風帆陣列氣動干擾特性數值分析

胡以懷， 李妍嫣， 唐娟娟

(1.上海海事大學 商船學院， 上海 201306； 2.上海船舶研究設計院， 上海 201203)

風帆陣列氣動干擾特性數值分析

胡以懷1， 李妍嫣1， 唐娟娟2

(1.上海海事大學 商船學院， 上海 201306； 2.上海船舶研究設計院， 上海 201203)

針對某遠洋散貨船設計一套風帆陣列。為了研究風帆之間的相互干擾現象，利用CFD軟件對單帆和風帆陣列的空氣動力學特性進行數值模擬，分析風帆之間的干擾特征。結果表明，盡管變化趨勢一致，但由于風帆陣列存在帆間的流場干擾，每只風帆的升/阻力系數都較單個風帆要小，特別是在攻角大于25°時，最大值相差30%左右，且阻力系數下降較快，這為風帆的實船布置和應用提供了參考。

風帆助航；風帆陣列；氣動干擾；CFD計算

0 引言

為獲得較大裝帆面積，充分利用船舶的甲板面積，風帆在實際安裝使用時大都采用組合式風帆模式。由于風帆間會存在相互干擾的現象，不能簡單地將各帆的推力之和作為風帆陣列的總推力，因此，有必要研究風帆陣列的氣動干擾特性，以進一步優化風帆的布置。

本文以我校遠洋實習船為例，在船上設計安裝了8只風帆，并建立了“育明”輪風帆陣列模型，以研究風帆陣列的空氣動力性能及其帆間的干擾特性。

1 風帆陣列模型

“育明”輪是一艘載重48 000 t大型遠洋散貨船，船體寬值較大。為了充分利用風能，設計了雙排四列布置的風帆陣列，舷側過道預留1 m的距離，風帆中心離船體中心線13.13 m，風帆的寬度設為20 m，風帆陣列布置如圖1所示。

考慮到流場的對稱性，取一半的流場進行計算，風帆陣列的矩形計算域如圖2所示。在風帆表面采用結構化矩形網格，然后由非結構化網格過渡到邊界，在靠近風帆表面處網格劃分細密以獲得較為精確的流場模擬。為了易于區分，如圖3所示給風帆進行了編號。

圖1 “育明”輪風帆陣列布置

圖2 風帆陣列3D網格計算域(一半)

圖3 風帆陣列附近網格劃分

2 風帆陣列氣動特性數值模擬

類似單帆，在小攻角范圍內，風帆陣列周圍的流場是定常的，升/阻力系數最終會回歸到一個穩定值。在大攻角狀態下，流場由于尾部漩渦而呈現周期性，升/阻力系數近似取一個波動周期內的平均值。如圖4和圖5所示。

圖4 15°攻角下的升力系數和阻力系數計算迭代值

圖5 90°攻角下的升力系數和阻力系數計算迭代值

不同攻角下，風帆陣列的速度分布云圖如圖6～圖8所示。

分析上圖可知，小攻角時帆翼上表面流體速度大于帆翼下表面的流體速度，符合儒可夫斯基升力定理中關于風帆空氣動力特性的分析。另外，隨著攻角的逐漸變大，風帆周圍的流場越來越復雜，帆翼前緣流體速度與其他位置速度的差距越來越明顯。當攻角大于20°后，帆翼上表面存在流體速度幾乎為0的薄層，且帆1、帆3、帆5、帆7這種情況尤其明顯。帆2、帆4、帆6、帆8由于受到帆1、帆3、帆5、帆7尾流的影響，順著來流方向存在一段流體低速區，并逐漸變大。

圖9和圖10分別為風帆陣列中8個帆各自的升/阻力系數曲線與單帆升/阻力系數對比曲線。由圖9可知，單帆和風帆陣列的升力系數均近似呈兩頭小、中間大的特征，升力系數最大值均出現在攻角40°左右。但由于風帆陣列存在帆間干擾，8個風帆各自的升力系數都比單帆來得小。在攻角α=0°～25°范圍內，由于帆2、帆4、帆6、帆8基本上處于帆1、帆3、帆5、帆7的尾流影響區中，受到的干擾較大，其升力系數比單帆要小很多。帆8升力系數最大，但也僅為單帆的45%左右。帆1、帆3、帆5、帆7的升力系數在攻角α=0°～20°范圍內基本與單帆相同，帆間的干擾影響較小。在攻角α=25°～90°范圍內，8個風帆的升力系數接近，但總體呈下降趨勢，與單帆相比差距較大，帆間相互干擾作用更加顯著。

圖6 0°攻角下風帆陣列速度云圖

圖7 20°攻角下風帆陣列速度云圖

圖8 40°攻角下風帆陣列速度云圖

圖9 風帆陣列升力系數曲線

圖10 風帆陣列阻力系數曲線

由圖10可知，單帆、風帆陣列的阻力系數曲線也呈兩頭小、中間大的特征，但阻力系數最大值均在攻角60°左右，且8個風帆的阻力系數均比單帆小。在攻角α=0°～25°范圍內，帆1、帆3、帆5、帆7的阻力系數與單帆時的阻力系數較接近，帆間干擾影響較小，而帆2、帆4、帆6、帆8與單帆的相差稍大。隨著攻角的繼續增大，尤其在攻角α>50°后，帆間干擾作用越來越明顯，8個帆與單帆的差值愈來愈大。

計算時假設風帆轉動時每個風帆轉動的角度是相同的，因此風帆陣列產生的總升力即為每個風帆產生的升力之和，風帆列陣的理論合成結果與風帆陣列數值模擬結果比較如圖11所示。

觀察圖11可以發現，8個風帆產生的理論總升力/阻力并非是單面帆產生的升力/阻力相加。理論計算結果(單帆×8)遠大于風帆列陣的數值計算結果，最大值相差約30%，但整體變化趨勢仍保持一致。理論升力最大值依然出現在攻角40°左右，阻力最大值依然出現在攻角60°左右。當攻角α>50°后，轉帆角比較大時，帆之間的重疊面積增大，帆間干擾明顯增大，風帆陣列的阻力下降比單帆快；在α=90°時，風帆陣列的總阻力僅為單帆阻力總和的25%左右。

圖11 風帆列陣理論合成與計算總升力系數、阻力系數對比

3 結論

雖然實船應用中每艘船可以安裝多個風帆，但各風帆之間存在空氣動力學的相互干擾，實際的總升力和阻力要小于理論總和。數值分析表明，風帆陣列中每只風帆的升/阻力系數都較單個風帆的小，特別是在攻角大于25°時，最大值相差30%左右，且阻力系數下降較快。在實際應用時，建議各帆的轉角可以不盡相同，應采用一種更優化的風帆間隔或轉動方式，以避免風帆陣列之間相互干擾。

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Numerical Analsis of Aerodynamic Characteristics between Aligned Sails

HU Yihuai1, LI Yanyan1, TANG Juanjuan2

(1.Merchant Marine College, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China；2.Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute, Shanghai 201203, China)

A set of aligned sails is designed for an ocean-going bulk carrier on the main deck. To analysis the disturbance between these aligned sails the dynamic characteristics of the sails were simulated with CFD software. It is proved that the lift and drag coefficients have the same tend against attack angle with that of a single sail, but the disturbance between the aligned sails does exist. This disturbance could induce less lift and drag coefficients of the sail by 30 percent compared to a single sail, especially under larger attack angles beyond 25°. These results could provide reference for the practical application of sails on board ship.

sail assisted ship； aligned sail set； aerodynamic disturbance； CFD calculation

上海市科委重點科研項目(項目編號：08210511800)。

胡以懷(1964-)，男，教授，研究方向為船舶新能源利用和輪機仿真與診斷。

1000-3878(2017)01-0006-06

U662

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