“育明”輪風帆助航經濟性分析

李嫣妍, 胡以懷, 李志球

(上海海事大學 商船學院， 上海 201306)

“育明”輪風帆助航經濟性分析

李嫣妍, 胡以懷, 李志球

(上海海事大學 商船學院， 上海 201306)

為“育明輪”擬安裝四個圓弧型風帆，并借助流體動力軟件Fluent，建立圓弧型風帆模型，并分析其空氣動力特性，得出風帆的升力/阻力系數以及最優操帆曲線。另外，采用初步估算方法，分析“育明輪”加裝風帆對主機耗油和CO2排放方面的影響，結果表明“育明輪”采用風帆助航技術，具有很好的環保與經濟效益。

圓弧型風帆 空氣動力特性 減排 經濟效益

1 前言

在全球經濟持續發展的今天，世界物資運輸所需要的船舶數量愈來愈多，隨之而來的船舶排放廢棄物對環境的污染也日趨嚴重[1]，“綠色船舶”已成為未來船舶發展的重要方向。其中研究船舶清潔能源最具有革新性和代表性。

風能是一種無污染的可再生資源。大型風帆助航船舶在節能減排方面有很大的潛力，尤其是散貨船，因其甲板器械相對較少，艙蓋之間有足夠寬的甲板面積用來布置風帆的底座和桅桿，并可在保證結構安全和足夠穩性的前提下，選取風帆的最大面積[3]。本文以上海海事大學教學實習船“育明”輪為研究對象，對其擬安裝圓弧型風帆后的節能效果進行分析。該船的主要參數如表1所示。

表1 “育明”主要參數

2 風帆主要參數的確定

“育明”輪為遠洋散貨船，航行于世界各地，因此其風帆的高度除滿足穩性之外，還必須滿足《通航海船橋梁通航標準》[4]的要求。根據文獻[5]中凈空高度計算公式，本文將風帆高度取為30 m，滿足相關規范要求。

研究發現當風帆的寬度占船舶的最大寬度的0.9倍左右時可達到最佳節能效率[3]。同時為了減少風帆間相互干擾，必須對風帆的寬度進行限制，因此將風帆弦長定為20 m。

該船有五個貨艙，如圖1所示。為了充分利用風力，設置了兩排，共八個風帆。另外，在上海市科委資助下，上海海事大學風洞試驗小組利用同濟大學國家重點實驗室TJ-1號風洞對多種圓弧型帆進行動力性能研究，發現風帆的空氣動力性能受拱度比的影響不大，因此本文設計的風帆拱度比取為常用的0.10。

圖1 風帆布置情況

3 圓弧型風帆流體動力分析

利用Fluent軟件，建立風帆模型，從而對風力影響下圓弧型風帆的流體動力特性進行數值分析，邊界條件設置參考文獻[6]。表2為fluent計算結果。

表2 fluent計算結果

4 計算結果分析

按照機翼理論，風帆的氣動力被分解為升力L、阻力D，升力的方向垂直于來流，阻力的方向沿來流方向。一般用升力系數Cl和阻力系數Cd表示。風帆受力如圖2所示。

圖2 風帆受力圖

根據表2繪制Cl-Cd曲線圖，如圖3所示。在風力攻角從0°增大到90°的過程中，風帆阻力系數逐漸增大；而升力系數則不同，小攻角時升力系數隨著攻角增加而增加，在攻角約為35°時升力達到最大值，且大于阻力系數，有利于推動船舶前進。

圖3 Cl-Cd曲線

但該風帆的最大推力并非是在攻角35°時達到的，這是因為風帆推力是由風帆升力和阻力共同組成的，根據圖2可得出關系：

(1)

因此，在實際航行過程中為了使風帆的推力系數達到最大，必須求出最佳帆角βopt，使船獲得當前風速、風向情況下的最大推力，最佳帆角的確定方法參考文獻[7]。“育明輪”表觀風向角θA與最佳帆角βopt的關系如圖4所示。

圖4 表觀風向角θA與最佳帆角βopt的關系

5 風帆助航節能效益估算

“育明輪”航行于中國東部沿海和東南亞沿海海域，典型的航線為新加坡—上海—釜山，該海域內的風速和風向基本保持穩定，可利用的風速大約在5～15m/s。選用定航速模式，此時風帆施加給船體的功率等于主機減少的功率[8]。文獻[9]給出了具體的功率增益計算方法，但由于漂角和舵角一般很小，為方便起見，一般采用簡化式[10]：

(2)

式中：T為風帆推力(N)；VS為船速(m/s)；η為船舶推進系數。通過上式可計算在加裝單個面積為S的風帆時可節省的功率，則安裝N個風帆時節省功率百分比為

(3)

假設“育明輪”以服務航速 13.9kn(7.15m/s)的速度航行于風速為10m/s，風向角為 50°的航區內。由于漂角很小，表觀風速可化簡為[9]

因此，VA=15.6m/s。根據圖2，利用三角形余弦定理，可知此時θA=30°，對應圖4中的曲線，將風帆轉至最佳帆向角15°(此時αopt=15°)，對應表2，求得此時風帆推力系數：

從而求得風帆推力：

推進系數取為 0.70，代入式(2)，得到ΔPS=182.7kW。代入式子(3)，可得節省功率百分比α=12.3%。按照上述方法，得出不同風速下船舶功率節省百分比，如表3所示。

表3 不同風速下節省功率百分比

5.1 節油估算

沒有加裝風帆時，船舶航行的主機功率為(85%SMCR)7 153 kW，每天耗油29.57 t；加裝風帆后，根據表3，當風速分別為5 m/s、10 m/s、15 m/s時，風帆最高可提供5.2%、27.1%、69.4%的功率。以節省27.1%功率為例，每天節省燃油8.0 t。則每年可節省的油量為1 603 t(按每年用帆航行200天計算)。可見，風帆助航技術在節省燃料方面意義重大。

5.2 CO2減排

二氧化碳氣體是造成溫室效應的主要因素，對人類生活環境存在巨大的影響。船舶運輸業排放的CO2氣體約占全球總排放量的2.7%。國際海事組織(IMO)在第23屆外交大會上，通過了963號決議，提出減少來自船舶溫室氣體排放的方針和行動計劃，國際海事組織也在2005年公布了《防止船舶造成大氣污染規則》。可見，減少船舶CO2排放迫在眉睫。

船用柴油機燃燒的重油主要成分是碳氫化合物，其燃燒過程的主要化學方程式[8]為

2CnH2n+3nO2=2nCO2+2nH2O

CO2的分子量GCO2=44，GCH2=14，因此，當每年節省燃油1 603 t時CO2排放相應減少：

=44×1 039÷14=5 038 t

6 結語

經以上分析可以確定，“育明輪”采用風帆助航技術，不僅可取得可觀的經濟效益，還可以有效降低溫室氣體CO2的排放量，無論從經濟還是環保方面，都是可行的。但是，需要指出以下幾點：

(1) 本文中風帆的安裝位置只鑒于充分利用風能，并未考慮風帆間的干擾。實際應用中，風帆安裝位置以及帆間距還需針對目標船舶進行大量的實驗驗證。

(2) 加裝風帆會引起船舶橫傾、偏航，但本文計算結果沒有考慮偏航引起的船舶阻力增加。只是簡單地考慮風帆推力。

[][]

(3) 本文僅對風速風向一定的情況下，主機輸出功率降低的效益進行計算。然而，海上的風速風向是變化的。因此，需要根據某一航線所跨越的幾個海區的氣象統計資料，求得單個海區內的功率增益值，最后根據其所占整個航線距離的百分比，加權后累加得出總功率增益。

[1] 吳新憲.太陽能和風能在船舶上的應用分析[D].武漢:武漢理工大學,2010.

[2] 孟維明,趙俊豪,黃連忠.風帆助航節能船的應用前景[J]. 船舶,2009,4:1-3.

[3] 陳順懷,馮恩德.風帆助航船帆面積確定方法[J].武漢交通科技大學學報,1995,19(4):420-423.

[4] 交通部.通航海輪橋梁通航標準[M].北京:中華人民共和國交通部,1998.

[5] 楊佐昌,楊林家,洪碧光. 跨海大橋凈空高度的確定方法[J]. 大連海事大學學報，2004，30(4):27-33.

[6] 孫海素.二維船用帆翼空氣動力特性的數值模擬[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2010.

[7] 施潤華.風帆助航實船推進性能分析[J].船舶工程,1989,3:18-23.

[8] 任洪瑩,黃連忠,孫培廷等.大型風帆助航船舶綜合節能減排潛力分析[J].大連海事大學學報：自然科學版，2010，1：27-30.

[9] 張仁頤.風帆助航節能船經濟可行性探討[J].船舶工程，1984，5：39-45，32.

[10] 于小虎.風帆助航節能應用研究[D].大連：大連海事大學,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

上海市科委資助“遠洋船舶風帆助航應用研究”項目(上海科委重點項目編號：08210511800)。

李嫣妍(1991-)，女，碩士研究生。

U662

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