风力助航船舶翼型帆的动力特性分析

曹雪玲　陈爱国　林鸿杰　谢驰　吴先桐

摘    要：本文以某型1500t级散货船为目标船，选用翼型硬帆及其风力助航系统，并分析其空气动力性能。通过理论研究其最佳帆位角与表观风向角的关系、升力系数和阻力系数随攻角的变化关系等;并在理论研究基础上，进行小型风帆模型船模拟试验。证实了该目标船设计的可行性和合理性，为翼型帆船的设计提供理论参考。

关键词：翼形帆;最佳帆位角;风力助航船舶

中图分类号：U674.13                              文献标识码：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

近几年来，人们对可再生能源在船舶上的应用越来越重视。其中，风帆助航技术就是一个重要领域，利用风力助航可以显著节省船舶燃料和缩短航行时间。

2009年4月，日本邮船公司（NYK）公布了超级生态概念船《NYK2030》号，如图1所示。该船在以液化天然气（LNG）为主要动力的基础上，利用太阳能与风能辅助推进航行。其风帆选用了由金属薄膜制成的圆弧型外缘翼片，每片风帆的底部单独配置了驱动马达，易于帆的展开与收回;且帆面能作360°的旋转，使风帆能够根据风向及时调整帆向角以获得最大推力。据报道，该船将降低69%以上的CO2排放量。

虽然风帆助航具有良好的应用前景，但由于技术相对复杂，在实际应用中存在一定的局限性。本文通过研究风帆在不同攻角时的受力情况，通过试验分析得出最佳攻角的位置，让船舶获得最大推进力，以确保风帆助航能够达到最佳的效果。

2    风帆型式的选择

风帆形状可分为：转筒帆、矩形帆、翼型帆、三角帆等。其中，翼型帆的帆型可分为圆弧型、层流型以及U型等。

圆弧形风帆不仅制造方便、操作简单、而且具有优良的空气动力性能;矩形帆结构简单，其液压控制系统要求相对较低，应用广泛。为了充分利用圆弧形帆和矩形帆良好的物理特性，本文将结合圆弧形帆和矩形帆特点进行适当优化，以圆弧形硬帆作为试验帆型開展研究分析工作。

3     风帆受力分析

翼型风帆的受力分析，如图2所示。图中，θ为帆角（即帆与前进方向的偏转角），a为攻角（即帆与来风方向的夹角），φ为表观风向角（即来风方向与船前进方向的夹角）。

假设：实际风速为Vz;船速为Vc;作用在帆上的表观风速为Vb;空气密度为ρ;风帆面积为S。在风力作用下，风帆将受到垂直于表观风向的升力FL，以及沿表观风向的阻力FD;由升力FL和阻力FD产生的合力，又可分解为风帆对船舶产生的助推力FX和风帆对船舶产生的横漂力FY：

4    风帆参数选择及布置

本文选择某型1 500 t级散货船为目标船型，其参数如下：

5    仿真分析

风帆风洞试验数据，如表1所列。

根据表1所列风帆风洞试验数据，使用MATLAB数据拟合工具包，可以拟合出a-CL、a-CD曲线，图4和图5所示。

根据不同表观风向角φ下的最佳攻角a值，可以得出最佳攻角随表观风向角的变化曲线，如图6所示。

由图6可以发现：当表观风向角φ=0°～45°时，最佳攻角a缓慢提高;当表观风向角φ=45°～145°时，最佳攻角a=20°左右保持不变;当表观风向角φ=145°左右时，最佳攻角急剧上升至a=65°左右;当表观风向角=145°～180°时，最佳攻角缓慢增加。

根据图6，可以得到船舶的最佳帆位角θ随表观风向角φ的变化曲线，即最佳操帆曲线，如图7所示。

由图7可知：当表观风向角φ=0°～45°时，最佳帆位角θ缓慢提高;当表观风向角φ=45°～145°时，最佳帆位角θ不断提高;当表观风向角φ=145°时，最佳帆位角θ=85°左右，之后缓慢上升。

6    小型风帆船模拟试验

为验证仿真计算方法的准确性，开展了小型风帆船模拟试验，试验环境处于封闭的室内，尽量减小空气流动对试验的影响。

试验参数及条件如下：

风速 2.9 m/s

给风时长 10 s

水池尺寸（长×宽） 1.5 m×1 m

船模尺寸（长×宽） 0.69 m×0.19 m

帆数 2个

帆的尺寸（长×宽） 0.15 m×0.09 m

帆的展弦比 1.67

帆的拱度比 0.125

试验时，采用模拟自然状态下的平行风;试验风速2.9 m/s;每隔22.5°进行三次重复模拟试验，以减小误差;摄像机固定于水池正上方拍摄，得到风向角φ=0°～180°的帆船运行轨迹，再和理论数据进行比较。

根据试验结果，表观风向角φ与最佳帆位角θ的关系，如图8所示。

由图8可以看出：仿真计算出的关系曲线与试验所得的关系曲线变化趋势大致相同;两者之间产生误差的主要原因是因试验水池尺寸限制，以及试验过程中水面波动等所致。

7    结论

本文针对目标船选取翼型硬帆风力助航，通过理论分析及风洞试验，得出：

（1）不同表观风向角φ下的最佳攻角a变化规律：随着表观风向角的逐渐增加，最佳攻角a呈现为两段式增长，且第二段增长幅度较大;但在表观风向角φ=45°～145°时，最佳攻角a维持20°左右不变;

（2）随着表观风向角φ的逐渐增加，最佳帆位角θ是先增大再减小，最后缓慢提高;

（3）通过帆船模拟试验，试验数据与风帆风洞试验的最佳攻角a随表观风向角φ的变化曲线及操帆曲线基本一致，证实了该仿真计算方法的可行性，为翼型硬帆在船舶风帆助航的应用提供了一定的理论基础和试验数据。

参考文献

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