大型远洋风帆助航船舶节能效率分析

第３９卷第６期　２０１０年１２月　船海工程　ＳＨＩＰ＆ＯＣＥＡＮ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　Ｖ０１．３９　Ｎｏ．６　Ｄｅｃ．２０１０　

大型远洋风帆助航船舶节能效率分析　

陈鲁愚　，陈顺怀　，严新平　・　（武汉理工大学ａ．交通学院；ｂ．能源与动力工程学院可靠性工程研究所；　Ｃ．船舶动力工程技术交通行业重点实验室，武汉４３００６３）　摘要：对大型远洋船舶可采用的帆型进行了对比，分析了硬帆的展弦比或拱度比的不同所带来的空气　动力特性影响，介绍了风帆助航船舶的节能效果预报方法，通过气象资料对加装风帆助航装置的巴拿马级散　货船在某些航线上的节能效率进行了估算。　关键词：风帆助航；风帆特性曲线；节能效率　中图分类号：Ｕ６６４．３１　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７１—７９５３（２０１０）０６—０１２１—０４　风能是一种取之不尽用之不竭、廉价、无污染　的新能源，据世界气象组织估计，整个地球上可以　利用的风能为２×１０　ＭＷ，为地球上可资源化利　用的水能总量的１０倍ｌ１］。世界上９Ｏ　以上的国　际贸易是通过船舶来实现的Ｌ２］，对航线上的风能　进行开发利用不仅能降低船舶的年营运费用，同　时也能大大减少能源消耗Ｅ　。　风帆助航是一种直接将风能转化为船舶辅助　推进力的技术，风帆助航船舶可采用航速保持不　变、降低主机输出功率［４ｊ或是主机输出功率不变、　航速提高等方式从而达到节约燃油消耗的目的。　对风帆的型式进行分析和对风帆助航船舶的节能　效果进行预测是对其综合经济效益作出切合实际　估算的重要保证ｌ５］。　１　帆型应用对比　目前在船舶上取得应用并且节能效果较好的　帆型主要有以下三类：天帆（风筝帆）、硬帆、转简　帆等。帆型之间的优缺点与最大升力系数　的对比见表１。　从表中可以看出，转筒帆和天帆各自具有在　船舶上应用的优势，但是尚有一些缺点没有克服。　文中的研究对象为圆弧型矩形硬帆。　

收稿日期：２０１０—０６—３Ｏ　修回日期：２０１０—０８—１１　资助项目：武汉理工大学自主创新研究基金资助　作者简介：陈鲁愚（１９８５一），男，硕士生。　研究方向：船舶与海洋结构物设计制造　Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｏｃｈｅｎｌｙ＠１６３．ｃｏｍ　表１帆型优缺点及Ｇ一对比　天帆　转筒帆　硬帆　

们　雪空气动力学技檗星　优　陛磊　善　嚣　

足褰酾　不足是　需蕊　攀　积　板面　的总面积不大

。　、　１＿ｌ　６．Ｏ～７．０　１．４～１Ｉ　８　

２风帆推力特性比较　根据一系列不同拱度比及展弦比的圆弧型矩　形硬帆在风洞中的试验结果，可得出相应帆的空　气动力特性曲线［　（即为帆的极坐标图），其部分　典型曲线见图１～４。　

瓤　垛　

图１拱度比为０．１４的系列圆弧型　矩形硬帆的空气动力特性曲线　０　７５　

１２１　第６期　船海工程　第３９卷　

束　善　匿　

喜　匿　

主　图２拱度比为０．１６的系列圆弧型　矩形硬帆的空气动力特性曲线　６　４　

０　０　４　Ｏ　８　１　２　１　６　风帆阻力系数Ｃ　图３展弦比为１．４５的系列圆弧型　矩形硬帆的空气动力特性曲线　

图４展弦比为２．１５的系列圆弧型　矩形硬帆的空气动力特性曲线　可以看出，硬帆随其展弦比、拱度比的不同，　ｌ２２　其升力系数Ｃ　和阻力系数　也不同，硬帆的升　力系数变化值的区间较阻力系数的变化值区间要　大。而且，随着展弦比的下降，硬帆的最大升力系　数随之升高；而随着拱度比的变大，硬帆的最大升　力系数也随之提高。　根据线性插值方法［　可以得到拱度比为　０．１２、展弦比为０．８的某设计风帆的空气动力特　性曲线（即极坐标图）。在某一实际航线上，风的　方向和速度随时问的变化而不断变化，风帆助航　船必须操帆改变帆的迎风角度，以使船在前进方　向上得到最大的风帆推力。图５为某一角度下设　计风帆的受力示意图及其极坐标图。　

图５设计帆受力示意及极坐标　图５中，帆与船艏垂向线的夹角为帆角　，相　对风向与船艏中心线的夹角称迎风角，攻角ａ是　风帆方向与相对风向间的夹角Ｏ。使Ｃ。一Ｃ　曲线　的横坐标与相对风向平行且同向，船艏中心线通　过坐标原点０，当迎风角一定时，可在Ｃ。一Ｃａ曲线　上找出一点，使其在航线线上的投影为最大推力　系数Ｃ～　，对应于该点的攻角即为最佳攻角‰　。　３节能效果分析　风帆助航船舶受力分析如图６所示。船舶不　加风帆航行时，作用在船上的力有螺旋桨发出的　８　６　４　２　０　８　６　４　２　ｌ　ｌ　ｌ　Ｏ　Ｏ　０　

０　第６期　船海工程　第３９卷　

参考文献　Ｅｌｉ　ＳＵＮ　Ｙｕｗｅｉ，ＹＡＮ　Ｘｉｎｐｉｎｇ，ＹＵＡＮ　Ｃｈｅｎｇｑｉｎｇ，ｅｔ　ａ１．Ｒｅ—　ｓｅａｒｃｈ　ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｉｎ　ｍａｒｉｎｅ　ｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｐｈｏｔｏｖｏｈａｉｃ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙＥＣ］１／Ｚａｈｅｄｉ　Ａ　ｅ　４７ｔｈ　Ａｎｎｕａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ａｕｓｔｒａｌｉａｎ　ａｎｄ　Ｎｅｗ　Ｚｅａｌａｎｄ　Ｓｏｌａｒ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　（ＡＮ　Ｓ　２００９），Ａｕｓｔｒａｌｉａ　Ｔｏｗｎｓｖｉｌｉｅ，２００９．　［２］王分良．ＥＥＤＩ时代的船舶减排ＥＪ］．中国船检，２００９　（８）：６２—６５．　［３］ＹＵＡＮ　Ｃｈｅｎｇｑｉｎｇ，Ｄ０ＮＧ　Ｃｏｎｇｌｉｎ，ＺＨＡＯ　Ｌｉａｎｇｌｉ—　ａｎｇ，ｅｔ　ａ１．Ｍａｒｉｎｅ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｄａｍａｇｅ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｓｏ—　ｌａｒ　ｃｅｌｌ　ｐａｎｅｌ［Ｃ］／／ＩＥＥＥ－Ｐｒｏｇｎｏｓｔｉｅｓ＆Ｓｙｓｔｅｍ　Ｈｅａｌｔｈ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　２０１０，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｍａｃａｕ，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ：２０１０．　Ｅ４］Ｇｌｙｋａｓ　Ａ，Ｐａｐａｉｏａｎｎｏｕ　Ｇ，Ｐｅｒｉｓｓａｋｉｓ　Ｓ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｏｓｔ—ｂｅｎｅｆｉｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｓｏｌａｒ　ｈｙｂｒｉｄ　ｐｏｗｅｒ　ｉｎ—　ｓｔａｌｌａｔｉｏｎ　ｏｎ　ｍｅｒｃｈａｎｔ　ｍａｒｉｎｅ　ｖｅｓｓｅｌｓ［Ｊ］．Ｏｃｅａｎ　Ｅｎ　ｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１０，３７：５９２—６０２．　

Ｅｃｏｎｏｍｉｃ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｆｏｒ　Ｓｏｌａｒ　Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ａｐｐｌｉｅｄ　ｉｎ　Ｏｃｅａｎ—ｇｏｉｎｇ　Ｓｈｉｐｓ　ＳＵＮ　Ｙｕ－ｗｅｉ　～，ＹＡＮ　Ｘｉｎ－ｐｉｎｇ　。。。。ＹＵＡＮ　Ｃｈｅｎｇ－ｑｉｎｇ￣　～，ＷＡＮＧ　Ｙｉ－ｇｏｎｇ２　（１　ａ．Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｎｅｒｇｙ　ａｎｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；　ｂ．Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｍａｒｉｎｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｍｉｎｉｓｔｒｙ　ｏｆ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ），　Ｗｕｈａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ　４３００６３，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　Ｃｅｎｔｒｅ，Ｃｈｉｎａ　Ｏｃｅａｎ　Ｓｈｉｐｐｉｎｇ（Ｇｒｏｕｐ）Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００３１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ　ａ　ｔｙｐｉｃａｌ　ｎｅｗ　ｅｎｅｒｇｙ　ｒｅｓｏｕｒｃｅ，ｓｏｌａｒ　ｅｎｅｒｇｙ　ｏｗｎｓ　ｈｕｇｅｌｙ　ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｃｅｓ　ｏｆ　ｅｎｅｒｇｙ－ｓａｖｉｎｇ　ａｎｄ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ－ｃｕｔｔｉｎｇ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅ　ａｃｔｕａｌ　ｅｆｆｉｃａｃｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｉｓ　ｒｅｓｔｒｉｃｔ—　ｅｄ　ｂｙ　ｌｏｃａｌ　ｓｏｌａｒ　ｒａｄｉａｔｉｏｎ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，ｓｏ　ｔｈｅ　ｅｃｏｎｏｍｉｃ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｆｏｒ　ｉｎｖｅｓｔｉｎｇ　ａｎｄ　ａｐｐｌｙｉｎｇ　ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｃａｎ　ｏｎｌｙ　ｂｅ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ　ａｆｔｅｒ　ｔｈｅ　ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ　ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ　ｏｆ　ｓｏｌａｒ　ｒａｄｉａｔｉｏｎ　ｒｅｓｏｕｒｃｅ．Ａ　ｌａｒｇｅ　ｏｃｅａｎ－ｇｏｉｎｇ　ｓｈｉｐ　ｉｓ　ｃｈｏｓｅｎ　ａｓ　ｔｈｅ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｏｆ　ｍａｒｉｎｅ　ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔｏ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｅｎｅｒｇｙ，ａｎａｌｙｚｅ　ｔｈｅ　ｓｏｌａｒ　ｒａｄｉａｔｉｏｎ　ｒｅｓｏｕｒｃｅ　ｏｆ　ｓｅａ　ｌｅｖｅｌ　ｉｎｖｏｌｖｅ　ｉｎ　ｔｙｐｉｃａｌ　ｒｏｕｔｅ　ｏｆ　ｓｈｉｐ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ，ｍａｋｅ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｓａｖｉｎｇ　ｆｕｅｌ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｂｙ　ｒｕｎｎｉｎｇ　ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ　ｅｘｐｏｕｎｄ　ｔｈｅ　ｇｕｉｄｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｏｓｔ　ａｎｄ　ｄｉｓｃｏｕｎｔ　ｐａｙｂａｃｋ　ｐｅｒｉｏｄ　ｏｆ　ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｃａｐａｃｉｔｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ｓｙｓｔｅｍ；ｏｃｅａｎ　ｇｏｉｎｇ　ｓｈｉｐ；ｒｏｕｔｅ；ｅｃｏｎｏｍｙ；ｄｉｓｃｏｕｎｔ　ｐａｙｂａｃｋ　ｐｅｒｉｏｄ　．　

（上接第１２３页）　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｓａｉｌ—ａｓｓｉｓｔｅｄ　Ｏｃｅａｎ—ｇｏｉｎｇ　Ｖｅｓｓｅ１　ｅｌｌＥＮ　Ｌｕ－ｙｕａ，ｅｌｌＥＮ　Ｓｈｕｎ－ｈｕａｉ　，ＹＡＮ　Ｘｉｎ－ｐｉｎｇｕ’　（ａ．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ；ｂ．Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｎｅｒｇｙ　ａｎｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；　ｃ．Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｍａｒｉｎｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｍｉｎｉｓｔｒｙ　ｏｆ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ），　Ｗｕｈａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ　４３００６３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｔｙｐｅｓ　ｏｆ　ｓａｉｌｉｎｇ　ｒｉｇｓ　ｗｅｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ｔｏ　ａｎａｌｙｚｅ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ａｓ—　Ｄｅｃｔ　ｒａｔｉｏ　ａｎｄ　ａｒｃｈ　ｒａｔｉｏ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈａｒｄ　ｓａｉｌ　ｏｎ　ｔｈｅ　ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｅｓｔｉｍａｔｅ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｓａｉｌ’ｓ　ｐｏｗｅｒ　ｓａｖｉｎｇ　ｗａｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｗｉｔｈ　ｒｏｕｔｅｓ’ｗｅａｔｈｅｒ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｓａｖｉｎｇ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｃｅａｎ－ｇｏｉｎｇ　ｓｈｉｐ　ｗａｓ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇ　ｔｈｅ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｍｏｄｅ１．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓａｉｌ—ａｓｓｉｓｔｅｄ　ｓｈｉｐ；ｓａｉｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｃｕｒｖｅ；ｐｏｗｅｒ　ｓａｖｉｎｇ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　

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辅助船舶航行的圆弧型风帆流体动力性能分析

第３４卷第ｌ期　２０１１年３月　中　国　航海　ＮＡＶＩＧＡＴＩＯＮ　ＯＦ　ＣＨＩＮＡ　Ｖｏ１．３４　ＮＯ．１　Ｍａｒ．２０１１　

文章编号：１０００—４６５３（２０１１）０１—００３０—０６　

辅助船舶航行的圆弧型风帆流体动力性能分析　

陈　威，　高泽世，　胡以怀，　王海燕　

（上海海事大学商船学院，上海２００１３５）　

摘　要：以风能作为动力辅助船舶航行的风帆助航，是新能源应用于船舶航运中的重要途径。采用ｋ—ｅ紊流模型　方程描述圆弧型风帆流体动力学特性，并利用计算流体动力软件ｆｌｕｅｎｔ，对圆弧型风帆迎风面上的压力分布、风帆　产生的升力和阻力、拱度比等圆弧型风帆流体动力特性，以及并排组合风帆的动力特性进行了数值分析。圆筒风　帆迎风面上的压力沿着圆筒面，顺风力方向逐渐减小。适当提高圆筒型风帆拱度，有利于风帆驱动船舶迎风航行。　应调整风帆受的风力攻角，使风帆产生较大的船舶驱动力。并排风帆组合的各帆之间存在相互影响。针对圆筒型　风帆流体动力特性的数值分析和风洞试验的结果一致。分析所得出的结果，可为开发商用风帆助航节能船舶提供　

一定的指导。　关键词：船舶、舰船工程；圆弧型风帆；流体动力；迎风航行；数值模拟　中图分类号：ＴＫ８９；Ｕ６６４．３１　文献标志码：Ａ　

Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　Ｃｉｒｃｕｌａｒ　Ａｒｃ　

Ｓａｉｌ　ｆｏｒ　Ｗｉｎｄ　Ａｓｓｉｓｔ　Ｓｈｉｐ　Ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ　

ＣＨＥＮ　Ｗｅｉ，　ＧＡ０Ｚｅ—ｓｈｉ，ＨＵＹｉ　ｈｕａｉ．Ｗ　ＮＧ　Ｈ口　—Ｙ　”　

（Ｃｏｌｌｅｇｅ　Ｏｆ　Ｍｅｒｃｈａｎｔ　Ｍａｒｉｎｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｍａｒｉｔｉｍｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２００１３５，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｎｄ　ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ　ｉｎ　ｓｈｉｐ　ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ　ｉｓ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｒｅｎｅｗａｂｌｅ　ｅｎｅｒｇｙ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｗｉｎｄｗａｒｄ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｏｆ　ａ　ｃｉｒｃｕｌａｒ　ａｒｃ　ｓａｉｌ，ｌｉｆｔ　ｆｏｒｃｅ　ａｎｄ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｃｒｅａｔｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｓａｉｌ．ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃａｍｂｅｒ　ｒａｔｉｏ　ｏｎ　ｓａｉｌ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ａｂｒｅａｓｔ　ｃｏｍｂｉ—　ｎａｔｉｏｎ　ｓａｉｌｓ　ｕｓｉｎｇ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　￡ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ　ｆｌｏｗ　ｅｑｕａｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ＣＦＤ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｏｆ　Ｆｌｕｅｎｔ．Ｔｈｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｗｉｎｄｗａｒｄ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｉｒｃｕｌａｒ　ａｒｅ　ｓａｉｌ　ｄｅｃｒｅａｓｅｓ　ａｌｏｎｇ　ｗｉｎｄ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ．Ａ　ｐｒｏｐｅｒ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｉｎ　ｃａｍｂｅｒ　ｒａｔｉｏ　ｏｆ　

船舶节能减排措施

船舶节能已成为世界各国造船界和航运界研究的重要课题，他关系到节约燃料资源和费用、环境保护以及船舶运营经济效益等问题。以下是整理的资料，仅供参考，欢迎阅读。

船舶节能减排措施一、管理节能

开展节能减排工作，是管理出效益的最有效方法。

1.建立科学的管理节能模式

管理节能的基本原理就是把管理学的理论与我们企业管理的实践有机结合，实现社会、企业与员工发展目标的和谐统一。

2.船舶能耗定额管理

根据各船舶主机不同型号不同作业原理和方式，通过实船测量与科学统计，分别制定不同的油耗标准：(1)平均每小时耗油量。(2)船舶耗油量和创造的收入之比。实际产出与投入之比，不仅反映船舶的生产效率，而且也反映能源利用水平。这样不仅可以对同一时间船与船之间的能源利用率进行横向比较，而且对同一船舶在不同时间内的能源利用率也可以纵向比较，便于节能效果分析。

二、技术节能

技术节能有多种形式，在此本人总结了过去两年多在洋山港拖轮工作的4 点节油经验。以下计算均以海港105 轮;;2974 千瓦;;4000

匹马力拖轮为例，其它船舶可以类推。 2

1.合理缩短航程

拖轮的油耗的很大一部分来自于接送引水及其护航航行的油耗。要是能合理的缩短航程那肯定将节省大量的油耗。接送引水以及护航作为我们作业的一项日常任务，每天大约有4-5 个往返。按正常航路从小洋山工作船码头到Y5 灯浮的距离为12.8NM(海里)，一次往返就是25.6NM，全速航行的油耗大约为1t，即每海里油耗大约为0.04t。

从箫萁岛到虎啸蛇岛到Y7 这一段直线航路与Y7 至Y5这一直线航路有一较大交角(如上简图)。一般情况下我们都是跟着大船沿着这一正规航路行驶，这样的航程为2.3+3.3=5.6N 而如果我们改进航路，一过虎啸蛇岛马上转向直接朝Y 5 方向航行(航向105°，如上简图中红线)，这样的直线航程为5.1NM 比原来缩短了0.5 海里，这样的话一次往返就缩短航程1 海里，每天按4 次往返的接送引水量计算的话就可以节油0.16t，一个月就可以节油4.8t，一年就是57.6t，经过我多次航行的实践，证明这条航路是可行的、安全的。

基于降低船舶能效设计指数(EEDI)值的研究

王强

【摘要】EEDI(能效设计指数)是衡量船舶在航行中CO2排放量的考核指标.依据MEPC.59提出的EE-DI临时指导公式分析其内涵、意义,以及EEDI参考线的回归计算.通过分析实施新的EEDI时对船舶的影响,得出降低EEDI值的常用方法,研究结果可以为船舶设计者在进行相关船舶的EEDI计算时提供参考和指导,具有较好的实用性.

【期刊名称】《造船技术》

【年(卷),期】2015(000)006

【总页数】5页(P18-21,54)

【关键词】节能减排;EEDI;参考线;方法

【作者】王强

【作者单位】青岛远洋船员职业学院,山东青岛266071

【正文语种】中文

【中图分类】U662

能效设计指数EEDI(Energy Efficiency Design Index)是IMO最新推出的衡量船舶能效水平的指标，用船舶能效用CO2排放量和货运能力的比值来表示。2011年7月，在MEPC 第62 次会议上，通过了包括EEDI在内的《国际防止船舶造成环境污染公约》附则六，关于船舶能效规则的修正案，该规则适用于国际航行400总吨及以上船舶，于2013年1月1日生效，并将于2015年起执行。EEDI 能效规则的强制实施，对于中国造船业、航运业将面临严峻的挑战。

2015年起新造船舶将强制遵守CO2排放标准， EEDI的提出对造船工艺、船型设计、创新型节能技术应用等提出了更高的要求。因此，通过降低EEDI值来实现节能减排是目前和将来船舶设计中最重要的要求之一。

船舶运输是石油消费的重点行业，也是温室效应气体(GHG)和大气污染排放的重要来源之一，与绿色船舶技术相关的国际规范公约等强制性文件也相继出现。能效设计指数(EEDI)是国际海事组织(IMO)最新推出的衡量船舶能效水平的指标，降低由于EEDI强制实施带来的不利影响成为航运业和修造船领域的研究热点。

1.1 EEDI公式内涵

辅助风帆对船舶航行性能影响的理论研究

第３２卷第３期　２００２年５月　青岛海洋大学学报　

ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＯＣＥＡＮ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　ＯＦ　ＱＩＮＧＤＡＯ　３２（３）：３９１～３９６　Ｍａｙ　Ｚ００２　

辅助风帆对船舶航行性能影响的理论研究’　

完协珐　什道军　

（青岛海洋大学水产学院　青岛．２６６００３）　（青岛市水声局．青岛．２６６００１　

摘要以日本国东京水产大学实习船　海鹰丸　作为研究对象，分析计算了在船舶航速一定的条　件下安装辅助风帆对船舶航行性能的影响＝结果表明：安装风帆时，在风向角为９０埘获得功率选到　最大值・横向漂移对船舶航行的影响较小；获得功率最大可达总功率的４４　以上。　关键词风帆；节能　功率增加・航行眭能　中圈法分类号Ｕ６６１　３；ｕ６７４．４　文章编号１００１　１８６８（２００２）０３　０３９１　０６　

风帆是最早应用于船舶的动力工具，随着科学的进步与发展，船舶动力也逐渐被性能更优　

越的燃气轮机和内燃机等所取代　经过几次石油危机以后，由于石油价格飞速增长，把风帆　

作为辅助动力用于船舶的助航已经越来越引起人们的重视。利用风作用于帆上所产生的辅助　推力　：，在保持船舶航速不变的情况下，可降低主机输出功率，达到节能目的。＿　＿。近几年来，　内河安装辅助风帆的船舶正在逐渐增加，海洋运输船舶及渔船等也开始向安装辅助风帆的方　

向发展。因安装风帆以后，船舶的稳性、偏航及主机输出功率等各种性能都会发生改变　，所　

以在船舶安装风帆以前必须对这些性能变化进行分析计算．为船舶安装风帆进行性能分析及　经济性论证提供可靠的依据。本文以东京水产大学安装辅助风帆的实习船“海鹰丸”为研究对　

象，计算了在航速一定的条件下，辅助风帆对航行性能的影响　

ｌ材料与方法　

１．１试验材料　“海鹰丸”船舶的主尺度及主要计算模型参数见表１。　

１　２计算方法　船舶安装风帆所获得的推力的计算，采用与一般船舶的运动分析相同的数　学模型进行　：　假定安装风帆的船舶在定常工况，横倾较小的情况下航行，分别按真风向为０。．　

面向风帆助航的海洋风力资源分析方法

第３６卷第３期　２０１３年９月　中　国航海　ＮＡＶＩＧＡＴ１０Ｎ　ＯＦ　ＣＨＩＮＡ　ＶｏＬ　３６　ＮＯ．３　Ｓｅｐ．２Ｏ１３　文章编号：１０００—４６５３（２０１３）０３—００９０—０５　面向风帆助航的海洋风力资源分析方法　李元奎，　张英俊，　岳兴旺，　高宗江　（大连海事大学航海学院，辽宁大连１１６０２６）　摘　要：为分析风帆助航条件下海洋风力资源对远洋船舶的辅助推力，将风场与航线数据在电子海图上叠加显示。　通过设计算法，建立任意航线上风向变化与色彩变化的映射关系，以色彩的变化直观显示航迹带内的风向分布特　征，利用矩阵实验室（ＭＡＴＬＡＢ）对海洋风场数据进行读取和可视化，并对风速进行统计分析。研究结果表明，海上　风速、风向在一定海域内保持稳定，为航行船舶风帆助航的可行性以及最优航线设计提供了理论依据和数据支持　关键词：水路运输；风帆助航；海运船舶；海洋风场；风力推进　中图分类号：Ｕ６７５．１２　文献标志码：Ａ　Ｏｃｅａｎ　Ｗｉｎｄ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　Ｗｉｎｄ。ａｓｓｉｓｔ　Ｓａｉｌｉｎｇ　Ｌｉ　Ｙｕａｎｋｕｉ，　Ｚｈａｎｇ　ＹｉｎｇＪ　，　Ｙｕｅ　Ｘｉｎｇｗａｎｇ，　Ｇａｏ　Ｚｏｎｇｊｉａｎｇ　（Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｄａｌｉａｎ　Ｍａｒｉｔｉｍｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｄａｌｉａｎ　１１６０２６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ　ａｎａｌｙｚｅ　ａｕｘｉｌｉａｒｙ　ｐｒｏｐｕｌｓｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｆｒｏｍ　ｗｉｎｄ　ｒｅｓｏｕｒｃｅ，ｏｃｅａｎ　ｗｉｎｄ　ｆｉｅｌｄ　ｄａｔａ　ｉｓ　ｄｉｓｐｌａｙｅｄ　ｏｎ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｃｈａｒｔｓ　ｉｎ　ａｄｄｉｔｉｏｎ　ｔｏ　ｒｏｕｔｅ　ｄａｔａ．Ｔｈｅ　ｍａｐｐｉｎｇ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｗｉｎｄ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｄｉｓｐｌａｙ　Ｃｏｌｏｒｓ　ｉｓ　ｓｅｔ　ｕｐ　ｂｙ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ａｌｇｏ—　ｒｉｔｈｍｓ　ｔｏ　ｖｉｓｕａｌｌｙ　ｓｈｏｗ　ｔｈｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗｉｎｄ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｖｉｃｉｎｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｈｉｐ　ｃｏｕｒｓｅ．Ｔｈｅ　ｗｉｎｄ　ｆｉｅｌｄ　ｄａｔａ　ｉｎｄｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ　ａｒｅ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ＭＡＴＬＡＢ．Ｔｈｅ　ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｗｉｎｄ　ｓｐｅｅｄ　ｉｎｄｉｃａｔｅｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｍａｇｎｉｔｕｄｅ　ｏｆ　ｏｃｅａｎ　ｗｉｎｄ　ｉｎ　ａ　ｃｅｒｔａｉｎ　ａｒｅａ　ｋｅｅｐ　ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ　ｓｔａｂｌｅ，ｗｈｉｃｈ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ａ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　ｗｉｎｄ—ａｓｓｉｓｔ　ｓａｉｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｄａｔａ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｆｏｒ　ｏｐｔｉｍａｌ　ｒｏｕｔｅ　ｄｅｓｉｇｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｗａｔｅｒｗａｙ　ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ；ｗｉｎｄ—ａｓｓｉｓｔａｎｔ　ｓａｉｌ；ｏｃｅａｎ　ｓｈｉｐ；ｏｃｅａｎ　ｗｉｎｄ　ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ；ｗｉｎｄ　ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ　根据国际原子能机构发布的相关数据，船舶运　输业作为大能源消耗产业之一，其排放的ＳＯ　ＮＯ　和ＣＯ　分别占全球排放总量的１Ｏ　、２５　和２．７　，　所耗能源约占世界总能耗的２．５　。如何节能减　排，提高船舶营运的经济性已成为航运业越来越关　注的问题【１］。对于航行船舶而言，风能是最容易开　发的新能源，它在全球范围内分布广泛，周而复始，　是一种可再生的清洁能源。同时，海洋风场随季节　和海域变化特别明显，这给船舶利用风力资源航行　带来了一定的困难。因此，研究全球范围内海洋风　力资源的分布特征，是评估其对风帆助航船舶的可　用性以及推进效率的基础。　１　海洋风场数据　所采用的海洋风场数据来源于ＳＣＯＷ（Ｓｃａｔｔｅｒ—　ｍｅｔｅｒ　Ｃｌｉｍａｔｏｌｏｇｙ　ｏｆ　Ｏｃｅａｎ　Ｗｉｎｄｓ）数据集，它是基　于美国航空航天局（Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ　ａｎｄ　Ｓｐａｃｅ　Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ，ＮＡＳＡ）搭载于ＱｕｉｋＳＣＡＴ　卫星上的Ｓｅａｗｉｎｄ散射计获取的洋面上１０　ｍ的风　场数据，通过建立回归模型分析处理，最终得到的月　平均风力数据。其数据格式为ＮｅｔＣＤＦ（Ｎｅｔｗｏｒｋ　Ｃｏｍｍｏｎ　Ｄａｔａ　Ｆｏｒｍ），数据时间区间为１９９９—０９／　２００７—０８，分辨率为０．２５。×０．２５。。　所用的均是三维数据，高度固定为海平面以上　１０　ｍ，随区域（经度和纬度）和时间（每年１２个月）　变化，经度范围为０．１２５。～３５９．８７５。，纬度范围为一　６９．８７５。～６９．８７５。，仅在海洋区域有数据，陆地区域　无数据。但为了保证地理格点的完整性，用格点数　据在文件中的存储位置决定其实际地理位置，在数　据文件中将陆地区域的格点数值统一设定为一　收稿日期：２０１３－０５—２０　基金项目：国家自然科学基金项目（６１０７３１３４，５１１７９０２０）；国家８６３计划项目（２０１１ＡＡＩ１０２０１）；交通运输部应用基础研究项目　（２Ｏ１３３２９２５２９０）；中央高校基本科研业务费资助项目（２０１２ＱＮ００３）　作者简介：李元奎（１９８７一），男，甘肃白银人，博士生，从事航行安全研究。Ｅ—ｍａｉｌ：ｌｉｙｕａｎｋｕｉ０１１６＠ｇｍａｉｌ．ｃｏｒｎ．

基于CFD的风帆助航技术效能分析

５２卷第２期（总第１９５期）　２０１１年６月　中　国　造　船　ＳＨＩＰＢＵＩＬＤＩＮＧ　ＯＦ　ＣＨＩＮＡ　、，０１．５２　Ｎｏ．２（ＳｅｆｉａｌＮｏ．１９５）　Ｊｕｎｅ．２０１ｌ　

文章编号：１０００．４８８２（２０１１）０２－００２５－０９　

基于ＣＦＤ的风帆助航技术效能分析　

王宏明　，一，　

（１．大连海事大学轮机工程学院，大连１１６０２６；　吴桂涛　，杨呙崧　

２．江苏海事职业技术学院轮机工程系，南京２１１１７０）　

摘　要　

在模型试验的基础上，运用计算流体力学（ＣＦＤ）方法，分析了基于机翼理论的风翼帆船利用风能辅助　推进的特性。在仿真软件Ｆｌｕｅｎｔ的仿真计算的基础上，当采用风帆助航技术时，对凤帆产生的推力及由此引　

起船舶阻力变化进行了分析，从而对风帆助航技术的效能进行评估与分析，得出了远洋船舶利用清洁能源（风　

能）在经济性与环保性方面的可行性。并提出风帆助航技术应用于大型远洋船舶后续需要解决的问题。　

关　键　词：船舶、舰船工程；风帆助航；风翼帆；计算流体力学（ＣＦＤ）；效能分析　中图分类号：Ｕ６６４．３１　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　多国家正研究太阳能、风能、核能用在船舶上的技术。海洋风能资源很丰富，风帆助航技术的应用和　风帆助航船型研发具有极大的诱惑力。利用风作用于帆上所产生的辅助推力Ｌｌ　，在保持船舶航速不变　的情况下，可降低主机输出功率，达到节能目的［３　。本文在承担课题研究的基础上，运用计算流体力　

学（ＣＦＤ）方法对风帆助航技术船舶节能进行了研究。　

１风帆助航技术发展趋势　

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，　

船舶动力装置节能减排技术

浅谈船舶动力装置节能减排技术

摘要：2007年以来，全球性能源紧张、高涨的燃油成本、持续增长的燃油需求以及imo等国际组织对船舶排放问题的关注，使得船舶节能减排工作重要而突出，节能减排成为近年来世界各大航运公司的一个主要任务。船舶是高能耗的运输工具，研究和应用节能技术降低船舶能耗，加强船舶管理和设备维护保养及节能减排的基础性管理，不仅可以为航运企业节省燃油费用，还可以减少船舶造成的环境污染，获得经济和环保双重效益。本文主要介绍船舶动力装置方面节能减排方面的技术，以及这些技术在船舶动力装置的应用现状。

关键词：船舶；动力装置；节能；减排

中图分类号：u674.4

海上运输的主要工具——船舶，随着物流业的进一步发展，其数量在不断增加。船舶作为能耗大户，对其进行节能减排技术改造，具有重要的现实意义。

1.船舶节能的内涵

船舶节能总的含义是以最小的能量消耗取得最大的运输效益，或者说就是以最小的燃料费用取得最大的运输量。

燃料费用营运指标=运输量（吨·千米或海里）/（燃油消耗量（千克）·燃料的价格（元/千克））

上式的燃料费用营运指标是表示单位燃料费用所完成的运输量，从式中可以看出，船舶节能的努力方向是增大运输量，降低燃料消耗量和采用廉价的燃料。

2.国内外节能减排技术的发展

从20世纪70年代发生两次能源危机以来，油价飞涨，航运企业的经营成本剧增。特别是近几年来，油价上涨迅速，造成船舶营运成本的构成因素发生显著的变化，燃料费所占的比重急剧增大，现已超过50%。船舶节能、降低燃料消耗量和燃油费用、提高装置经济性已成为一个重要课题，使得船舶节能工作倍受重视。故从柴油机制造厂到造船厂和船公司，一直都在降低船舶燃料费用支出上下功夫，以提高其经济效益。

船舶节能一靠技术进步，二靠加强基础管理。技术进步即是利用船舶节能技术来促进船舶开展节能工作，比如，在新造船舶设计时对船、机、桨进行节能方面的优化设计、合理配置推进柴油机和动力装置、设法减小船舶阻力和提高推进效率；推进柴油机方面采用长行程、少缸数、小型化的柴油机，对增压系统进行优化改进、提高扫气压力，优化燃烧室和采用新的燃烧系统，改进燃油喷射系统、提高最高燃烧压力等，以期直接降低柴油机的油耗；推进柴油机动力装置方面包括主机轴带发电机、采用串联螺旋桨、余热回收等节能技术来提高船舶的整体热效率。加强基础管理包括：船舶合理调度；走经济航道和利用气象导航；采取减速航行与节能航速；使用劣质燃料油；加强机务管理、对设备进行合理的维护保养、保持柴油机及其动力设备良好的工作状态等。

大型远洋风帆助航船舶节能效率分析

第３９卷第６期　２０１０年１２月　船海工程　ＳＨＩＰ＆ＯＣＥＡＮ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　Ｖ０１．３９　Ｎｏ．６　Ｄｅｃ．２０１０　

大型远洋风帆助航船舶节能效率分析　

风帆助航与天帆系统

２．节能与安全的相互关系　风帆助航与船舶安全是一对互相对立又可以互相　

优化的矛盾体。从尽可能多地利用风能、节约能源的　

角度来看，希望有足够强的风力吹动风帆，产生足够　强的力推进船舶。然而，如果风力过大，则会对船舶　

安全造成威胁，也不利于船上人员对船舶的操纵和　控制。　

为了达到节能与安全的最优，风帆助航既要考虑　

空气流体动力，又要兼顾安全性（强度、稳性、自动　化操纵等）。船舶采用何种方式，需要针对航线的气　

候条件，因地制宜。　

３．风帆对船舶航行性能的影响　船舶安装风帆，风帆所增加的倾侧力矩会改变船　

舶的稳性、浮态等各种性能，并可能引起船舶的偏航　

及操纵性的改变。由于风速和风向不稳定，风帆提供　的辅助推力也不稳定，要保证风帆和螺旋桨获得最佳　

的综合推进效率，需分析机、帆、桨的配合特性，实　现机、帆、桨ｊ者的最佳匹配，以获得理想的节能　

效果。　

三、新型风帆助航系统——天帆系统　

天帆系统是德国工程师瑞格发明的新型高科技风　帆，它是由一个巨大的、充满氦气的天帆，也叫风筝　

帆及相应的索具组成，利用上层最稳定而强劲的风力　

驱动船舶前进，天帆系统的组成及工作原理如图１　所示　

图１天帆系统　

１．天帆系统　

天帆，也称为风筝帆，其形状类似于滑翔机的机　

翼，由纺织品构成，面积可达２０００　ｍ　，工作时充满氦　气，由充气骨架支撑结构提供必要的机械强度。由于　

匕比空气轻，即使一点风也没有，风筝帆也可以稳定　上升。风筝帆最高能够升至５００　１ＴＩ，根据不同高度风　的方向和强度，帆的高度可在１００～５００　ｍ内调整，以　

最大限度地利用风能，确保町以获取足够的推进　

能量。　天帆向船上传递力是通过一根牵引缆。控制缆位　

于牵引缆和帆之间，控制和平衡天帆。风筝帆的所有　

缆绳采用强度高、重量低的现代尼龙纤维。　

牵引缆与船体之间的连接装置采用滑车方式，它　

可以在轨道上移动，轨道固定在船的外板，　…・　

缆车控制牵引索的长度。它将牵引缆的力传递到船体　

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