风帆助航简介解析
季风洋流对于中国沿海风帆助航船舶的影响
季风漂流 、台湾暖流，向南流动的东 海岸流、黄海沿岸流。 由于黄海 沿岸流主要影响范围在长江 以北，东海沿岸流在夏 季势力微 小，所以中国南方沿海主要 的洋流为南海西南季风 漂流和台湾暖流。
四、结论 我国沿海以北风和南风偏多，平均风力达到 4 级左右。 海流方向 以流去方向作为流向，而风 向是以风吹来的方向进 行定义。 在冬季和夏季我国沿海船舶 受到季风的作用力与船 舶受到洋流的作用力如表 1 所示。
表 1 冬、夏两季我国沿海洋流与季风方向
季节 季风大致方向
洋流
洋流 大致 方向
夏
偏 南风
南海西 南季 风漂 流 台湾暖 流 东海岸 流
黄 海沿 岸流
向 北流动 （长 江 以南 ） 向 南流动 （长 江 以北 ）
图 1 中国季风活动（夏季）
图 2 中国季风活动（冬季） 三、洋流对中国沿海航运的影响 中国近海洋流 的流向随季节的变化而改 变。冬季中国近 海的洋流主要 是黄海沿岸流和东海岸流以 及南海东北季风漂 流，其中中国 南海东北季风漂流从我国台 湾海峡流向中南半 岛，且沿中南半岛运动，直达泰国湾，势力影响的马来群岛。 夏季中国近海洋流主要有 4 支，分别为向北流动的南海西南
Ts = CT
1 ρV 2S 2
（1）
式中： T s ——帆的推力，N； C T——帆推力系数； ρ——空气密度，k g/ m 3； V——相对风速（作用于帆上的风速，由真是风速和船舶 航速矢量和），m / s ； S ——帆的面积，m 2 。 采用风帆助航 系统后船舶在定速航行期 间，船体消耗的 功率 P r 、螺旋桨输出功率 P p、主机输出功率 P e 和风帆系统
黄 海沿 岸流
冬
偏 北风
东海岸 流
向南 流动
风帆助航的研究与应用综述
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
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
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。
新型能源在船舶中的应用
应 用 ，提 出并 展 望 其 未 来 的 研 究发 展 方 向 。 关 键 词 ：新 能 源 ；船 舶 ；风 能 ；太 阳能 ；Ｌ Ｇ 燃 料 Ｎ 中 图分 类 号 ：Ｕ ６ ６５
引言
文献 标 识 码 ：Ａ
文 章编 号 ： １０ — ９ ３ （ ０ ２ １－ ０ ６ ０ ０ ６ ７ ７ ２ １ ） ０ ０ ７— ２
１ 风 能 的 应 用 ．
各一艘船 ，安装 由澳洲研制 的太阳能风 帆 ，希望能够借此有
效 降 低 航 运 业 界 燃 料 成 本 和 污 染物 排放 。 这 是 迄 今 为 止 ，所 知 全 球 首 家 航 运 集 团计 划 安装 这 种 具备 新概 念 的 节 能 环 保 产 品 。这 也 为 这 两 种新 能源 的组 合 运 用提 供 很 好 的尝 试 。
风 能 给 船 舶 提 供 一 定 的动 力 ，从 而 减 少 柴 油 机 燃 油 的消 耗 ，
一
、
随 着 石 油 资源 的枯 竭 以 及 与 Ｅ俱 增 的 石 油 需 求 ， 同 时新 ｌ 的能 源 生 产 供 应 体 系 又 不 能 及 时建 立 及 满 足 航 运 、交通 运 输 、 金 融 、工 商 等 方 面 的 需 求 ， 因而 造 成 的 一 系 列 能 源 危 机 。根 据 经 济 学 家 和 科 学 家 的 普遍 估计 ， 本 世 纪 中叶 ， 即 ２ ５ 到 也 ００
光 照 效 率 低 无 法 提 供 大 功 率 的 动 力 来 驱 动 船 舶 ，太 阳 能 板 造
应对全球气候变 暖 ，船 舶减 排刻不容 缓 ，建造 节能环保型船
舶 已经 成 为 趋 势 。 要确 保航 运 事 业 的 可持 续 发 展 ，新 能 源 的 开 发 已势 在 必 行 ， 目前 美 国 、 加 拿 大 、 日本 、 欧 盟 等 都 在 积
教科版小学科学三年级上册27《风的成因》教案(1)
教科版小学科学三年级上册27《风的成因》教案一、教学内容本节课选自教科版小学科学三年级上册第27课《风的成因》。
教学内容主要包括教材第二章《地球与宇宙》中的第五节“大气现象”，详细内容为：风的概念、风的成因、风的作用以及风的影响。
二、教学目标1. 知识与技能：使学生了解风的概念，理解风的成因，掌握风的作用及其对生活的影响。
2. 过程与方法：通过观察、实验、讨论等方法，培养学生的观察力、思考力和合作意识。
3. 情感态度与价值观：激发学生对自然现象的兴趣，提高环保意识，认识到人类与自然的和谐共生。
三、教学难点与重点重点：风的成因及风的作用。
难点：理解风的形成过程及其对环境的影响。
四、教具与学具准备1. 教具：电风扇、气球、风车、地球仪等。
2. 学具：纸张、彩笔、剪刀、胶水等。
五、教学过程1. 导入：展示生活中常见的风现象，如树叶飘动、红旗飘扬等，引发学生思考：什么是风？风是怎么来的？2. 新课内容：（1）风的概念：通过观察、讨论，让学生了解风是空气流动的现象。
（2）风的成因：以实验、动画等形式，讲解地球自转、气压差异等因素导致风的形成。
（3）风的作用：列举风对生活、环境、气候等方面的影响，如风力发电、风帆助航等。
3. 实践活动：（1）制作小风车，感受风的力量。
（2）分组讨论，分析风对环境的影响。
4. 例题讲解：讲解与风有关的现象，如台风、龙卷风等，分析其成因及危害。
5. 随堂练习：设计有关风的成因、作用的选择题、填空题，检验学生掌握情况。
六、板书设计1. 风的概念2. 风的成因地球自转气压差异3. 风的作用生活环境气候七、作业设计1. 作业题目：（1）列举三种生活中常见的风现象，并说明其成因。
（2）简述风对环境的影响，至少列举两点。
2. 答案：（1）例：树叶飘动、红旗飘扬、风筝飞翔。
成因：地球自转、气压差异等。
（2）例：风能发电、风帆助航、风化作用等。
八、课后反思及拓展延伸1. 反思：本节课通过实践、讨论等方式，让学生对风的成因、作用有了更深入的理解，教学效果良好。
风帆助航船舶能效控制系统研究
仿真，研究风帆助航技术的效能问题。但是，国内 对于风帆助航船舶的研究大多处于模拟仿真阶段， 很少有实船的风帆控制系统。
本文基于 30 万吨原油油轮实船，设计实船风帆 控制系统，并对各个功能模块的实现方法进行相关 分析。
1 风帆助航原理分析
风帆的种类主要包括翼型帆、转筒帆和天帆等， 其中研究最多的是翼型帆。翼型帆又分为普通型、 层流型、U 型和圆弧型等，不同种类的帆空气动力
0 引言
目前，全球约 70 000 多条商船正在运营，其 CO2 排放量占当前 CO2 排放总量的 3% 以上[1]，远洋运输 行业是名副其实的碳排放大户。因此，降低航运业 CO2 排放量的呼声日益提高。风能作为一种可再生无 污染的绿色能源，将其利用在船舶航行推进、降低 营运能耗也是近年来的研究重点之一。陈鲁愚等[2]对 大型远洋风帆助航船舶节能效率进行分析研究；刘 伊凡等[3]针对船舶能效营运指数进行建模与仿真分 析；王宏明等[4]利用 CFD 软件对风帆系统进行建模
收稿日期：2018-05-23 基金项目：工信部高技术船舶科研计划项目 （船重科 20141295） 作者简介：池华方 （1969- ），男，河南开封人，副教授，研究方向为船舶辅机工程。
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30
交通节能与环保
（2）
翼型硬质风帆的受力情况及流场与飞机机翼在
低速航行时近似[6]，升力和阻力的计算公式分别为：
FL =
1 2
ρVA2·CL·A
第 14 卷
FS
FR FD
VA
Vr
aw
φ
ß
γ
a
VS
Ft
FL
图 1 风帆受力简图 Fig. 1 Wind force diagram
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。
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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。
6.1 7.20 418
1.75 1.69 -0.06 3.48 3.37 -0.11 4.60 4.39 -0.21 1.50 1.39 -0.10 1.78 1.73 -0.04
国内外船舶实例
表1 两艘实船的主要因素表
船名
新爱德丸
主尺度 LxBxd
66x10.6x4.7 6
载货量 T 1600
风能—风帆助航
目录
• 风能 • 风帆助航的基本原理结构 • 风帆助航的运用情况 • 风帆助航的缺点 • 运用情况
风的形成
• 由于地面各处受太阳辐照后气温变化不同
和空气中水蒸气的含量不同，因而引起各 地气压的差异，在水平方向高压空气向低 压地区流动，即形成风。
风能的利用
• 风能作动力---利用风来直接带动各种机械
主机功率 Kw 1177
船速 Km 12
长风号
44x8.8x2
326
88
11.6
总帆面积 mxm 200
140
船名
新爱德丸
表2 两艘实船装置投资和回收年限
无帆年燃油 节油率 量（万元） （百分）
帆装置造价 静态回收年
（万元）
限（年）
约1亿日元 15
7000万日元 4.87
动态回收年 限（年）
6.15
只是随着18、19世纪蒸汽机和内燃机的发明。蒸汽机和内燃机船相继出现。 使风帆船的垄断地位逐渐被取代。
至本世纪中叶已几乎从远洋运输中消失了。但随着70年代初世界石油危机 的出现以及人类对环境污染的严重忧虑。具有显著节能效果和减少污梨等优点 的风帆推进装置重新引起船舶工作者的重视。
帆船运动的力学原理
2．采用多种节能措施 在风帆助航船上，应同时采用其他行之有效的节 能措施，以获得更高的综台节能效果。 日本风帆助航船就是采用综合节能措施， 它从 帆，机，桨等备方面考虑，并燃烧低质油。
以下几项节能措施在风帆助航船上是可考虑的， 根据模型试验和实船测试，其节能效果优异：
（1）采用优良线型， 如不对称型 （2）采用船舶附体节能装置，如前置导管和助推舵 （3）采用可调螺距螺旋桨或低转速大直径螺旋桨。 （4）动力装置和电站的节能。
• 总的受力= 水动力+ 空气动力+ 扰动
1.水动力是水作用在船体上的力 2.空气动力是风作用 3.在帆上的力，扰动是依赖于海况的风、浪和气流的波动力
帆船的动力来源
• 当帆船如图1所示顺风行驶时。由“流 • 如图2所示，船正是在风的静压力推动
速增加，压强降低”的伯努利原理知道，
下前进的。帆所受静压力的产生，主要
提高节能效果的两点建议
1．采取有效的激励措施 航运部门是能源消耗的重要部门之一。风帆助航， 是利用无环境污染竹无限能源--- 风力作为船舶拄 进的辅助动力， 已被实践证明是一种行之有效加 较好方法。我国对风帆助航技术的应用， 正处于 探索前进的阶段。因此，各方面应该给予大力的 扶持。具体地说， 国家应尽可能采取一些优惠政 策，航运相关部门应尽量据供一些方便， 以捉高 风帆助航船运的综合经济效益，提高航运企业采 用风帆节能技术的积极性。另外，航运企业的有 关管理部门，也应制定相应的政策性条款，如规 定合理的节能指标， 配合严明的奖惩措施，使节 能效果与船上人员的切身利益相结合，从而激励 船员充分发挥风帆的作用， 更大限度地利用风力 资源。