李嫣妍, 胡以怀, 李志球

(上海海事大学 商船学院， 上海 201306)

“育明”轮风帆助航经济性分析

李嫣妍, 胡以怀, 李志球

(上海海事大学 商船学院， 上海 201306)

为“育明轮”拟安装四个圆弧型风帆，并借助流体动力软件Fluent，建立圆弧型风帆模型，并分析其空气动力特性，得出风帆的升力/阻力系数以及最优操帆曲线。另外，采用初步估算方法，分析“育明轮”加装风帆对主机耗油和CO2排放方面的影响，结果表明“育明轮”采用风帆助航技术，具有很好的环保与经济效益。

圆弧型风帆 空气动力特性 减排 经济效益

1 前言

在全球经济持续发展的今天，世界物资运输所需要的船舶数量愈来愈多，随之而来的船舶排放废弃物对环境的污染也日趋严重[1]，“绿色船舶”已成为未来船舶发展的重要方向。其中研究船舶清洁能源最具有革新性和代表性。

风能是一种无污染的可再生资源。大型风帆助航船舶在节能减排方面有很大的潜力，尤其是散货船，因其甲板器械相对较少，舱盖之间有足够宽的甲板面积用来布置风帆的底座和桅杆，并可在保证结构安全和足够稳性的前提下，选取风帆的最大面积[3]。本文以上海海事大学教学实习船“育明”轮为研究对象，对其拟安装圆弧型风帆后的节能效果进行分析。该船的主要参数如表1所示。

表1 “育明”主要参数

2 风帆主要参数的确定

“育明”轮为远洋散货船，航行于世界各地，因此其风帆的高度除满足稳性之外，还必须满足《通航海船桥梁通航标准》[4]的要求。根据文献[5]中净空高度计算公式，本文将风帆高度取为30 m，满足相关规范要求。

研究发现当风帆的宽度占船舶的最大宽度的0.9倍左右时可达到最佳节能效率[3]。同时为了减少风帆间相互干扰，必须对风帆的宽度进行限制，因此将风帆弦长定为20 m。

该船有五个货舱，如图1所示。为了充分利用风力，设置了两排，共八个风帆。另外，在上海市科委资助下，上海海事大学风洞试验小组利用同济大学国家重点实验室TJ-1号风洞对多种圆弧型帆进行动力性能研究，发现风帆的空气动力性能受拱度比的影响不大，因此本文设计的风帆拱度比取为常用的0.10。

图1 风帆布置情况

3 圆弧型风帆流体动力分析

利用Fluent软件，建立风帆模型，从而对风力影响下圆弧型风帆的流体动力特性进行数值分析，边界条件设置参考文献[6]。表2为fluent计算结果。

表2 fluent计算结果

4 计算结果分析

按照机翼理论，风帆的气动力被分解为升力L、阻力D，升力的方向垂直于来流，阻力的方向沿来流方向。一般用升力系数Cl和阻力系数Cd表示。风帆受力如图2所示。

图2 风帆受力图

根据表2绘制Cl-Cd曲线图，如图3所示。在风力攻角从0°增大到90°的过程中，风帆阻力系数逐渐增大；而升力系数则不同，小攻角时升力系数随着攻角增加而增加，在攻角约为35°时升力达到最大值，且大于阻力系数，有利于推动船舶前进。

图3 Cl-Cd曲线

但该风帆的最大推力并非是在攻角35°时达到的，这是因为风帆推力是由风帆升力和阻力共同组成的，根据图2可得出关系：

(1)

因此，在实际航行过程中为了使风帆的推力系数达到最大，必须求出最佳帆角βopt，使船获得当前风速、风向情况下的最大推力，最佳帆角的确定方法参考文献[7]。“育明轮”表观风向角θA与最佳帆角βopt的关系如图4所示。

图4 表观风向角θA与最佳帆角βopt的关系

5 风帆助航节能效益估算

“育明轮”航行于中国东部沿海和东南亚沿海海域，典型的航线为新加坡—上海—釜山，该海域内的风速和风向基本保持稳定，可利用的风速大约在5～15m/s。选用定航速模式，此时风帆施加给船体的功率等于主机减少的功率[8]。文献[9]给出了具体的功率增益计算方法，但由于漂角和舵角一般很小，为方便起见，一般采用简化式[10]：

(2)

式中：T为风帆推力(N)；VS为船速(m/s)；η为船舶推进系数。通过上式可计算在加装单个面积为S的风帆时可节省的功率，则安装N个风帆时节省功率百分比为

(3)

假设“育明轮”以服务航速 13.9kn(7.15m/s)的速度航行于风速为10m/s，风向角为 50°的航区内。由于漂角很小，表观风速可化简为[9]

因此，VA=15.6m/s。根据图2，利用三角形余弦定理，可知此时θA=30°，对应图4中的曲线，将风帆转至最佳帆向角15°(此时αopt=15°)，对应表2，求得此时风帆推力系数：

从而求得风帆推力：

推进系数取为 0.70，代入式(2)，得到ΔPS=182.7kW。代入式子(3)，可得节省功率百分比α=12.3%。按照上述方法，得出不同风速下船舶功率节省百分比，如表3所示。

表3 不同风速下节省功率百分比

5.1 节油估算

没有加装风帆时，船舶航行的主机功率为(85%SMCR)7 153 kW，每天耗油29.57 t；加装风帆后，根据表3，当风速分别为5 m/s、10 m/s、15 m/s时，风帆最高可提供5.2%、27.1%、69.4%的功率。以节省27.1%功率为例，每天节省燃油8.0 t。则每年可节省的油量为1 603 t(按每年用帆航行200天计算)。可见，风帆助航技术在节省燃料方面意义重大。

5.2 CO2减排

二氧化碳气体是造成温室效应的主要因素，对人类生活环境存在巨大的影响。船舶运输业排放的CO2气体约占全球总排放量的2.7%。国际海事组织(IMO)在第23届外交大会上，通过了963号决议，提出减少来自船舶温室气体排放的方针和行动计划，国际海事组织也在2005年公布了《防止船舶造成大气污染规则》。可见，减少船舶CO2排放迫在眉睫。

船用柴油机燃烧的重油主要成分是碳氢化合物，其燃烧过程的主要化学方程式[8]为

2CnH2n+3nO2=2nCO2+2nH2O

CO2的分子量GCO2=44，GCH2=14，因此，当每年节省燃油1 603 t时CO2排放相应减少：

=44×1 039÷14=5 038 t

6 结语

经以上分析可以确定，“育明轮”采用风帆助航技术，不仅可取得可观的经济效益，还可以有效降低温室气体CO2的排放量，无论从经济还是环保方面，都是可行的。但是，需要指出以下几点：

(1) 本文中风帆的安装位置只鉴于充分利用风能，并未考虑风帆间的干扰。实际应用中，风帆安装位置以及帆间距还需针对目标船舶进行大量的实验验证。

(2) 加装风帆会引起船舶横倾、偏航，但本文计算结果没有考虑偏航引起的船舶阻力增加。只是简单地考虑风帆推力。

[][]

(3) 本文仅对风速风向一定的情况下，主机输出功率降低的效益进行计算。然而，海上的风速风向是变化的。因此，需要根据某一航线所跨越的几个海区的气象统计资料，求得单个海区内的功率增益值，最后根据其所占整个航线距离的百分比，加权后累加得出总功率增益。

[1] 吴新宪.太阳能和风能在船舶上的应用分析[D].武汉:武汉理工大学,2010.

[2] 孟维明,赵俊豪,黄连忠.风帆助航节能船的应用前景[J]. 船舶,2009,4:1-3.

[3] 陈顺怀,冯恩德.风帆助航船帆面积确定方法[J].武汉交通科技大学学报,1995,19(4):420-423.

[4] 交通部.通航海轮桥梁通航标准[M].北京:中华人民共和国交通部,1998.

[5] 杨佐昌,杨林家,洪碧光. 跨海大桥净空高度的确定方法[J]. 大连海事大学学报，2004，30(4):27-33.

[6] 孙海素.二维船用帆翼空气动力特性的数值模拟[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2010.

[7] 施润华.风帆助航实船推进性能分析[J].船舶工程,1989,3:18-23.

[8] 任洪莹,黄连忠,孙培廷等.大型风帆助航船舶综合节能减排潜力分析[J].大连海事大学学报：自然科学版，2010，1：27-30.

[9] 张仁颐.风帆助航节能船经济可行性探讨[J].船舶工程，1984，5：39-45，32.

[10] 于小虎.风帆助航节能应用研究[D].大连：大连海事大学,2011.

Economic Analysis on Sail-assited “YU MING”

LI Yan-yan, HU Yi-huai, LI zhi-qiu

(Merchant Marine College, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

This paper studies the aerodynamic characteristics of circular arc sails that are designed for “YU MING” by using the CFD software of Fluent. In addition, preliminary estimation method is adopted to analyze the effects of sails on oil consumption of main engine and CO2emission. Results show that installing sails on “YU MING” has environmental and economic benefits.

Circular arc sail Aerodynamic characteristic Emission reduction Economic benefit

上海市科委资助“远洋船舶风帆助航应用研究”项目(上海科委重点项目编号：08210511800)。

李嫣妍(1991-)，女，硕士研究生。

U662

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