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。
学 （Ｆ Ｃ Ｄ）方法 对风 帆助 航 技术 船舶 节技术发展趋势
虽然 帆 的应用 已经 有 千余 年 的历 史 ，但 人 们对 帆 的研 究并 未 间断 。各 国学者 开展 了大 量 的试 验 及 理 论研 究 工作 ，帆 的形式 不 断变 化 ，性 能也 不断 提高 。随着 理论 与计 算机 的发 展和 新材 料 的不 断 出现 ， 帆 的研 究 工作 水平 和 帆 的性 能都进 一步 提 高 。 在 目前大 型远 洋船 舶 上采 用风 帆助 航技 术 的风 帆类 型有 ：传 统风 帆 、硬质 风 帆 、蝉翼 型帆 、风 筝 型帆 和风 翼帆 等 。 统风 帆 主要 应用 于 小型运 动 竞技 体育 项 目船舶 ， 传 或是 应用 于 内河 的小 型运输 船上 ， 风 帆 动力 为船 舶前 进 的主 动力 。 日本对 硬质 风 帆做 了较 多 的研 究 ，在 千 吨级和 万 吨级 的远 洋船 舶上 进
Ｆ＝Ｆ ｎ 一 ｃ ｓ Ｌ ｉｆ ｏ ｆ ｓｌ ｌ
风对 帆产 生横 向的推 力 Ｆ 是风对 帆 的升 力 凡 与 阻力 在 垂 直船 舶运行 方 向上 的合力 ｔ
（） １
５ ２卷
第 ２期 （ 总第 １５期 ） ９
王 宏 明，等 ：基 于 Ｃ Ｄ 的风 帆助 航技 术效 能分 析 Ｆ
基 于 Ｃ Ｄ 的风帆助航技术效 能分析 Ｆ
王 宏 明 ， 吴桂 涛 一 ， ，杨呙崧
（． １ 大连海事大学轮 机工程学 院，大连 １ ０６ ２ 江苏海事职业技术 学院轮机 工程 系，南京 ２１７ ） １ ２； ． ６ １１０
摘
要
在模型试验的基础上， 运用计算流体力学 （ Ｆ 方法，分析了基于机翼理论的风翼帆船利用风能辅助 Ｃ Ｄ）
此 时用 帆效 果最 佳 。
３ ０
中
国
造
船
学术 论文
２３ 船 舶 阻 力增 量估 算 ． 目前 还没 有准 确计 算具有 横 倾角和 偏 航角 时 的船 体 阻力增 量 Ａ 的可靠 方法 ，通 常采 用近 似估 算 Ｒ 方法 来计 算 。风帆 船 由于船 体倾 斜 ，其湿 表面积 大 小与 正常航 行 时不 同 ，摩 擦 阻力与 正常 航行 时也 不 同， 由于风 帆船 横倾 角一 般不 大 ，通 常小 于
风 翼帆 的剖 面呈 机翼 型 ，在不 断调 整攻 角 的条件 下 ，基于机 翼 理论产 生 的升力 为推 力 ，与船 舶航 向尽 可 能 一致 ，直接 转 换为船 舶推 进动 力 ，它与 螺旋 桨一 起组 成船 舶 的混合 动力推 进 系统 。
２ 风翼帆动力分析
２１ 风 翼帆 技术 试验 ．
增大，大幅度递增，随后横 向力与推力的差值愈来愈大，直到风向角为 １０时横向力的值又突然减小。 ８。 （ ）帆位角基本上呈现出单调递增的趋势 。 ３ （ ）风力的压力中心变化不大 ，基本上徘徊在 ０ 倍弦长处 。 ４ ． ３ （ ）综合表 ４ ７的计算结果，风 向角在 ６ 。 １０区间内可 以得到最佳的推力及可控 的横 向力 ， ５ ～ ０～ ４ 。
传统帆在不同迎风角下的引力系数和阻力系数 、ｃ 值的比较 ；图 ｌ Ｄ ｌ 为风翼． 船体的组合试验 。
模型试验表 明： 风翼帆的平均推力系数约为 １ ～１ ， － ． 最大推力系数可达 １ ～１ ， ３ ５ ． ． 空气动力性能 ６ ７
比传 统风 帆更 好 。
表 １ 单 翼帆 与传统帆在不 同迎风角下 的 、ｃ 值 的比较 Ｄ ＿
收稿 日期 ：２ １—９２ ；修 改稿 收稿 日期 ；２ １—２３ ０００—７ ００１—０
基金 项 目： 中国远 洋运 输 （ 团 ）总公 司资 助项 目 （０ ９ Ｒ １Ｂ）。 集 ２０ １ ０２
中
国
造
船
学 术论 文
结构简单，对船体改造要求低，占用船舶空间较小，但其释放与控制难度高，对风 向的要求更高【。
的几何 攻 角 ；帆翼 弦线与 船纵 轴线 的夹 角为 ，称 为转帆 角 。 根 据 机翼 理论 原理 ，在 垂 直于 风 的来流 方 向对 帆产 生升 力 ， 着风 力 的方 向上对 帆产 生 阻力 在沿
，
则由风的作用在船舶前进方向上对帆产生的推力 Ｆ是风对帆的升力 凡 与阻力 的合力【 ７ ］
推进 的特性。在仿真软件 Ｆ ｅｔ ｌ ｎ 的仿真计算的基础上 ，当采用风帆助航技术 时， ｕ 对凤帆产 生的推力及 由此引 起船舶 阻力变化进行 了分析 ， 而对风 帆助航技 术的效能进行评估与分析 ， 出了远洋船舶利用清洁 能源（ 从 得 风 能 ）在经济性与环保性方面 的可行性 。并提 出 帆助航 技术应用于大型远洋船舶后续需要解决 的问题。 风
进行 计算 分 析 。
ｏ １。 ～ ０ ，因此 引起 的湿 表面 积 的变化 也 不大 ，为 了简 化
计算 ，可 将横 倾角 对摩 擦 阻力 的影 响忽 略不计 ，根 据情 况不 同假 设漂 角分别 为 ２ 、３ 、４ 、６ 的情 况 ｏ ｏ ｏ ｏ 美 国学 者提 出船 舶兴波 阻 力和漩 涡 阻力等 随横 倾角 的余弦平 方 的倒 数而 增加 的经验 公式 ， 日本 学 者 曾提 出船体 总阻 力随偏 航 角 的平方 成 比例增 加 的经验 公式 ，参 考上述 经 验公 式和 风帆船 试验 资 料 ，得 出下 列公 式来 计算船 体 阻力增 值 Ａ ８ ＲＥ Ｊ
５卷 ２
第２ （ 期 总第 １５ ） ９期
中
国
造
船
、 １ ２ Ｎｏ２ （ ｅ ａ Ｎｏ １ ５） ，． ０５ ． Ｓｆ ｌ ． ９ ｉ
Ｊｎ． ０ｌ ｕ ｅ ２ １
２ １ 年 ６ 月 ０１
Ｓ Ｐ ＨＩ ＢＵＩ ＤＩ Ｌ ＮＧ ＯＦ ＣＨＩ ＮＡ
文章编 号：１０ ．８ ２（ ０ １ ２０ ２ －９ ０ ０４ ８ ２ １ ）０ －０ ５０
假 定 实 际海 面 上 的风 况 为梯度 来风 的情 况下 ， 进行 了风 翼． 船体 整体 空气 动力特 性 的模 型风洞 试验
研究，并在考虑风翼作用下进行船体和舵的水动力特性水池模型试验研究，建立 了船舶装备风翼后的 数学模型，开展 了目标船和 Ｖ Ｃ （ ｅ ａ ｅ ｒｄ ａ ｉ ）的直航性能仿真研究，表 １ Ｌ Ｃ Ｖ ｒ Ｌ ｒ ｕ ｅ ｒｅ ｙ ｇＣ Ｃ ｒｒ 为单翼帆与
（ ）将 网格 导入 到 Ｆｕｎ 中 ； ２ ｌｅｔ （ ）对 网格进 行 边界 条件 设 定 ； ３ （ ）使用 Ｆｕｎ 中用 户 自定义 函数 对动 区 域制 定运 动 ； ４ ｌｅｔ
（ ）在开始计算之前预览动网格 ； ５ （ ）进行瞬时动网格计算 ； ６
（ ）对计 算 结果 进行 后 处理 。 ７ 表 ４ 表 ７为船 舶 满载 、船 速 ６９ ｍ ｓ（３５ｎ ～ ．５ ／ １． ）及 风速 分 别为 ５ ｓ ０ ｓ １ｍ／和 ２ｍ／ ， ｋ ｍ／、１ｍ／、 ５ ｓ ０ ｓ时 不 同风 向下 ，当 帆产 生最 大推 力 时 的助推 风压 和横 向风压 、帆 角及 压 力 中心位 置 。
关 键 词 ：船舶、舰船工程；风帆助航；风翼帆；计算流体力学 （ Ｆ ；效能分析 Ｃ Ｄ）
中 图 分 类 号 ：Ｕ ６． ６４ １ ３
文献标 识码 ：Ａ
０ 引 言
近 几 年来 ， 由于 油价 大幅 上涨 和环 保要 求 的 日趋 严 格 ，船 舶节 能 的压力 也越 来越 大 。船舶 常规 节 能减 排措 施几 乎 已到极 致 ， 因而利 用太 阳能或 风能进 行 辅助 推进 达 到节 能减 排 的 目的正成 为趋 势 。许