高級(jí)曲面風(fēng)帆助航系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

摘 要：隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)帆助航系統(tǒng)在以下方向發(fā)展成為可能：①利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)帆的自適應(yīng)操縱；②風(fēng)帆與主動(dòng)力裝置的優(yōu)化配合，以經(jīng)濟(jì)航速航行；③復(fù)雜型線風(fēng)帆的操縱、應(yīng)用和推廣成為可能。風(fēng)帆的型線設(shè)計(jì)在近代有著較大的改進(jìn)，機(jī)翼形、組合翼型、圓弧形、圓筒型、百葉窗型、多翼面高升力型等。我校在前期針對(duì)圓弧型風(fēng)帆的設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)其流體動(dòng)力特性的數(shù)值分析和風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，在型線方面進(jìn)行改進(jìn)，分析了貝殼式迎風(fēng)面中部卸載，并在卸載區(qū)域假設(shè)風(fēng)輪機(jī)增加風(fēng)帆在特殊風(fēng)向攻角下的綜合性能。采用Pro\\E進(jìn)行風(fēng)帆的三維曲面設(shè)計(jì)，并利用有限元分析軟件Ansys對(duì)貝殼式風(fēng)帆迎風(fēng)面上的壓力分布、風(fēng)帆產(chǎn)生的升力和阻力等流體動(dòng)力特性進(jìn)行了數(shù)值分析。貝殼式風(fēng)帆中部的風(fēng)輪機(jī)在風(fēng)向大攻角下，類似圓筒風(fēng)帆起到輔推作用。該款復(fù)合型線設(shè)計(jì)風(fēng)帆的分析結(jié)果，可為開發(fā)商用風(fēng)帆助航節(jié)能船舶提供一定的指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：船舶；風(fēng)輪機(jī)；圓筒型風(fēng)帆；貝殼式風(fēng)帆；風(fēng)帆助航；流體動(dòng)力；有限元分析

Advanced Surface Sail Assisted System and Structural Design

ZHANG Guangyin， HU Yihuai， CUI Shuang

( Shanghai Maritime University， Shanghai 200135 )

Abstract: Along with the development of automation technology， there are three possible development directions. First， adaptive control to sail would be realized by computer. Second， sail and power plant's combination would be optimized for economic speed. Third， the factors of manipulation， line sail application and promotion would be possible .The type line of sail in modern design has great improvement， just like wing shape， combination wing type， circular arc form of cylinder type， shutters， and the wing of high lift. In the design of circular arc sail， by taking the fluid dynamic characteristics of the numerical analysis and wind tunnel test results， we have improved the type line and analyzed the windward central unloading. We use the Pro\\E to sail of 3d surface design. By the analysis software we analyze shells on the wind pressure type sail distribution of numerical analysis. The results of numerical analysis coincide with test results in wind tunnel， which can be the guidance for the development of sail assisted propulsion.

Key words: Ship; Wind turbines; Circular arc sail; Shell type sail; Sail assisted; Fluid dynamics ; FEA

常規(guī)遠(yuǎn)洋船舶大多采用柴油機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)作為主動(dòng)力裝置，少數(shù)特殊工種船舶采用核動(dòng)力裝置，但核動(dòng)力目前有諸多因素制約其在節(jié)能減排方面的應(yīng)用。風(fēng)能作為開發(fā)潛力巨大的一種清潔能源，若能實(shí)現(xiàn)高效大范圍利用風(fēng)能將會(huì)長(zhǎng)久可持續(xù)性地造福人類及地球環(huán)境。

隨著電子計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)帆助航系統(tǒng)在以下方向發(fā)展成為可能：① 利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)帆的自適應(yīng)操縱；② 風(fēng)帆與主動(dòng)力裝置的優(yōu)化配合，以經(jīng)濟(jì)航速航行；③ 隨著自動(dòng)化程度的不斷提高，復(fù)雜型線風(fēng)帆的應(yīng)用和推廣成為可能。風(fēng)帆的型線設(shè)計(jì)在近代有著較大的改進(jìn)，早期的布帆有三角形、梯形桁或尾斜桁等，目前有骨架式風(fēng)帆：機(jī)翼形、組合翼型、圓弧型[1]（上海海事大學(xué)2009）、圓筒型（日本）、百葉窗型（上海海事大學(xué)2010）、多翼面高升力型等，還有風(fēng)箏式（德國(guó)“天帆”2010.4）風(fēng)輪機(jī)助航（德國(guó)Wagner 250kW雙葉片2008）均采用了微機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)。

1 風(fēng)帆的坐標(biāo)系和空氣動(dòng)力分量

分析風(fēng)帆的空氣動(dòng)力，在風(fēng)軸航向坐標(biāo)系中可由各個(gè)力和力矩分量表示。坐標(biāo)系如圖1所示，直角坐標(biāo)系O-LDZ，其原點(diǎn)O位于模型底板中心，Z軸豎直向上，在水平面內(nèi)的L軸為升力方向，D軸為阻力方向。風(fēng)向角a規(guī)定為風(fēng)速矢量與帆平面方向的夾角(幾何攻角)， 為風(fēng)帆轉(zhuǎn)角。

空氣動(dòng)力被分解為升力FL、阻力Fd兩個(gè)分力和彎矩ML、Md和扭轉(zhuǎn) 三個(gè)力矩，MZ力矩的參考點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)O。對(duì)應(yīng)于升力和阻力的空氣動(dòng)力系數(shù)： （1）

（2）

式中，S為風(fēng)帆面積； 為空氣密度；V為風(fēng)速。

2 復(fù)雜型線設(shè)計(jì)目的

1）克服風(fēng)帆在風(fēng)向與航向小角度攻角（0o~10o）情況下“之”字形航行路線的缺點(diǎn)[2]；

2）實(shí)現(xiàn)風(fēng)帆在風(fēng)向與航向大角度攻角（100o~145o）情況下能有較大的升力；

3）應(yīng)急風(fēng)力發(fā)電，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)力裝置發(fā)生故障時(shí)，船員可人工輕松操帆，為空壓機(jī)、應(yīng)急蓄電池、空調(diào)等系統(tǒng)供電。

3 貝殼式風(fēng)帆方案要點(diǎn)

1）由風(fēng)帆迎風(fēng)面的中下部挖洞，用以卸除一部分風(fēng)力載荷，實(shí)現(xiàn)船舶在航向-風(fēng)向小角度攻角情況下的直線航行，同時(shí)起到減震、船體防側(cè)向傾覆的效果[2]；

2）在風(fēng)帆迎風(fēng)面的中部洞口加設(shè)風(fēng)輪機(jī)，綜合翼型風(fēng)帆與圓筒式風(fēng)帆原理：迎風(fēng)面上的壓力沿著葉輪旋轉(zhuǎn)方向，順風(fēng)力方向逐漸減小[1]，配合風(fēng)帆起到助航作用；

3）該風(fēng)輪機(jī)可根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)向，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)葉片螺旋角，產(chǎn)生基本穩(wěn)定變化的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急發(fā)電；

4）采用雷達(dá)式旋轉(zhuǎn)底座實(shí)現(xiàn)水平旋轉(zhuǎn)；帶有自鎖功能的二維連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)迎風(fēng)面高低位切換；見附圖

5）采用嵌入式氣動(dòng)遙控與人工手動(dòng)控制兩種模式，實(shí)現(xiàn)船舶在復(fù)雜工況下的助航作用。

4 圓弧形風(fēng)帆流體力學(xué)的數(shù)學(xué)模型

利用ANSYS的 模塊對(duì)風(fēng)帆的流體動(dòng)力特性進(jìn)行數(shù)值模擬[3-6]。為分析圓弧形風(fēng)帆流體動(dòng)力學(xué)特性，應(yīng)用較為廣泛的 紊流模型，數(shù)值分析圓弧型帆的結(jié)構(gòu)尺寸和風(fēng)力參數(shù)變化等對(duì)風(fēng)帆的流體動(dòng)力性能的影響。并作以下假設(shè)：① 船舶在航行時(shí)風(fēng)的流場(chǎng)是穩(wěn)態(tài)的；② 空氣視為不可壓縮流體；③ 受風(fēng)力作用時(shí)，忽略風(fēng)帆的溫度變化及影響；④ 忽略船舶穩(wěn)態(tài)對(duì)風(fēng)帆流體實(shí)時(shí)性能的影響。

圓弧形風(fēng)帆流體動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的 紊流模型的控制方程[9]。

連續(xù)方程:

動(dòng)量方程：

K方程：

方程：

式中： 為速度矢量； 為流速矢量 在三個(gè)坐標(biāo)方向上的分量；i， j = 1， 2， 3分別代表三維直角坐標(biāo)系的三個(gè)方向；P為壓力； 為密度； 分別為分子動(dòng)力粘度和湍流粘性系數(shù)； 為常數(shù)，數(shù)值見表1，風(fēng)帆迎風(fēng)面主視圖、俯視圖見圖3、圖4所示。

5 有益效果

1）較普通硬軟帆增加了有效航程比例以增加經(jīng)濟(jì)性；

2）添加應(yīng)急發(fā)電裝置以輔助人工操帆，增加船舶在惡劣海況突發(fā)停車情況下的安全可操性；

根據(jù)最佳對(duì)首轉(zhuǎn)帆角度的計(jì)算公式[7，8]。上述最佳轉(zhuǎn)帆角只是從帆本身的性能出發(fā)考慮的，并未考慮與船體的動(dòng)力平衡或匹配的問(wèn)題，因此，只能講與最佳值相距不遠(yuǎn)。因?yàn)槿绻牧黧w動(dòng)力與船體的流體動(dòng)力不平衡，船速和漂角均可能有變化，這樣，相對(duì)風(fēng)風(fēng)向角也與原來(lái)的不一樣。

普通帆船在不同的真風(fēng)航向角時(shí)可達(dá)的最大航速畫成極線圖則如圖6[2]，一艘好的普通帆船在4個(gè)羅徑點(diǎn)(1羅徑點(diǎn)等于11o15')的真風(fēng)航向角或更小一些仍能航行，通過(guò)反復(fù)的換搶，帆船可沿“之”字形航線駛向上風(fēng)目標(biāo)。由圖5也可看出，帆船在橫風(fēng)（β=110o~140o）行駛時(shí)比順風(fēng)要快些，原因是橫風(fēng)時(shí)帆的有效推力比順風(fēng)時(shí)更大。

貝殼式風(fēng)帆若單純采取中部卸載，在該種小角度真風(fēng)航向角情況下最大推力不及普通風(fēng)帆，但由于此時(shí)帆體處于橫傾狀態(tài)，硬質(zhì)骨架的帆體重心下降橫低，且可以伸出側(cè)舷，增加船體穩(wěn)定性 。

隨著化石燃料的枯竭以及與日俱增的能源需求，應(yīng)對(duì)全球氣候變暖的挑戰(zhàn)，我國(guó)的航運(yùn)事業(yè)節(jié)能減排已刻不容緩，建造節(jié)能環(huán)保型船舶已經(jīng)成為趨勢(shì)。為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展新能源的開發(fā)已勢(shì)在必行，以風(fēng)能作動(dòng)力直接帶動(dòng)各種機(jī)械系統(tǒng)的裝置如風(fēng)力助航、風(fēng)輪機(jī)發(fā)電已成為研究的熱點(diǎn)，許多國(guó)家已經(jīng)走在了前列。如日本設(shè)計(jì)出商用風(fēng)帆助航船舶“新愛德號(hào)”。研究表明，風(fēng)帆助航技術(shù)的應(yīng)用可以降低燃油消耗，提高船舶的環(huán)保特性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于利用風(fēng)帆而得到的節(jié)能效果約15%左右，每平方米風(fēng)帆面積平均獲得的功率約0.22～0.3 kW。目前，現(xiàn)代船舶以機(jī)主帆副為宜，即是通常所稱的風(fēng)帆助航節(jié)能船舶。

貝殼式風(fēng)帆是剖面為不規(guī)則型線的圓弧形風(fēng)帆。這種風(fēng)帆裝于現(xiàn)代船上，與其自動(dòng)控制系統(tǒng)一起合稱為風(fēng)帆助航節(jié)能裝置系統(tǒng)。對(duì)貝殼式風(fēng)帆這種圓弧型硬質(zhì)風(fēng)帆的拱度和所受風(fēng)力幾何攻角等參數(shù)的研究仍需更深一步的分析，并將會(huì)在以后的風(fēng)洞試驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。

6 結(jié)語(yǔ)

采用k-e紊流模型方程描述一種復(fù)雜型線設(shè)計(jì)的圓弧型風(fēng)帆受風(fēng)力時(shí)的流體動(dòng)力學(xué)特性，對(duì)圓弧型風(fēng)帆迎風(fēng)面上的壓力分布、風(fēng)帆產(chǎn)生的升力和阻力的特性進(jìn)行了數(shù)值分析，由分析結(jié)果可見：

1）順風(fēng)力方向時(shí)，貝殼式風(fēng)帆迎風(fēng)面上的壓力沿著縱向軸線壓力向四周遞減，同時(shí)中部卸載區(qū)壓力受風(fēng)輪機(jī)葉片螺旋角影響較大。

2）船舶迎風(fēng)航行時(shí)，由于風(fēng)帆表面受力的不均勻性，受風(fēng)力后，風(fēng)帆產(chǎn)生的作用力轉(zhuǎn)化為船舶驅(qū)動(dòng)力的升力和阻力。受風(fēng)力攻角的影響，單個(gè)貝殼式風(fēng)帆產(chǎn)生的升力存在一個(gè)最大值，大于風(fēng)帆產(chǎn)生的阻力，有利于增大船舶的驅(qū)動(dòng)力。因此，在大角度迎風(fēng)航行中，應(yīng)根據(jù)風(fēng)向?qū)崟r(shí)調(diào)整風(fēng)帆旋轉(zhuǎn)支架轉(zhuǎn)角，使風(fēng)帆受風(fēng)力后產(chǎn)生較大的船舶驅(qū)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)風(fēng)帆產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力實(shí)時(shí)大于其產(chǎn)生的阻力。

3）當(dāng)風(fēng)向攻角不變時(shí)，風(fēng)輪機(jī)旋轉(zhuǎn)平面與風(fēng)向的夾角不同，風(fēng)力對(duì)風(fēng)帆的側(cè)推力也會(huì)不同，當(dāng)風(fēng)輪機(jī)旋轉(zhuǎn)平面相切于風(fēng)力場(chǎng)是，產(chǎn)生最大側(cè)推力。適時(shí)改變貝殼式風(fēng)帆中部風(fēng)輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)平面角度能夠?qū)崿F(xiàn)大角度甚至180o風(fēng)向攻角附近仍能獲得正推力，有利于風(fēng)帆驅(qū)動(dòng)船舶迎風(fēng)航行。同時(shí)還能輔助舵機(jī)工作，實(shí)現(xiàn)航線快速轉(zhuǎn)向。

4）對(duì)于復(fù)雜型線風(fēng)帆的設(shè)計(jì)，要以先進(jìn)的三維曲面軟件為依托，通過(guò)建立模型進(jìn)行數(shù)值分析，進(jìn)而通過(guò)仿真得出結(jié)論，隨較之于風(fēng)洞試驗(yàn)有數(shù)據(jù)偏差，但可為開發(fā)商用風(fēng)帆助航節(jié)船舶能提供一定的方向指導(dǎo)作用。

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作者簡(jiǎn)介：張廣印（1986-），男，碩士生，研究方向：船舶與海洋工程

胡以懷（1964-），男，教授

基金項(xiàng)目：上海市科委重點(diǎn)項(xiàng)目（08210511800）

收稿日期：2011-09-06