风帆助航论文

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摘要
随着燃油成本的上涨和国际公约对船舶废气管控力度的加大， 船舶利用风帆 辅助航行凭借其成本低廉，绿色环保等优点获得了航运界和船舶工业界的关注。 帆是风帆助航船舶的核心， 决定了风帆助航船舶效率及控制策略。本文设计了一 种襟翼式风帆，又称为风翼，通过计算流体力学（CFD）分析风翼参数对其的升 阻力特性影响的规律，选择合适的风翼参数，提高助航效果，并对实际状态下的 船舶存在控制误差和侧倾时的推力减额进行计算。 本文首先分析了现代运输船舶利用风能的特点， 得出了在逆风时提高风翼升 力、 增加升阻比是风翼的设计关键。因此本文根据飞机增升装置设计了风翼的气 动形式，并通过选择合适的翼型参数，设计转帆和降帆机构使其适合船舶加装， 并针对母型船“文竹海”号散货轮设计了风翼的主尺度。 然后对 CFD 的网格参数和求解器参数进行了比较研究，得出了适合该问题 求解的参数设置。基于 CFD 分别对风翼的缝翼参数和襟翼参数进行了研究，采 用控制变量法对研究单个参数对风翼的升、阻力特性以及它们对推力的影响规 律，得出合适的设计参数，根据 CFD 数值结果显示，最大推力系数达到了 2.94， 在 10m/s 相对风速下最大推力可达到 130KN，在部分风向下动力性能优于其他 种类的风帆形式，具有良好的推进效率。 最后本文分析了在实际工作状态下，即存在迎角偏差、侧倾以及变风速时风 翼的推力减额。计算结果得出偏差越大，侧倾角度越大，推力性能减少也越大。 迎角偏差 4 度，侧倾 5 度造成的船舶推力减额约为 6~8%，而风速对风翼的气动 性能影响较小，可忽略不计。
A thesis Submitted to Dalian Maritime University In partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Engineering
by Lin Yuxiang (Marine Engineering) Thesis Supervisor: Professor Huang Lianzhong
英文摘要
error of 4 degrees and 5 degrees rolling, the thrust would reduce about 6~8%, while the wind speed accounts little to the aerodynamic of wing sail.
关键词：风翼助航;襟翼式风帆;CFD;推力减额
英文摘要
ABSTRACT
With the increasing fuel oil price and strengthen supervision of vessel exhaust emission, employing sail to assist the vessel is taking attention to the shipping and shipbuilding industry, with resort to its advantages such as low cost and green, environment protection. The sail is the core of wind-assisted vessel, and affects its efficiency and control strategy. This thesis is to design a flap wing sail and investigate the law of sail parameters to the lift and drag performance of wing sail, employing the computational fluid dynamics (CFD) and improves the performance by choosing the proper parameter. The thrust reduction is calculated in the real situation where the accuracy and rolling are taken into consideration. First, this thesis analyzes the feature of modern merchant ship utilizing sails, and concludes that high lift and high lift to drag ratio in upwind condition is the key to the design of wind sail. Thus the wing sail is designed in reference to the high lift device on the aircraft, developed by selecting the proper wing parameter and designed its rotating and lowering device to fit the vessel. The main dimension is designed according to the mother type ship "Wen ZhuHai" bulk carrier. Second, comparison study about effects of computational grid and input parameters of CFD software on computational result is carried out, and appropriate parameters are derived. Based on CFD, this thesis investigates the influence of slat and flap parameters to the lift and drags performance of wing sail and studies their effect to the sail trust performance, by the control variable method, and apposite design parameters are obtained. The CFD results show that the maximum thrust coefficient is 2.94, approximately 130KN thrusting forces under 10m/s of wind speed, which show favorable thrust efficiency. At last, this thesis analyzes the thrust reduction under real situation, where the error，rolling and wind speed changes are taking into consideration. The calculation result shows that the more error and rolling angle, the more thrust reduction. At the
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June 2013
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本人郑重声明：本论文是在导师的指导下 ,独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博/硕士学位论文 “风力助航船舶襟翼帆的设计研究” 。 除论文中已经注明引 用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公 开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。
Key Words: Sail-assisted； Flap wingsail； CFD； Trust reduction
目录
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第 1 章 绪论................................................................................................................................. 1 1.1 研究背景 ........................................................................................................................ 1 1.2 国内外现状研究现状 ..................................................................................................... 2 1.3 研究目的与意义 .........................................................................................................