風力助航船舶翼型帆的動力特性分析

曹雪玲　陳愛國　林鴻杰　謝馳　吳先桐

摘? ? 要：本文以某型1500t級散貨船為目標船，選用翼型硬帆及其風力助航系統，并分析其空氣動力性能。通過理論研究其最佳帆位角與表觀風向角的關系、升力系數和阻力系數隨攻角的變化關系等;并在理論研究基礎上，進行小型風帆模型船模擬試驗。證實了該目標船設計的可行性和合理性，為翼型帆船的設計提供理論參考。

關鍵詞：翼形帆;最佳帆位角;風力助航船舶

中圖分類號：U674.13 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： The aerodynamic characteristics of wingsail-assisted navigation system of the 1500t river bulk carrier is analyzed in this paper. Based on the theoretical study of the relationship between the best sail angle and the apparent wind direction angle， the relationship between the lift coefficient and the resistance coefficient along with the change of angle of attack， the simulation experiment of the small-scale sail model ship is carried out. The change rule of the best angle of attack and the best control curve of the wingsail are obtained， which provides a theoretical reference for the design of sail control system.

Key words： Wind-assisted sail; Wingsail; Best sail angle; Ship

1? ? ?前言

近幾年來，人們對可再生能源在船舶上的應用越來越重視。其中，風帆助航技術就是一個重要領域，利用風力助航可以顯著節省船舶燃料和縮短航行時間。

2009年4月，日本郵船公司（NYK）公布了超級生態概念船《NYK2030》號，如圖1所示。該船在以液化天然氣（LNG）為主要動力的基礎上，利用太陽能與風能輔助推進航行。其風帆選用了由金屬薄膜制成的圓弧型外緣翼片，每片風帆的底部單獨配置了驅動馬達，易于帆的展開與收回;且帆面能作360°的旋轉，使風帆能夠根據風向及時調整帆向角以獲得最大推力。據報道，該船將降低69%以上的CO2排放量。

雖然風帆助航具有良好的應用前景，但由于技術相對復雜，在實際應用中存在一定的局限性。本文通過研究風帆在不同攻角時的受力情況，通過試驗分析得出最佳攻角的位置，讓船舶獲得最大推進力，以確保風帆助航能夠達到最佳的效果。

2? ? 風帆型式的選擇

風帆形狀可分為：轉筒帆、矩形帆、翼型帆、三角帆等。其中，翼型帆的帆型可分為圓弧型、層流型以及U型等。

圓弧形風帆不僅制造方便、操作簡單、而且具有優良的空氣動力性能;矩形帆結構簡單，其液壓控制系統要求相對較低，應用廣泛。為了充分利用圓弧形帆和矩形帆良好的物理特性，本文將結合圓弧形帆和矩形帆特點進行適當優化，以圓弧形硬帆作為試驗帆型開展研究分析工作。

3? ? ?風帆受力分析

翼型風帆的受力分析，如圖2所示。圖中，θ為帆角（即帆與前進方向的偏轉角），a為攻角（即帆與來風方向的夾角），φ為表觀風向角（即來風方向與船前進方向的夾角）。

假設：實際風速為Vz;船速為Vc;作用在帆上的表觀風速為Vb;空氣密度為ρ;風帆面積為S。在風力作用下，風帆將受到垂直于表觀風向的升力FL，以及沿表觀風向的阻力FD;由升力FL和阻力FD產生的合力，又可分解為風帆對船舶產生的助推力FX和風帆對船舶產生的橫漂力FY：

4? ? 風帆參數選擇及布置

本文選擇某型1 500 t級散貨船為目標船型，其參數如下：

5? ? 仿真分析

風帆風洞試驗數據，如表1所列。

根據表1所列風帆風洞試驗數據，使用MATLAB數據擬合工具包，可以擬合出a-CL、a-CD曲線，圖4和圖5所示。

根據不同表觀風向角φ下的最佳攻角a值，可以得出最佳攻角隨表觀風向角的變化曲線，如圖6所示。

由圖6可以發現：當表觀風向角φ=0°～45°時，最佳攻角a緩慢提高;當表觀風向角φ=45°～145°時，最佳攻角a=20°左右保持不變;當表觀風向角φ=145°左右時，最佳攻角急劇上升至a=65°左右;當表觀風向角=145°～180°時，最佳攻角緩慢增加。

根據圖6，可以得到船舶的最佳帆位角θ隨表觀風向角φ的變化曲線，即最佳操帆曲線，如圖7所示。

由圖7可知：當表觀風向角φ=0°～45°時，最佳帆位角θ緩慢提高;當表觀風向角φ=45°～145°時，最佳帆位角θ不斷提高;當表觀風向角φ=145°時，最佳帆位角θ=85°左右，之后緩慢上升。

6? ? 小型風帆船模擬試驗

為驗證仿真計算方法的準確性，開展了小型風帆船模擬試驗，試驗環境處于封閉的室內，盡量減小空氣流動對試驗的影響。

試驗參數及條件如下：

風速 2.9 m/s

給風時長 10 s

水池尺寸（長×寬） 1.5 m×1 m

船模尺寸（長×寬） 0.69 m×0.19 m

帆數 2個

帆的尺寸（長×寬） 0.15 m×0.09 m

帆的展弦比 1.67

帆的拱度比 0.125

試驗時，采用模擬自然狀態下的平行風;試驗風速2.9 m/s;每隔22.5°進行三次重復模擬試驗，以減小誤差;攝像機固定于水池正上方拍攝，得到風向角φ=0°～180°的帆船運行軌跡，再和理論數據進行比較。

根據試驗結果，表觀風向角φ與最佳帆位角θ的關系，如圖8所示。

由圖8可以看出：仿真計算出的關系曲線與試驗所得的關系曲線變化趨勢大致相同;兩者之間產生誤差的主要原因是因試驗水池尺寸限制，以及試驗過程中水面波動等所致。

7? ? 結論

本文針對目標船選取翼型硬帆風力助航，通過理論分析及風洞試驗，得出：

（1）不同表觀風向角φ下的最佳攻角a變化規律：隨著表觀風向角的逐漸增加，最佳攻角a呈現為兩段式增長，且第二段增長幅度較大;但在表觀風向角φ=45°～145°時，最佳攻角a維持20°左右不變;

（2）隨著表觀風向角φ的逐漸增加，最佳帆位角θ是先增大再減小，最后緩慢提高;

（3）通過帆船模擬試驗，試驗數據與風帆風洞試驗的最佳攻角a隨表觀風向角φ的變化曲線及操帆曲線基本一致，證實了該仿真計算方法的可行性，為翼型硬帆在船舶風帆助航的應用提供了一定的理論基礎和試驗數據。

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