風帆助航漁船的穩性及經濟性分析

蘇朝君，馬 坤，2

(1．大連理工大學 船舶CAD工程中心，遼寧 大連 116024;2．大連理工大學工業裝備結構分析國家重點實驗室，遼寧 大連 116024)

風帆助航漁船的穩性及經濟性分析

蘇朝君1，馬 坤1，2

(1．大連理工大學 船舶CAD工程中心，遼寧 大連 116024;2．大連理工大學工業裝備結構分析國家重點實驗室，遼寧 大連 116024)

風帆助航是船舶節能減排的重要途徑。本文以1條魷魚釣船作為研究對象，根據該船的特點選擇NACA0006型帆和圓弧型帆作為輔助風帆，然后利用Fluent軟件建立所選風帆模型，對這2種風帆的空氣動力性能進行數值模擬計算。根據軟件的計算結果估算風帆助航時魷魚釣船的每年節油量以及所減少的二氧化碳排放量。通過對風帆助航魷魚釣船的穩性進行計算分析，可以確定只要合理地安裝和操作風帆，風帆助航漁船是能滿足穩性要求的。

風帆助航;魷魚釣船;數值模擬;穩性;經濟性

0 引言

隨著世界石油資源的日益枯竭和國際油價飛漲，船舶的燃油費用在航運成本中所占的比例越來越高。此外，船舶一般使用的是重油，成分復雜，燃燒產物中有害物質多，航運產生的廢氣排放對環境的污染已經到了不能忽視的地步。各國對船舶節能減排越來越重視，生產滿足要求的“綠色”船舶，已經迫在眉睫，而在船舶上使用新能源代替石油燃料，引起了航運界和造船界高度關注。風帆助航船作為一種依靠風能輔助推進的船舶，能有效降低船舶燃油消耗和廢氣排放，成為研究新能源船舶的一個亮點，目前已有多個國家的研究成果證實風帆助航是一種行之有效的方法，本文將對漁船的風帆助航技術進行初步探索。

為了更好地探索風帆助航漁船的經濟效益，本文選擇了某遠洋魷魚釣船作為研究的對象船。該船的長寬比較小，設計航速較低，而且該船甲板機械比一般拖網漁船要少，故在其上安裝風帆預計能取得比較好的效果，安全性也比較容易滿足要求。

1 三維帆翼的數值模擬計算

風帆的空氣動力性能主要包括升力特性、阻力特性、推力特性、側向力特性以及橫傾力矩特性等。這些性能與風速、風向、風帆的形狀、船體的上層建筑等有密切的關系。風帆的空氣動力性能可以通過理論計算或者實驗來確定，計算結果可以用升力曲線、阻力曲線、最佳操帆曲線、推力曲線、風壓中心曲線等表示。對于風帆來說，作用于其上的有效風力是相對于船速的相對風速。真實風速、船速和相對風速的關系如圖1所示。

圖1的風帆速度三角形中，相對風向與帆翼弦向的夾角稱為帆向角α，也稱為帆的攻角。相對風向與船的航向之間的夾角稱為相對風向角θ，也稱為航向角。帆向與船的航向之間的夾角稱為帆位角φ。相對風速對風帆的作用力可以分解為與相對風向相同的阻力D、與相對風向垂直的升力L及傾覆力矩M三部分。

本文所選魷魚釣船的主尺度為：

總 長：Loa 64 m

垂線間長：Lpp 57 m

型 寬：B 9.5 m

型 深：D 6.4 m

設計吃水：T 3.6 m

本文計算的帆翼剖面形狀為NACA0006標準翼型和拱度比為1.4的圓弧型，弦長為8 m，高為12 m。計算風速為15 m/s，計算攻角分別為 0°，10°，20°，30°，40°，50°，60°，70°，80°和90°。分別計算了NACA0006型單帆和圓弧型單帆、雙帆情況的空氣動力性能，計算中不計桅桿和船體的影響。GAMBIT按帆翼實際尺寸建模。由于計算風速遠小于聲速的30%，帆翼外圍的流場可以假設為是定常、不可壓縮的流場，Fluent的作用相當于1個模擬風洞的作用。獲得流場的壓力分布后，Fluent會對翼型表面的壓力和剪切應力進行積分，以獲得帆翼空氣動力性能，從而得到該流場下的帆翼升力、阻力和力矩。下面說明風帆的數值模擬計算過程：

1)用GAMBIT建立幾何模型和網格劃分;

2)將網格導入Fluent軟件中;

3)設置邊界條件;

4)設置求解器，選擇粘性模型;

5)進行數值模擬計算;

6)對計算結果進行后處理。

1.1 三維NACA帆翼的計算結果

利用Fluent提供的圖形工具可以很方便地對計算結果進行后處理，可以很容易地觀察相應的計算結果。其中壓力云圖可以清晰地顯示流場中的壓力分布情況以及帆翼表面的壓力分布。2種風帆的壓力云圖分別如圖2和圖3所示。

1)升力系數曲線和阻力系數曲線

Fluent的計算結果中可以得到帆翼的升力系數和阻力系數的大小。以升力系數為縱坐標，攻角為橫坐標可以得出NACA0006型單帆的升力系數曲線。以阻力系數為縱坐標，攻角為橫坐標可以得出NACA0006型單帆的阻力系數曲線。如圖4和圖5所示。

從圖4中可以看出NACA0006帆翼的升力系數和攻角基本上呈現出正態分布的關系，在攻角0°～30°范圍升力系數上升較快，在30°左右時升力系數達到峰值。從圖5中可以看出阻力系數隨攻角的增大逐漸增大。

2)帆翼的極曲線和推力系數曲線

根據計算得出的不同攻角的升力系數和阻力系數的大小，以阻力系數為橫坐標，升力系數為縱坐標，就可以畫出帆翼的極曲線圖。根據計算得出的極曲線圖，可以用做圖法求出不同相對風向角下的最大推力系數。最大推力曲線反映了在不同的航向角時所得到的最大推力。NACA0006型單帆和圓弧型單帆的極曲線如圖6所示，最大推力系數曲線如圖7所示。

3)計算結果分析

從上文的計算結果可以得出NACA0006型風帆和圓弧型風帆的空氣動力性能有很大的不同。為了選擇合適的風帆，以獲得最大的經濟效益，將2種帆型的推力系數進行對比，如圖7所示。從圖中可以看出，除了在小的相對風向角NACA0006型風帆的推力系數大于圓弧型風帆，在很大的相對風向角下，圓弧型風帆的推力系數遠大于NACA0006型風帆，所以選用圓弧型風帆作為漁船的輔助風帆將獲得更大的經濟效益。在魷魚釣這種漁船中，采用圓弧型骨架覆蓋尼龍帆布而成的硬帆是合適的，這種風帆結構簡單，重量輕，價格便宜，而且收放風帆也很方便，容易在很多漁船上推廣，故本文將計算安裝圓弧型風帆后魷魚釣船的經濟效益。

1.2 圓弧型雙帆的計算結果

為了增大魷魚釣船裝帆面積必須采用雙帆或者多帆，這必定會存在帆與帆之間的互相影響。研究這種影響是否有利的理論方法還不是很成熟。本文通過GAMBIT建立圓弧型風帆的雙帆模型，不考慮船體和桅桿的影響，計算雙帆的空氣動力性能，從而對雙帆的互相影響進行研究。由于雙帆間的距離較大，雙帆的帆位角相同是比較好的，這樣不僅經濟方便，而且對助推的效果影響不大。本文建立的圓弧型雙帆的模型，計算風速為15 m/s。為了使單帆和雙帆的計算結果對比更清晰，本文將圓弧型單帆與雙帆的極曲線和最大推力系數曲線畫在同一張圖上，如圖8和圖9所示。

從圖9中可以看出，在所有的相對風向角內，單帆的推力系數大于雙帆的推力系數，所以雙帆之間的干擾是不利的。不過雙帆的推力系數只是比單帆時略小，雙帆的互相影響不大。但是雙帆的帆面積是單帆的2倍，所以雙帆所產生的推力比單帆要大得多。

雙帆和單帆的峰值基本上都出現在100°～120°相對風向角內，雙帆的峰值比單帆有所推遲。過了峰值以后雙帆的推進系數下降很快，單帆下降比較平緩。從曲線中可以看出雙帆的順風性能較差。為了提高雙帆順風時的推力系數以獲得最大的節能效果，在條件允許的情況下可以采用Z字形航線。Z字形航線的推力效果分析如下：

當只有風帆提供推力時，由船舶的受力情況可知帆產生的推力Tf等于船舶的總阻力Dc，即：

本船為低速船，阻力和速度的平方成正比，即：

圖10 Z形航線Fig.10 Z－shaped shiping line

若以偏航航行的速度在直線上的投影來表示Z形航線的效益，則偏航與直航之間的效益對比可以用公式表示。

式中：Vyx為有效速率;Vzh為直航速率;Vph為偏航速率;β為偏航角;Tph為偏航時風帆提供的推力;Tzh為直航時風帆提供的推力。假設在順風時取偏航角20°，從圖9可知，雙帆相對風向角 θ=160°與180°下的推力系數之比為1.236。

計算結果可知偏航有效航速比直航快了4.46%。

2 風帆助航對魷魚釣船穩性的影響

魷魚釣船安裝風帆必對其穩性產生影響，本文研究的魷魚釣船屬于遠洋型雙甲板船，航區為遠海航區，航行于國際水域。所以參照IMO A．749(18)決議《關于IMO文件包括所有船舶的完整穩性規則》中關于穩性的規定，對魷魚釣船加裝風帆后穩性的影響進行探究。

2.1 IMO規定的船舶穩性衡準

1)橫傾角30°時動穩性力臂不小于0.055 mrad。

2)橫傾角40°或進水角φf(若φf＜40°)時動穩性力臂不小于0.09 mrad。

3)橫傾角30°與40°時動穩性力臂的插值或30°與φf(若φf＜40°)動穩性力臂的差值不小于0.03 mrad。

4)橫傾角等于或大于30°處復原力臂最大值至少為0.2 m。

5)最大復原力臂的對應角最好大于30°，并不小于 25°。

6)經自由液面修正初穩性高不應小于0.15 m。

7)突風和橫搖衡準(氣象衡準)K應不小于1.0。K=b/a，因此K值的計算實際上是圖11中的a及b的計算。

圖11 穩性衡準Fig.11 Stability check

IMO對本文魷魚釣船的特殊衡準如下：

1)魷魚釣船長大于24 m的單甲板漁船，其初穩性高度應不小于0.35 m。

2)魷魚釣船長大于45 m的應滿足氣象衡準要求。

根據IMO規范，氣象衡準數K=b/a≥1。

根據IMO要求，主要核算以下幾種載況：

1)滿載出港(燃油、淡水、食品等100%);

2)捕魚中(燃油、淡水、食品等70%);

3)滿載返港(漁貨100%，燃油、淡水、食品等30%);

4)滿載到港(漁貨100%，燃油、淡水、食品等10%);

5)半載到港(漁貨60%，燃油、淡水、食品等10%);

6)空載到港(燃油、淡水、食品等10%);

7)結冰空載到港(燃油、淡水、食品等10%)。

2.2 穩性衡準結果

利用COMPASSS軟件對魷魚釣船裝帆前和裝帆后2種情況進行穩性校核，核算結果如表1所示。魷魚釣船安裝風帆前，船舶的各個載況都能滿足要求，而且氣象衡準數有較大富余。

表1 魷魚釣船的氣象橫準數校核結果Tab．1 Squid fishing vessel stability check results

魷魚釣船裝帆以后只有捕魚中載況不滿足要求。在這種載況時船舶的重心較高，氣象衡準數較小，如果遇到突風將很危險。但魷魚釣船有其特殊性，就是在捕魚中載況時，船舶是不航行的，所以這時候也沒必要張帆。魷魚釣船在捕魚載況時可以收帆或者降帆，只要留一定的帆面積用于定位船舶，代替一般魷魚釣船尾帆的作用。通過以上分析魷魚釣船安裝風帆后的穩性是能滿足IMO穩性相關規定的。

3 風帆助航船經濟性分析

風帆助航漁船的動力有主機功率傳遞到螺旋槳產生的推力和風作用在風帆上產生的推力。風帆所產生的推力起輔助推力作用。船舶風帆助航航行時，主機功率和風帆功率的不同配合可以產生多種航行模式。現代風帆助航船的航行模式主要有定速航行模式和定功率航行模式2種。船舶主機油耗率和功率近似成正比例關系，船舶航速和主機功率近似成立方關系。故通過降低主機功率的定速航行模式，對減少主機的燃油消耗效果比較明顯。所以本文選擇定速航行模式。

求解無帆航行時所需主機功率的大小和有帆時的主機功率的大小，可以得到裝帆后定速航行主機功率的減小值。根據上文的計算結果可以求出風帆所產生的推力Ts，風帆產生的功率Ps，進而可以得到能夠節省的主機功率ΔP。公式如下所示：

一般的小型船舶裝圓弧型帆的成本較低，而且操作方便。上文中的計算結果顯示圓弧型風帆能提供更大的推力，因此，要計算魷魚釣船上裝2面圓弧型風帆時風帆所能提供的功率。假設船舶航行時的相對風向角為100°，相對風速大小為15 m/s。這時風帆的推力系數Cx=1.680 4。魷魚釣船無帆，以設計航速航行時，主機的功率為額定功率的90%，航速為 11.5 kn(5.916 m/s)，空氣密度為 1.205 kg/m3，所以主機節省的功率為：

本文的計算結果沒有考慮由于船舶偏航所引起的船舶阻力增加，此外相對風向和大小是經常變化的，并不是一個恒定值，考慮這些因素要準確預測風帆助推節能效果是很困難的。為了考慮這些因素，本文增加1個70%的系數，安裝圓弧型雙帆的魷魚釣船節省的主機功率為20.72%。如果想更準確估算出節能效果，可以根據航區的氣象統計資料、出航時間和航線資料，然后采用平均風速和風向的方法近似估算風帆的推力功率。

1)風帆助航系統的節油估算

魷魚釣船無帆狀態航行時，柴油機功率為主機額定功率的90%。根據魷魚釣船使用的G6300ZC10B型柴油機的燃油消耗率曲線讀出此時主機單位耗油量g1=208.5 g/kW·h;魷魚釣船風帆助航時，風帆節能效果很難準確估算。假設風帆僅提供20%推力功率，這時主機功率將由90%NMCR值近似下降到72%NMCR值，從燃油消耗率曲線圖中查出此時主機的單位耗油量g2=209.5 g/kW·h。

以每年150個用帆航行日計算，可以計算出每年節油量：

可見魷魚釣船風帆提供20%的推力功率，一年可以節約近128.67 t的燃油，風帆助航系統在節省燃料方面意義重大。

圖12 G6300ZC10B型柴油機的燃油消耗率曲線Fig.12 G6300ZC10B engine fuel consumption curve

2)CO2排放量的減少

風帆助航減少了船舶的燃油消耗，相應地也減少了CO2的排放量。燃油燃燒化學反應方程式為2CnH2n+3nO2=2nCO2+2nH2O。通過該式計算可以得到，每年節約128 t燃油所減少的CO2排放量為404 t。由此可見，風帆助航具有明顯的減排效果。

4 結語

隨著石油資源的枯竭和人類環保意識的提高，風帆助航船作為一種能有效降低燃油消耗和廢氣排放的節能船型，必將受到航運界的重視。本文正是在這個背景下對風帆助航漁船的技術可行性做了一些研究。通過本文的研究得出以下結論：

1)在風帆面積相同的情況下，圓弧型風帆比NACA0006型風帆能提供更大的推力，適合安裝在漁船上。

2)選擇合適的風帆面積和合理操縱風帆，風帆助航漁船的穩性能滿足相關規范的要求。船舶的安全性能得到保證。

3)本文所研究的魷魚釣船安裝風帆后一年能節約128 t燃油，也能減少404 t二氧化碳排放。所以風帆助航漁船具有較好的經濟效益，值得在漁船上推廣。

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Analysis of stability and economic of sail-assisted fishing vessel

SU Chao-jun1，MA Kun1，2
(1．Ship CAD Engineering Center，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China;2．State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China)

Sail-assisted ship is an important way to save energy．The paper chooses a squid fishing vessel as research object，selecting NACA0006 sail and arc-shaped sail based on the characteristics of the ship，then using Fluent software to set up sail models，and numerically simulate air dynamic of these two kinds of sails．We can estimate energy-saving per year and the amount of reducing carbon dioxide emissions of the sail-assisted ships according to the results of software．By analysis the stability of sail-assisted squid fishing vessel，it is certain that sail-assisted squid fishing vessel is able to meet stability requirements，as long as reasonable installation and operation of sails．

sail-assisted sailing;squid fishing vessel;numerical simulation;stability;economic

U664.31

A

1672－7649(2012)07－0055－06

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.07.011

2011－10－28;

2011－12－31

蘇朝君(1985－)，男，碩士研究生，主要研究方向為風帆助航船舶及船舶輪機設計。