风帆阵列气动干扰特性数值分析

胡以怀， 李妍嫣， 唐娟娟

(1.上海海事大学 商船学院， 上海 201306； 2.上海船舶研究设计院， 上海 201203)

风帆阵列气动干扰特性数值分析

胡以怀1， 李妍嫣1， 唐娟娟2

(1.上海海事大学 商船学院， 上海 201306； 2.上海船舶研究设计院， 上海 201203)

针对某远洋散货船设计一套风帆阵列。为了研究风帆之间的相互干扰现象，利用CFD软件对单帆和风帆阵列的空气动力学特性进行数值模拟，分析风帆之间的干扰特征。结果表明，尽管变化趋势一致，但由于风帆阵列存在帆间的流场干扰，每只风帆的升/阻力系数都较单个风帆要小，特别是在攻角大于25°时，最大值相差30%左右，且阻力系数下降较快，这为风帆的实船布置和应用提供了参考。

风帆助航；风帆阵列；气动干扰；CFD计算

0 引言

为获得较大装帆面积，充分利用船舶的甲板面积，风帆在实际安装使用时大都采用组合式风帆模式。由于风帆间会存在相互干扰的现象，不能简单地将各帆的推力之和作为风帆阵列的总推力，因此，有必要研究风帆阵列的气动干扰特性，以进一步优化风帆的布置。

本文以我校远洋实习船为例，在船上设计安装了8只风帆，并建立了“育明”轮风帆阵列模型，以研究风帆阵列的空气动力性能及其帆间的干扰特性。

1 风帆阵列模型

“育明”轮是一艘载重48 000 t大型远洋散货船，船体宽值较大。为了充分利用风能，设计了双排四列布置的风帆阵列，舷侧过道预留1 m的距离，风帆中心离船体中心线13.13 m，风帆的宽度设为20 m，风帆阵列布置如图1所示。

考虑到流场的对称性，取一半的流场进行计算，风帆阵列的矩形计算域如图2所示。在风帆表面采用结构化矩形网格，然后由非结构化网格过渡到边界，在靠近风帆表面处网格划分细密以获得较为精确的流场模拟。为了易于区分，如图3所示给风帆进行了编号。

图1 “育明”轮风帆阵列布置

图2 风帆阵列3D网格计算域(一半)

图3 风帆阵列附近网格划分

2 风帆阵列气动特性数值模拟

类似单帆，在小攻角范围内，风帆阵列周围的流场是定常的，升/阻力系数最终会回归到一个稳定值。在大攻角状态下，流场由于尾部漩涡而呈现周期性，升/阻力系数近似取一个波动周期内的平均值。如图4和图5所示。

图4 15°攻角下的升力系数和阻力系数计算迭代值

图5 90°攻角下的升力系数和阻力系数计算迭代值

不同攻角下，风帆阵列的速度分布云图如图6～图8所示。

分析上图可知，小攻角时帆翼上表面流体速度大于帆翼下表面的流体速度，符合儒可夫斯基升力定理中关于风帆空气动力特性的分析。另外，随着攻角的逐渐变大，风帆周围的流场越来越复杂，帆翼前缘流体速度与其他位置速度的差距越来越明显。当攻角大于20°后，帆翼上表面存在流体速度几乎为0的薄层，且帆1、帆3、帆5、帆7这种情况尤其明显。帆2、帆4、帆6、帆8由于受到帆1、帆3、帆5、帆7尾流的影响，顺着来流方向存在一段流体低速区，并逐渐变大。

图9和图10分别为风帆阵列中8个帆各自的升/阻力系数曲线与单帆升/阻力系数对比曲线。由图9可知，单帆和风帆阵列的升力系数均近似呈两头小、中间大的特征，升力系数最大值均出现在攻角40°左右。但由于风帆阵列存在帆间干扰，8个风帆各自的升力系数都比单帆来得小。在攻角α=0°～25°范围内，由于帆2、帆4、帆6、帆8基本上处于帆1、帆3、帆5、帆7的尾流影响区中，受到的干扰较大，其升力系数比单帆要小很多。帆8升力系数最大，但也仅为单帆的45%左右。帆1、帆3、帆5、帆7的升力系数在攻角α=0°～20°范围内基本与单帆相同，帆间的干扰影响较小。在攻角α=25°～90°范围内，8个风帆的升力系数接近，但总体呈下降趋势，与单帆相比差距较大，帆间相互干扰作用更加显著。

图6 0°攻角下风帆阵列速度云图

图7 20°攻角下风帆阵列速度云图

图8 40°攻角下风帆阵列速度云图

图9 风帆阵列升力系数曲线

图10 风帆阵列阻力系数曲线

由图10可知，单帆、风帆阵列的阻力系数曲线也呈两头小、中间大的特征，但阻力系数最大值均在攻角60°左右，且8个风帆的阻力系数均比单帆小。在攻角α=0°～25°范围内，帆1、帆3、帆5、帆7的阻力系数与单帆时的阻力系数较接近，帆间干扰影响较小，而帆2、帆4、帆6、帆8与单帆的相差稍大。随着攻角的继续增大，尤其在攻角α>50°后，帆间干扰作用越来越明显，8个帆与单帆的差值愈来愈大。

计算时假设风帆转动时每个风帆转动的角度是相同的，因此风帆阵列产生的总升力即为每个风帆产生的升力之和，风帆列阵的理论合成结果与风帆阵列数值模拟结果比较如图11所示。

观察图11可以发现，8个风帆产生的理论总升力/阻力并非是单面帆产生的升力/阻力相加。理论计算结果(单帆×8)远大于风帆列阵的数值计算结果，最大值相差约30%，但整体变化趋势仍保持一致。理论升力最大值依然出现在攻角40°左右，阻力最大值依然出现在攻角60°左右。当攻角α>50°后，转帆角比较大时，帆之间的重叠面积增大，帆间干扰明显增大，风帆阵列的阻力下降比单帆快；在α=90°时，风帆阵列的总阻力仅为单帆阻力总和的25%左右。

图11 风帆列阵理论合成与计算总升力系数、阻力系数对比

3 结论

虽然实船应用中每艘船可以安装多个风帆，但各风帆之间存在空气动力学的相互干扰，实际的总升力和阻力要小于理论总和。数值分析表明，风帆阵列中每只风帆的升/阻力系数都较单个风帆的小，特别是在攻角大于25°时，最大值相差30%左右，且阻力系数下降较快。在实际应用时，建议各帆的转角可以不尽相同，应采用一种更优化的风帆间隔或转动方式，以避免风帆阵列之间相互干扰。

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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

上海市科委重点科研项目(项目编号：08210511800)。

胡以怀(1964-)，男，教授，研究方向为船舶新能源利用和轮机仿真与诊断。

1000-3878(2017)01-0006-06

U662

A