （０ ２ ０ — ０５ ０ ｏ：０ ３ ０ ／．ｓ ．６ ２ ７ ４ ．０ ２ ０ ． １ ｓ
从 图 ４中可 以看 出 Ｎ Ｃ ０ ０ Ａ Ａ ０ ６帆翼 的 升力 系数 和攻 角 基本 上呈 现 出正 态 分 布 的关 系 ，在 攻 角 ０ ～ 。 ３ 。 围升 力 系数 上 升 较 快 ，在 ３ 。 右 时 升力 系数 ０范 ０左 达 到峰 值 。从 图 ５中 可 以看 出 阻力 系 数 随 攻 角 的增
作 者 简 介 ： 朝 君 （９ ５ ） 男 ， 土 研 究 生 ，主 要 研 究 方 向为 风 帆助 航 船 舶 及 船 舶 轮机 没计 。 苏 １８ 一 ， 硕
第 ７期
苏朝 君 ， ： 帆 助 航 渔 船 的 稳 性 及 经 济 性 分 析 等 风
１８ ．
，
・ ７・ ５
力 系数为纵 坐标 ， 角 为 横坐 标 可 以得 出 Ｎ Ｃ ０ ０ 攻 Ａ Ａ ０６ 型单 帆 的阻力 系数 曲线 。如 图 ４和图 ５所示 。
风帆助航渔船的稳性及经济性分析
风帆助航渔船的稳性及经济性分析苏朝君;马坤【摘要】Sail-assisted ship is an important way to save energy. The paper chooses a squid fishing vessel as research object, selecting NACA0006 sail and arc-shaped sail based on the characteristics of the ship, then using Fluent software to set up sail models, and numerically simulate air dynamic of these two kinds of sails. We can estimate energy-saving per year and the amount of reducing carbon dioxide emissions of the sail-assisted ships according to the results of software. By analysis the stability of sail-assisted squid fishing vessel, it is certain that sail-assisted squid fishing vessel is able to meet stability requirements, as long as reasonable installation and operation of sails.%风帆助航是船舶节能减排的重要途径.本文以1条鱿鱼钓船作为研究对象,根据该船的特点选择NACA0006型帆和圆弧型帆作为辅助风帆,然后利用Fluent软件建立所选风帆模型,对这2种风帆的空气动力性能进行数值模拟计算.根据软件的计算结果估算风帆助航时鱿鱼钓船的每年节油量以及所减少的二氧化碳排放量.通过对风帆助航鱿鱼钓船的稳性进行计算分析,可以确定只要合理地安装和操作风帆,风帆助航渔船是能满足稳性要求的.【期刊名称】《舰船科学技术》【年(卷),期】2012(034)007【总页数】6页(P55-60)【关键词】风帆助航;鱿鱼钓船;数值模拟;稳性;经济性【作者】苏朝君;马坤【作者单位】大连理工大学船舶CAD工程中心,辽宁大连116024;大连理工大学船舶CAD工程中心,辽宁大连116024;大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室,辽宁大连116024【正文语种】中文【中图分类】U664.31随着世界石油资源的日益枯竭和国际油价飞涨，船舶的燃油费用在航运成本中所占的比例越来越高。
风能的四大主要应用
风能的四大主要应用1、风力提水风力提水自古至今一直得到较普遍的应用。
至20世纪下半时，为解决农村、牧场的生活、灌溉和牲畜用水以及为了节约能源，风力提水机有了很大的发展。
现代风力提水机根据用途可以分为两类。
一类是高扬程小流量的风力提水机，它与活塞泵相团提取深井地下水，主要用于草原、牧区，为人畜提供饮水。
另一类是低扬程大流量的风力提水机，它与螺旋泵相配，提取河水。
湖水或海水，主要用于农田灌溉、水产养殖或制盐。
风力提水机在我国用途广阔，如“黄淮河平原的盐碱改造工程”就可大规模采用风力提水机来改良土壤。
2、风力发电利用风力发电已越来越成为风能利用的主要形式，受到世界各国的高度重视，而且发展速度最快。
风力发电通常有三种运行方式。
一是独立运行方式，通常是一台小型风力发电机向一户或几户提供电力，它用蓄电池蓄能，以保证无风时的用电。
二是风力发电与其他发电方式(如柴油机发电)相结合，向一个单位或一个村庄或一个海岛供电。
三是风力发电并人常规电网运行，向大电网提供电力；常常是一处风场安装几十台甚至几百台风力发电机，这是风力发电的主要发展方向。
3、风帆助航在机动船舶发展的今天，为节约燃油和提高航速，古老的风帆助航也得到了发展。
航运大国日本已在万吨级货船上采用电脑控制的风帆助航，节油率达15%。
4、风力致热随着人民生活水平的提高，家庭用能中热能的需要越来越大，特别是在高纬度的欧洲、北美取暖，煮水是耗能大户。
为解决家庭及低品位工业热能的需要，风力致热有了较大的发展。
“风力致热”是将风能转换成热能。
目前有三种转换方法。
一是风力机发电，再将电能通过电阻丝发热，变成热能。
虽然电能转换成热能的效率是100%，但风能转换成电能的效率却很低，因此从能量利用的角度看，这种方法是不可取的。
二是由风力机将风能转换成空气压缩能，再转换成热能，即由风力机带动一离心压缩机，对空气进行绝热压缩而放出热能。
三是将风力机直接转换成热能。
显然第三种方法致热效率最高。
风帆助航简介解析
长风号
13.5
8
6.8
6.3
9.22
我国沿海航线风力资源情况及其推广
结论
1)我国沿海以北风和南风偏多，平均风力达4级左右． 2)我国沿海采用风帆助航技术，平均节能可达9．08 ～ 15．68 、特别是渤海湾、黄海、东海海域的沿海航线，节 能效果更佳． 3)我国沿海东西方向航线上推广风帆助航技术潜力更大．
装置 。
• 风力发电---我们把风的动能转变成机械能，
再把机械能转化为电能，这就是风力发电。
风帆助航
• 风能利用，已有
数千年的历史。 最早的利用方式 是“风帆行舟”。
风帆助航的发展
人类利用风力来推进船舶已有五千余年的悠久历史。我国明代伟大的航海 家郑和1405～1433年间统帅其庞大的风帆船队7下西洋，达到人类历史上空前 规模的远洋航行 。
当空气向一个方向流动时，它向侧面作
是帆具有像机翼一样的弧形。
用的力就要相对减小。
图3为
当气流通 过帆或 机翼示
意图
扬帆与不扬帆的油耗对比
项目 航速 功率 转速 油耗 估算 油耗
帆况
油耗 误差
不扬 4.11 8.15 409
帆
5.17 15.10 502
7.35 23.00 487
扬帆 4.58 4.72 426
风帆助航的缺点
• 1)风速不稳定,产生的能量大小不稳定 • 2)风能利用受地理位置限制严重 • 3)风能的转换效率低 • 4)风能是新型能源,相应的使用设备也不是
很成熟
风帆助航船市场潜力大
油价有任何风吹草动，均对航运业造成重要影响，全球首只借风力助航的船 舶──可配载一万吨的「MS Beluga SkySails」号散货船 2007年02月正式启航， 从德国不来梅港驶至委内瑞拉。新技术的应用原理是在货船上加入风帆，利用 计算机系统测试风向，借助风力协助推动船只运行 。风帆助航也证明环境及经 济发展可以并存。
基于CFD的风帆助航技术效能分析
图 １ 风翼． 船体组合试 验
图 ２ 风翼帆船受力 图
２２ 风 翼帆 推 力 Ｃ Ｄ分析 ． Ｆ
首先建 立一 个风 翼帆 的模 型 ，如 图 ２所 示 。图中 ：
为船 的速度 ， 为真实 风速 ，
为真实 风速
与航向的夹角，称为真实风向角。’ ， 为航 向与船纵轴线的夹角，称为漂角。 为相对风速 。相对风速 的方向与航 向的夹角为 ，称为相对风向角。帆翼弦的方 向与相对风速 的方 向的夹角为 ｏ ，称为帆翼 ｃ
行 了试验 ， 这种风帆的形式和操纵简单 ， 但效率尚不能让人完全满意，对风的利用受风向限制较大ｌ。 引
蝉翼型帆做成模块布置在船舶上，需要风力助航时可将帆升起，不需要时可将其折叠收藏；在需对风 帆模块进行维修或长期不用时可以拆下；但对此 目前仅仅是一个 尚存诸多不定因素的概念。风筝型帆
是在 船艏 张挂 巨大 的伞 翼 状 的风筝 ， 通过 其拖 动 作用 协助 船舶 前进 ；风筝 型帆 相 比上述 三种 帆成 本低 ，
用 Ｃ Ｄ 软件对帆的助推力 、侧 向力、帆角 、风压力中心位置等特征数据进行了数值仿真计算 。表 ２ Ｆ 为 目标船舶参数；表 ３ 为翼型帆的风帆参数。
仿真 计算 的基 本 步骤 为
（ ）利用 Ｇ ｍ ｉ软件进行网格划分，图 ３为风翼帆的 Ｆｕｎ 仿真模型及 网格划分情况 ； １ ａｂ ｔ ｌ ｔ ｅ
２
．
＝
－÷ ＝ ＝
Ｃ Ｓ０ Ｏ
． Ｒ
（） ５
式 中 ，尺 为 无帆 、无 横倾 角和 偏航 角 时船体剩 余 阻力 ； 为横 倾角 （ ） 为偏 航角 （ａ ）；Ｃ 为偏 。； ｒｄ 航 角影 响系 数 ，低速 船 Ｃ ５～ ５ ＝ ５ ７ ，中速船 Ｃ ３ ～ ５ ＝ ５ ５ ，高速 船 Ｃ ２～ ５ － ＝ ５ ３ 。本 试验 船为 低速 船 ，Ｃ ５～ ５ ＝５７。 由上述 内容 可知试 验船 船舶 阻力 中剩 余 阻力约 占船 体 总阻力 的 ３ ％。 ０ 从表 ８ 算结 果 中可 以看 出 ， 计 在 漂角 小于 ３的情况 下船 舶 阻力 的增值 不超 过 ５ 。 ％，但 当漂 角大 于 ３ 时阻力 增大 非常 明显 ，有 关资料 。 显 示船 舶不 适合 以超 过 １。 ０的漂 角航行 ，本 文 以 ｏ 。 ～５ 的漂 角作 为分 析 范 围。
风能在船舶上的应用
新能源新技术在船舶上的应用——风能技术在船舶上的应用摘要世界经济的现代化，得益于化石能源，如石油、天然气、煤炭与核裂变能的广泛的投入应用。
因而它是建筑在化石能源基础之上的一种经济。
然而，由于这一经济的资源载体将在21世纪上半叶迅速地接近枯竭。
化石能源与原料链条的中断，必将导致世界经济危机和冲突的加剧，同样对于航运业也是个致命的冲击。
因此节能减排成为热门的世界议题。
各大航运企业纷纷加大对新能源的研究，考虑如何开发出新型能源以解决面临的化石能源危机问题。
风能以其自身各种优势成为很多研究机构都在探讨风能在船舶上的应用问题。
本文就风能在船舶上的应用问题进行了介绍与分析，主要在以下几个方面作了讲述：一、课题研究的背景和意义。
二、风能在船舶上应用的发展历史与国内外风能在船舶上应用的现状。
三、风能在船舶上应用的方式与方法。
四、风能在船舶上应用的技术路线。
五、风能在船舶上应用所存在的难点和关键技术。
六、风能在船舶上应用的创新之处。
七、风能在船舶上应用预期的效益。
关键词：风能、船舶、节能、效益一、课题研究的背景和意义地球上可供人类使用的化石燃料资源是有限和不可再生的。
据联合国能源署报告,按可开采储量预计,煤炭资源可供人类用200年、天然气资源可用50年、石油资源可用30年。
特别是近几年世界燃油价格不断飙升,能源危急日趋严重。
在此情况下,风能的利用将可能改变人类长期依赖化石燃料和核燃料的局面。
风能是一种无污染的可再生资源,它取之不尽、用之不竭,分布广泛。
随着人类对生态环境的要求和能源的需要,风能的开发日益受到重视,风力发电将成为21世纪大规模开发的一种再生清洁能源。
在自然界中，风是一种可再生、无污染而且储量巨大的能源，可以再生，永不枯竭，分布广泛，遍布世界各地，清洁能源，没有污染。
随着全球气候变暖和能源危机，各国都在加紧对风力的开发和利用，尽量减少二氧化碳等温室气体的排放，保护我们赖以生存的地球。
我国早在两千多年前就开始利用风来驱动帆船航行，至少在一千七百多年前已开始利用风来推动风车做功。
基于CFD的风帆助航技术效能分析
基于CFD的风帆助航技术效能分析风帆助航技术是一种利用风力来推动船只进行航行的技术。
在过去的几年里，随着计算流体力学（CFD）技术的发展，风帆助航技术在航海领域中变得越来越受到关注。
CFD技术可以模拟空气与风帆之间的相互作用，从而有效地预测风帆在不同风速和风向下的性能，帮助船只更好地利用风力进行航行。
在使用CFD技术进行风帆助航技术效能分析时，可以针对不同的船只和风帆设计进行模拟分析。
首先，利用CFD技术模拟风帆在不同风速和风向下的动力学性能，包括升力、阻力、侧向力等参数。
通过这些模拟分析，可以评估风帆在不同环境条件下的航行效率和稳定性，为船只的航行路线规划和操作提供参考。
其次，利用CFD技术模拟在复杂的海洋环境中，风帆与波浪之间的相互作用。
波浪对船只和风帆的影响会影响风帆的稳定性和航行效率。
通过CFD技术模拟风帆在波浪环境下的性能，可以评估风帆在复杂海况下的适应能力，为航行安全提供支持。
另外，CFD技术还可以帮助设计者和船长优化风帆布局和形状，提高风帆的航行效率和稳定性。
通过CFD技术模拟不同的风帆设计方案，评估其在航行中的性能差异，为设计者提供科学依据和参考，使风帆助航技术更加成熟和实用。
需要注意的是，CFD技术虽然在风帆助航技术效能分析中有着很大的应用潜力，但其模拟结果仍需与实际航行数据进行对比验证，确保其准确性和可靠性。
同时，CFD技术在处理复杂流动过程中需要大量的计算资源和时间，需要结合实际情况和需求进行合理的模拟参数设定和计算方案选择。
总的来说，基于CFD的风帆助航技术效能分析可以帮助提高风帆航行的效率和安全性，为航海领域的发展带来更多可能性。
通过不断地研究和实践，相信CFD技术会在风帆助航技术中发挥越来越重要的作用，为船只的航行提供更加科学和有效的支持。
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对于风帆的空气动力特性的研究主要有风洞
实验与空气动力学理论计算两种方法.风洞实验将
风 帆 的 缩 小 模 型 放 入 风 洞 中 ，测 定 出 不 同 帆 向 角 的 情况下升力系数、阻 力 系 数 等 m ;计算流体动力学 (CFD) 的 方 法 则 是 通 过 求 解 R A N S方 程 得 到 结
如:面积、外 形 及 展 弦 比 ，剖 面 形 状 与 拱 度 比 ，帆的
结构形式等_8].在 诸 多 几 何 因 素 中 ，影响最大的数 展弦比与拱度比.
(1)
平面形状与展弦比.帆翼的外形主要由矩
形 与 三 角 形 ，三 角 形 的 重 心 与 风 压 作 用 力 在 中 心 较
低 ，有利于稳定性;矩形帆重心与风压作用力在中
6
广州航海学院学报
第 25卷
动 时 ，会 产 生 一 个 垂 直 于 气 流 方 向 的 横 向 力 ，推动 船舶.
4)抽气式涡轮帆.涡轮帆的基本结构如图4 所 示 ，为 一 个 可 定 向 转动的椭圆形筒，后缘左右两侧 各有I 个 由 许 多 小 孔 组 成 的 抽 气 面 ，并 设 置 一 个 活 动 的 分 流 板 ，可 随 风 向 的 不 同 而 转 动 关 闭 左 边 或右边的抽气面，椭 圆 上 下 设 有 端 板 ，上端板设置 抽 气 机 ，按 风 速 、风 向 、船 速 等 条 件 控 制 抽 气 量 ，使 帆 达 到 最 佳 推 进 效 率 [4].
第 25卷第1期 2017 年 3 月
JOURNAL OF广G州UA航NG海ZHO学U院MA学RI报TIME INSTITUTE
VoMl.a2r5.
No. 1
2017
风帆助航的研究与应用综述
2 汪 洋 u ，王志华\ 陈爱国
(1 .武汉理工大学能源与动力工程学院，湖北武汉430063; 2 .广州航海学院船舶与海洋工程学院，广东广州510725)
由可以旋转的转筒和转筒两端的端板构成.该帆工 作原理为马格努斯效应:圆柱体在流动的气流中转
收 稿 日 期 ：2016 -0 9 -13
A 基 金 项 目 ：2 0 1 4 年 广 东 省 公 益 研 究 与 能 力 建 设 专 项 资 金 项 目 （2014 010106034)
作 者 简 介 ：汪 洋 （1991 一 ），男 ，硕 士 ，主要从事船 舶 动 力 装 置 的 研 究 .
果 [' 目前随着流体计算软件的成熟，利用流体计
算软件数值模拟风帆的空气动力性能变的十分流
行.如今将两种方法联合使用，理论 与 实 验 结 合 ，以 实验验证计算，以 计 算 指 导 实 验 ，得出吻合数据成
为研究的主流方法.
2 . 2 翼帆空气动力特性的几何因素
翼帆的空气动力特性预期几何形状密切相关，
2)
天 帆 .天 帆 的 基 本 结 构 如 图 2 所 示 ，如同冲
压式翼伞，该风帆为双层结构，整 个 风帆做有气室， 由牵引绳索与船体相连，下 挂 控 制 吊 舱 ，装有控制 器件与驱动器件，控 制 风 帆 飞 行 姿 态 [3].天帆优点
在于可利用上层最稳定而强劲的风力拉动船舶
前进.
3)
转筒帆.转 筒 帆 基 本 结 构 如 图 3 所 示 ，主要
上表面压力较下表面小，将 产 生 压 力 差 ，通过调整
帆翼迎风角度，将 压 力 差 转 化 为 推 进 动 力 [5].帆翼
的空气动力特性包括升力特 倾 力 矩 特 性 等 ，与风速及风帆 形状密切相关.
2 . 1 帆翼空气动力特性研究方法
心 较 高 ，但 结 构 简 单 ，较为常用.
展弦比:A
式中:k 为 风 帆 前 缘 长 度 为 风 帆 面 积 .
| 般 而 言 ，展弦比增加，空气动力系数都会增加，
升 力 系 数 增 加 更 快 ，故 一 般 选 用 较 大 的 展 弦 比 的 风
帆 ，但大展弦比会使风压中心增高，±曾大偏航力，使帆
摘 要 ：文章介绍了几种类型的现代风帆的基本结构，其中详细阐述了帆翼的空气动力学原理及 影 响 空 气 动 力 特 性 的 各 种 参 数 ，然 后 对 当 下 世 界 各 国 风 帆 助 航 在 船 舶 上 的 应 用 现 状 做 出 描 述 ，并
对其应用前景进行展望.
关键词：风 帆 ；帆 翼 ；空气动力；助航;船舶
船倾斜.研究表明，展弦比一般取1. 2 〜 1. 6 为宜.
(2)
剖 面 形 状 与 拱 度 比 .按 剖 面 曲 线 形 状 ，分
为:层流型、圆弧型、普通型与卧背型，如 图 5.
图 4 抽气式涡轮帆基本结构
2 帆翼的基本理论
翼 帆 由 于 其 优 良 的 空 气 动 力 特 性 ，简 单 的 结 构 成为最常用的现代风帆.其推进原理为伯努利定 理:当空气流经帆翼时，上 表 面的流速较下表面大，
中图分类号：TP391.72 U 6 6 4 .3 1 文献标志码: A 文章编号： 1009 -8526(2017)01 -0005 -04
风 帆 作 为 船 舶 的 推 进 装 置 古 已 有 之 ，现代 船 舶 主 要 以 柴 油 机 为 主 推 进 装 置 ，随 着 节 能 环 保 的 深 入 人 心 ，风 帆 推 进 这 一 概 念 重 新 回 到 人 们 的 研 究 范 畴 .与古代采用的人力操作蓬式软帆不同，现代风 帆 多 为 计 算 机 自 动 控 制 翼 型 剖 面 硬 质 帆 [1].风 帆 的 作用由船舶的主推进动力装置转变为利用风能产 生的辅助动力装置.如今随着流体力学、空气动力 学 、材料学的研究以及 天 气 预 报 技 术 、自动控制与 计 算 机 的 应 用 ，风 帆 作 为 船 舶 的 辅 助 推 进 装 置 已 经 日趋成熟.
1 风帆的主要类型
1)翼帆.翼帆又称帆翼，其剖面与机 翼 相 似 ，为 翼 型 ，按 其 横 剖 面 形 状 分 为 ：层 流 型 、圆弧型、普通 型 、卧 背 型 .常 见 的 帆 翼 矩 形 帆 和 三 角 形 帆 ，其中 矩 形帆结构如图1.
图 1 所 示 帆 翼 的 剖 面 为 层 流 型 ，采 用 液 压 装 置 [2]对风帆的展缩与角度进行控制.