風(fēng)力助航船舶翼型帆的動(dòng)力特性分析

曹雪玲　陳愛(ài)國(guó)　林鴻杰　謝馳　吳先桐

摘? ? 要：本文以某型1500t級(jí)散貨船為目標(biāo)船，選用翼型硬帆及其風(fēng)力助航系統(tǒng)，并分析其空氣動(dòng)力性能。通過(guò)理論研究其最佳帆位角與表觀風(fēng)向角的關(guān)系、升力系數(shù)和阻力系數(shù)隨攻角的變化關(guān)系等;并在理論研究基礎(chǔ)上，進(jìn)行小型風(fēng)帆模型船模擬試驗(yàn)。證實(shí)了該目標(biāo)船設(shè)計(jì)的可行性和合理性，為翼型帆船的設(shè)計(jì)提供理論參考。

關(guān)鍵詞：翼形帆;最佳帆位角;風(fēng)力助航船舶

中圖分類(lèi)號(hào)：U674.13 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(lái)，人們對(duì)可再生能源在船舶上的應(yīng)用越來(lái)越重視。其中，風(fēng)帆助航技術(shù)就是一個(gè)重要領(lǐng)域，利用風(fēng)力助航可以顯著節(jié)省船舶燃料和縮短航行時(shí)間。

2009年4月，日本郵船公司（NYK）公布了超級(jí)生態(tài)概念船《NYK2030》號(hào)，如圖1所示。該船在以液化天然氣（LNG）為主要?jiǎng)恿Φ幕A(chǔ)上，利用太陽(yáng)能與風(fēng)能輔助推進(jìn)航行。其風(fēng)帆選用了由金屬薄膜制成的圓弧型外緣翼片，每片風(fēng)帆的底部單獨(dú)配置了驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，易于帆的展開(kāi)與收回;且帆面能作360°的旋轉(zhuǎn)，使風(fēng)帆能夠根據(jù)風(fēng)向及時(shí)調(diào)整帆向角以獲得最大推力。據(jù)報(bào)道，該船將降低69%以上的CO2排放量。

雖然風(fēng)帆助航具有良好的應(yīng)用前景，但由于技術(shù)相對(duì)復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的局限性。本文通過(guò)研究風(fēng)帆在不同攻角時(shí)的受力情況，通過(guò)試驗(yàn)分析得出最佳攻角的位置，讓船舶獲得最大推進(jìn)力，以確保風(fēng)帆助航能夠達(dá)到最佳的效果。

2? ? 風(fēng)帆型式的選擇

風(fēng)帆形狀可分為：轉(zhuǎn)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(fēng)帆不僅制造方便、操作簡(jiǎn)單、而且具有優(yōu)良的空氣動(dòng)力性能;矩形帆結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其液壓控制系統(tǒng)要求相對(duì)較低，應(yīng)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(jié)合圓弧形帆和矩形帆特點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，以圓弧形硬帆作為試驗(yàn)帆型開(kāi)展研究分析工作。

3? ? ?風(fēng)帆受力分析

翼型風(fēng)帆的受力分析，如圖2所示。圖中，θ為帆角（即帆與前進(jìn)方向的偏轉(zhuǎn)角），a為攻角（即帆與來(lái)風(fēng)方向的夾角），φ為表觀風(fēng)向角（即來(lái)風(fēng)方向與船前進(jìn)方向的夾角）。

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

4? ? 風(fēng)帆參數(shù)選擇及布置

本文選擇某型1 500 t級(jí)散貨船為目標(biāo)船型，其參數(shù)如下：

5? ? 仿真分析

風(fēng)帆風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表1所列。

根據(jù)表1所列風(fēng)帆風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，使用MATLAB數(shù)據(jù)擬合工具包，可以擬合出a-CL、a-CD曲線(xiàn)，圖4和圖5所示。

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

由圖6可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)表觀風(fēng)向角φ=0°～45°時(shí)，最佳攻角a緩慢提高;當(dāng)表觀風(fēng)向角φ=45°～145°時(shí)，最佳攻角a=20°左右保持不變;當(dāng)表觀風(fēng)向角φ=145°左右時(shí)，最佳攻角急劇上升至a=65°左右;當(dāng)表觀風(fēng)向角=145°～180°時(shí)，最佳攻角緩慢增加。

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

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

6? ? 小型風(fēng)帆船模擬試驗(yàn)

為驗(yàn)證仿真計(jì)算方法的準(zhǔn)確性，開(kāi)展了小型風(fēng)帆船模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)環(huán)境處于封閉的室內(nèi)，盡量減小空氣流動(dòng)對(duì)試驗(yàn)的影響。

試驗(yàn)參數(shù)及條件如下：

風(fēng)速 2.9 m/s

給風(fēng)時(shí)長(zhǎng) 10 s

水池尺寸（長(zhǎng)×寬） 1.5 m×1 m

船模尺寸（長(zhǎng)×寬） 0.69 m×0.19 m

帆數(shù) 2個(gè)

帆的尺寸（長(zhǎng)×寬） 0.15 m×0.09 m

帆的展弦比 1.67

帆的拱度比 0.125

試驗(yàn)時(shí)，采用模擬自然狀態(tài)下的平行風(fēng);試驗(yàn)風(fēng)速2.9 m/s;每隔22.5°進(jìn)行三次重復(fù)模擬試驗(yàn)，以減小誤差;攝像機(jī)固定于水池正上方拍攝，得到風(fēng)向角φ=0°～180°的帆船運(yùn)行軌跡，再和理論數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，表觀風(fēng)向角φ與最佳帆位角θ的關(guān)系，如圖8所示。

由圖8可以看出：仿真計(jì)算出的關(guān)系曲線(xiàn)與試驗(yàn)所得的關(guān)系曲線(xiàn)變化趨勢(shì)大致相同;兩者之間產(chǎn)生誤差的主要原因是因試驗(yàn)水池尺寸限制，以及試驗(yàn)過(guò)程中水面波動(dòng)等所致。

7? ? 結(jié)論

本文針對(duì)目標(biāo)船選取翼型硬帆風(fēng)力助航，通過(guò)理論分析及風(fēng)洞試驗(yàn)，得出：

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

（2）隨著表觀風(fēng)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(guò)帆船模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與風(fēng)帆風(fēng)洞試驗(yàn)的最佳攻角a隨表觀風(fēng)向角φ的變化曲線(xiàn)及操帆曲線(xiàn)基本一致，證實(shí)了該仿真計(jì)算方法的可行性，為翼型硬帆在船舶風(fēng)帆助航的應(yīng)用提供了一定的理論基礎(chǔ)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

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