高级曲面风帆助航系统与结构设计

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风帆助航的研究与应用综述

对于风帆的空气动力特性的研究主要有风洞
实验与空气动力学理论计算两种方法.风洞实验将
风帆的缩小模型放入风洞中，测定出不同帆向角的情况下升力系数、阻力系数等 m ;计算流体动力学 (CFD) 的方法则是通过求解 R A N S方程得到结
如:面积、外形及展弦比，剖面形状与拱度比，帆的
结构形式等_8].在诸多几何因素中，影响最大的数展弦比与拱度比.
(1)
平面形状与展弦比.帆翼的外形主要由矩
形与三角形，三角形的重心与风压作用力在中心较
低，有利于稳定性;矩形帆重心与风压作用力在中
6
广州航海学院学报
第 25卷
动时，会产生一个垂直于气流方向的横向力，推动船舶.
4)抽气式涡轮帆.涡轮帆的基本结构如图4 所示，为一个可定向转动的椭圆形筒，后缘左右两侧各有I 个由许多小孔组成的抽气面，并设置一个活动的分流板，可随风向的不同而转动关闭左边或右边的抽气面，椭圆上下设有端板，上端板设置抽气机，按风速、风向、船速等条件控制抽气量，使帆达到最佳推进效率 [4].
第 25卷第1期 2017 年 3 月
JOURNAL OF广G州UA航NG海ZHO学U院MA学RI报TIME INSTITUTE
VoMl.a2r5.
No. 1
2017
风帆助航的研究与应用综述
2 汪洋 u ，王志华\ 陈爱国

基于现场总线的风帆助航控制系统设计

自世界上第一艘以蒸汽机为动力的船舶问世
展
以来，以热机（柴油机、轮机以及燃气轮机等）如汽
为动力直接驱动螺旋桨的机械推进系统成为船舶推进的主要方式，船舶动力装置中占据了主导在
的新能源及其利用方式。近ｌＯａ来，着能源需随
图１层流型圆弧矩形硬质翼帆的结构简图
风帆姿态（括帆向角、帆的启停等）主包风和机转速控制是风帆助航控制系统中２个至关重要
１４１
交通信息与安全
２１ＯＯ年第６期
第２８卷
总１８５期
则将风帆关闭且转至受力最小的角度，时切换此
控制是风帆助航控制系统的根本目的。综合来
讲，帆助航控制系统有如下一些要求：风

１）风帆的启停。风帆的启停不但关系到风
帆助航系统的节能收益，关系到风帆助航系统还的安全性，因此需要风帆助航控制系统能够根据
的控制要素，因此确保在各种条件（象条件、气航
行条件等）对风帆姿态和主机转速进行最优化下
求压力过大，油价逐年攀涨的严峻形势下，世界航
运业的课题也主要集中在节能、找新能源以及寻探索能源新的利用方法等诸方面，帆助航控制风系统也应运而生。

不同形状风帆的风洞试验

不同形状风帆的风洞试验
不同形状风帆的风洞试验
不同形状风帆的风洞试验
曾向明;胡以怀;王友聪
【期刊名称】《上海海事大学学报》
【年(卷),期】2010(031)004
【摘要】为研究风帆助航技术,选取6种形状的风帆,利用某大学的低速风洞实验室对其进行风洞测力试验,获得相应的空气动力学特性.结果表明,圆弧形风帆空气动力性能比较优良,操作简便,比较适合安装在现代大型船舶上.
【总页数】4页(P28-31)
【作者】曾向明;胡以怀;王友聪
【作者单位】上海海事大学,商船学院,上海,201306;上海海事大学,商船学院,上海,201306;上海海事大学,商船学院,上海,201306 【正文语种】中文
【中图分类】U674.926;U467.1;V211.3
【相关文献】
1.风帆股份履行社会责任“三到位”——风帆帮扶工作组工作纪实 [J], 杨建峰
2.他为“风帆”撑起一片蓝天——记“全国优秀企业家”、风帆有限责任公司董事长、党委书记刘宝生 [J], 杨建峰
3.风帆,从这里再出发——风帆产业园区建设工作纪实 [J], 李益民
4.风帆助力船风帆处局部强度分析 [J], 顾浩洋;尹群;王珂
5.风帆助航船风帆结构疲劳分析 [J], 张荣鑫;傅程;穆丹。

中国航海博物馆风帆形双曲面异型索网索力的长期监测和研究

应用价值。
参考文献（）略
装等完全同步于第一半网架的滑移组装，脚手架平台只需移
动两次，大大弥补了高空散拼法中脚手架搭设量大、要这需
不断移动的缺点，同时也降低了相应成本。轨道底部滑板的
・
５６・３
【关键词】建筑结构双曲面索网索力监测Ｅ法安全性评估Ｍ【中图分类号】Ｕ５．Ｔ７８１１／文献标识码Ｂ【文章编号】１０一Ｏ１２１） — ５６００４ｌ０（００００３ — ３６
Ｕ
刖舌
构造型的要求也更加丰富，从简单单一的有规则形状的索网结构，如平行四边形、圆形和圆形的平面索网体系，椭发展到具有空间曲面造型的复杂异型索网体系，如双曲面索网体
中国航海博物馆位于临港新城申港大道环湖西二路口南侧，划总用地约４６建筑物占地２３总建规８６０ｍ，４８０ｍ，
算机硬件水平的发展，网结构形状确定的计算困难已经逐索
６＇１／００２
陆伟东：中国航海博物馆风帆形双曲面异型索网索力的长期监测和研究情况，制结构的安全性。控
第６期
２监测系统及原理
监测索力的Ｅ原理如图４所示，由两个线圈组成～个电磁感应系统，主要线圈通入直流电，电瞬时，于有铁其通由
周转至另一半主体梁上进行铺设，铺设方法同第一半；同时待第一半全部施工完毕后将牵引工具等移至主体梁中问位

风帆助航船舶能效控制系统研究

仿真，研究风帆助航技术的效能问题。但是，国内对于风帆助航船舶的研究大多处于模拟仿真阶段，很少有实船的风帆控制系统。
本文基于 30 万吨原油油轮实船，设计实船风帆控制系统，并对各个功能模块的实现方法进行相关分析。
1 风帆助航原理分析
风帆的种类主要包括翼型帆、转筒帆和天帆等，其中研究最多的是翼型帆。翼型帆又分为普通型、层流型、U 型和圆弧型等，不同种类的帆空气动力
0 引言
目前，全球约 70 000 多条商船正在运营，其 CO2 排放量占当前 CO2 排放总量的 3% 以上[1]，远洋运输行业是名副其实的碳排放大户。因此，降低航运业 CO2 排放量的呼声日益提高。风能作为一种可再生无污染的绿色能源，将其利用在船舶航行推进、降低营运能耗也是近年来的研究重点之一。陈鲁愚等[2]对大型远洋风帆助航船舶节能效率进行分析研究；刘伊凡等[3]针对船舶能效营运指数进行建模与仿真分析；王宏明等[4]利用 CFD 软件对风帆系统进行建模
收稿日期：2018-05-23 基金项目：工信部高技术船舶科研计划项目（船重科 20141295）作者简介：池华方（1969- ），男，河南开封人，副教授，研究方向为船舶辅机工程。
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30
交通节能与环保
（2）
翼型硬质风帆的受力情况及流场与飞机机翼在
低速航行时近似[6]，升力和阻力的计算公式分别为：
FL =
1 2
ρVA2·CL·A
第 14 卷
FS
FR FD
VA
Vr
aw
φ
ß
γ
a
VS
Ft
FL
图 1 风帆受力简图 Fig. 1 Wind force diagram

风帆助航简介解析

长风号
13.5
8
6.8
6.3
9.22
我国沿海航线风力资源情况及其推广
结论
1)我国沿海以北风和南风偏多，平均风力达4级左右． 2)我国沿海采用风帆助航技术，平均节能可达9．08 ～ 15．68 、特别是渤海湾、黄海、东海海域的沿海航线，节能效果更佳． 3)我国沿海东西方向航线上推广风帆助航技术潜力更大．
装置。
• 风力发电---我们把风的动能转变成机械能，
再把机械能转化为电能，这就是风力发电。
风帆助航
• 风能利用，已有
数千年的历史。最早的利用方式是“风帆行舟”。
风帆助航的发展
人类利用风力来推进船舶已有五千余年的悠久历史。我国明代伟大的航海家郑和1405～1433年间统帅其庞大的风帆船队7下西洋，达到人类历史上空前规模的远洋航行。
当空气向一个方向流动时，它向侧面作
是帆具有像机翼一样的弧形。

用的力就要相对减小。
图3为
当气流通过帆或机翼示
意图
扬帆与不扬帆的油耗对比
项目航速功率转速油耗估算油耗
帆况
油耗误差
不扬 4.11 8.15 409
帆
5.17 15.10 502
7.35 23.00 487
扬帆 4.58 4.72 426
风帆助航的缺点
• 1)风速不稳定,产生的能量大小不稳定 • 2)风能利用受地理位置限制严重 • 3)风能的转换效率低 • 4)风能是新型能源,相应的使用设备也不是
很成熟
风帆助航船市场潜力大
油价有任何风吹草动，均对航运业造成重要影响，全球首只借风力助航的船舶──可配载一万吨的「MS Beluga SkySails」号散货船 2007年02月正式启航，从德国不来梅港驶至委内瑞拉。新技术的应用原理是在货船上加入风帆，利用计算机系统测试风向，借助风力协助推动船只运行。风帆助航也证明环境及经济发展可以并存。

航海博物馆双曲面高预应力索网报告12.13

3.2拉索夹具的设计由于异型单层双曲索网的造型靠横竖索之间的互相约束来实现，为此选用功能较为全面的拉索夹具，①锁死横索和纵索的相对位置，但横索夹和竖索夹之间能相互转动，以减小由于夹具的原因导致拉索出现折角等现象。②还要满足拉索夹具的抗滑移承载能力必须能够承受拉索索力差以及因横索和竖索之间的距离所产生的对拉索夹具的扭矩。（示意如下图）
4.4索网的安装
索网的安装主要分为：拉索的吊挂及索夹的安装 4.4.1将需要安装部位的拉索提前一天作好计划,将安装拉索的型号、规格、数量和编号分别登记,运至现场。 4.4.2采用卷扬机配备相应滑轮组进行索提升、安装施工。 4.4.3先安装水平索，安装顺序从上到下。水平索二端(固定端)穿入埋件，拧上球铰,调整水平索二端节段到设计标准长度。 4.4.4后安装竖向索，安装顺序从左到右(或从右到左)。竖向索上端(固定端)穿入埋件，拧上球铰,调整竖向索上端节段到设计标准长度。竖向索垂躺在水平索上，竖向索下端自由垂荡(张拉端)。 4.4.5拉索安装过程中必须注意不要碰击拉索或刮伤拉索表面。为防止脚手架或其他结构对拉索的损伤，可采用在相关位置设置挂索滑轮进行防护。 4.4.6按照索上定位标记安装索夹，稍锁紧螺栓初步定位，索夹位置准确无误后拧紧螺栓达到设计的扭矩，索夹位置相对于横竖索完全固定。
4.5索网张拉施工工艺
工程索网张拉实行位移和力双控，以位移控制为主、力控制为辅的控制方法。竖索下端张拉，为防止预应力损失，采用了超预应力张拉，张拉行程估计会达400mm以上，制作长度不同的传力装置，水平索两端及竖索上端仅需配置短行程传力装置。索埋件构造应方便索端长度调整。
4.5.1索网尽可能对称张拉，前后对称(正立面与背力面)、左右对称、上下对称，按批张拉。 4.5.2初定分步张拉次数为：设计值20%、设计值50%、设计值80%和设计值100%。初定批按排：竖向索左右对称各5根(4根)，或水平索上下对称各5根。批按排工作内容可以是张拉也可以是调整。（张拉顺序及批次见图） 4.5.3竖索下端安装传力装置。 4.5.4竖索下端张拉至20%设计值。第一批左右各5根，第二批中间8根。 4.5.5可用扳手拧动水平索二端和竖向索上端的螺母(记录下索端长度的调整量)，调匀索力，消除误差。 4.5.6竖索下端张拉至50%设计值。第一批左右各5根，第二批中间8根。 4.5.7用索力计检测记下索力，用全站仪记录下测点位移。 4.5.8竖索下端张拉至80%设计值。第一批左右各5根，第二批中间8根。 4.5.9用索力计检测记下索力，特别注意水平索二端调整的对称性，不要发生索的水平移动。用索力计反复检查调整索力，主要是索端节段。索网初步张紧，用全站仪记录下测点位移。 4.5.10竖索下端张拉至100%设计值。第一批左右各5根，第二批中间8根。 4.5.11用索力计检测记下索力，用全站仪记录下测点位移。实测值和理论值对照分析，考虑使用预案，进行调整计算分析制订调整方案。 4.5.12索力调整。因索力较大，改用传力装置千斤顶调整。 4.5.13用索力计检测记下索力，用全站仪记录下测点位移。详见流程图。

基于CFD的圆弧型风帆气动优化

基于CFD的圆弧型风帆气动优化黄连忠;林虹兆;马冉祺;林煜翔【摘要】在传统单圆弧型风帆的基础上,针对船用助航风帆的特点设计出一种新型双圆弧型风帆.采用FLUENT软件的SST模型,运用控制变量法对该双圆弧型帆的内拱拱度比和外拱拱度比进行气动力学的仿真优化,并基于最大推力系数选择其最佳参数.对优化后的模型进行风洞试验,得到的数据与仿真结果能较好地吻合.优化后的风帆的升力系数和最大推力系数较传统的单圆弧型风帆有大幅度的提高.【期刊名称】《中国航海》【年(卷),期】2016(039)002【总页数】5页(P101-105)【关键词】风力助航船舶;单圆弧型帆;双圆弧型帆;仿真优化;风洞试验【作者】黄连忠;林虹兆;马冉祺;林煜翔【作者单位】大连海事大学轮机工程学院,辽宁大连116026;中国船级社重庆分社,重庆401121;大连海事大学轮机工程学院,辽宁大连116026;德州大学奥斯汀分校环境流体力学实验室,美国德克萨斯州78741【正文语种】中文【中图分类】U664.31Abstract: A new kind of double-arched sail is proposed based on the traditional arched-sail. The aerodynamic characteristics with different inner and outer amber ratios are numerically optimized with FLUENT softwarebased on SST model by the method of controlling variables, and the optimal parameters are chosen based on the maximum thrust coefficient. Wind tunnel tests of the model are conducted. The results of lift coefficient and drag coefficient obtained by the numerical simulation coincide withthe wind tunnel tests data. The optimized double-arched sail is of much bigger lift coefficient and maximum thrust coefficient compared to traditional arched sails.Key words: sail-assisted ship; arched-sail; double-arched sail; simulation-based optimization; wind tunnel test以风能作为动力辅助船舶航行(即风帆助航) 是将新能源应用于船舶航运中的重要途径。

风帆助航简介解析

主机功率 Kw 1177
船速 Km 12
长风号
44x8.8x2
326
88
11.6
总帆面积 mxm 200
140
船名
新爱德丸
表2 两艘实船装置投资和回收年限

无帆年燃油节油率量（万元）（百分）
帆装置造价静态回收年
（万元）
限（年）
约1亿日元 15
7000万日元 4.87
动态回收年限（年）
6.15
只是随着18、19世纪蒸汽机和内燃机的发明。蒸汽机和内燃机船相继出现。使风帆船的垄断地位逐渐被取代。
至本世纪中叶已几乎从远洋运输中消失了。但随着70年代初世界石油危机的出现以及人类对环境污染的严重忧虑。具有显著节能效果和减少污梨等优点的风帆推进装置重新引起船舶工作者的重视。
帆船运动的力学原理
装置。
• 风力发电---我们把风的动能转变成机械能，
再把机械能转化为电能，这就是风力发电。
风帆助航
• 风能利用，已有
数千年的历史。最早的利用方式是“风帆行舟”。
风帆助航的发展
人类利用风力来推进船舶已有五千余年的悠久历史。我国明代伟大的航海家郑和1405～1433年间统帅其庞大的风帆船队7下西洋，达到人类历史上空前规模的远洋航行。
6.1 7.20 418
1.75 1.69 -0.06 3.48 3.37 -0.11 4.60 4.39 -0.21 1.50 1.39 -0.10 1.78 1.73 -0.04
国内外船舶实例
表1 两艘实船的主要因素表
船名
新爱德丸
主尺度 LxBxd
66x10.6x4.7 6
载货量 T 1600

基于CFD的风帆助航技术效能分析

基于CFD的风帆助航技术效能分析风帆助航技术是一种利用风力来推动船只进行航行的技术。

在过去的几年里，随着计算流体力学（CFD）技术的发展，风帆助航技术在航海领域中变得越来越受到关注。

CFD技术可以模拟空气与风帆之间的相互作用，从而有效地预测风帆在不同风速和风向下的性能，帮助船只更好地利用风力进行航行。

在使用CFD技术进行风帆助航技术效能分析时，可以针对不同的船只和风帆设计进行模拟分析。

首先，利用CFD技术模拟风帆在不同风速和风向下的动力学性能，包括升力、阻力、侧向力等参数。

通过这些模拟分析，可以评估风帆在不同环境条件下的航行效率和稳定性，为船只的航行路线规划和操作提供参考。

其次，利用CFD技术模拟在复杂的海洋环境中，风帆与波浪之间的相互作用。

波浪对船只和风帆的影响会影响风帆的稳定性和航行效率。

通过CFD技术模拟风帆在波浪环境下的性能，可以评估风帆在复杂海况下的适应能力，为航行安全提供支持。

另外，CFD技术还可以帮助设计者和船长优化风帆布局和形状，提高风帆的航行效率和稳定性。

通过CFD技术模拟不同的风帆设计方案，评估其在航行中的性能差异，为设计者提供科学依据和参考，使风帆助航技术更加成熟和实用。

需要注意的是，CFD技术虽然在风帆助航技术效能分析中有着很大的应用潜力，但其模拟结果仍需与实际航行数据进行对比验证，确保其准确性和可靠性。

同时，CFD技术在处理复杂流动过程中需要大量的计算资源和时间，需要结合实际情况和需求进行合理的模拟参数设定和计算方案选择。

总的来说，基于CFD的风帆助航技术效能分析可以帮助提高风帆航行的效率和安全性，为航海领域的发展带来更多可能性。

通过不断地研究和实践，相信CFD技术会在风帆助航技术中发挥越来越重要的作用，为船只的航行提供更加科学和有效的支持。

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圜隘疆量
Ｄｅｓｇｎ＆Ｄｅｌｉｖｅｏｐｍｅｎｔ
高级曲面风帆助航系统与结构设计
张广印，胡以怀，崔爽
（上海海事大学商船学院，上海２０３）０１５
摘要：随着自动化技术的发展，风帆助航系统在以下方向发展成为可能：①利用计算机实现对风帆的自适应操纵；②风帆与主动力装置的优化配合，以经济航速航行；③复杂型线风帆的操纵、应用和推广成为可能。风帆的型线设计在近代有着较大的改进，机翼形、组合翼型、圆弧形、圆筒型、百叶窗型、多翼面高升力型等。我校在前期针对圆弧型风帆的设计，通过对其流体动力特性的数值分析和风洞试验结果，在型线方面进行改进，分析了综合性能。采用ＰｏＥｒ＼进行风帆的三维曲面设计，并利用有限元分析软件Ａｓｓｎｙ对贝壳式风帆迎风面上的压力分布、风帆产生的升力和阻力等流体动力特性进行了数值分析。贝壳式风帆中部的风轮机在风向大攻角下，类似圆筒风帆起到辅推作用。该款复合型线设计风帆的分析结果，可为开发商用风帆助航节能船舶提供一定的指导。关键词：船舶；风轮机；圆筒型风帆；贝壳式风帆；风帆助航；流体动力；有限元分析
ＡｄａｃｄＳｒａｅＳｉＡｓｉｔｄＳｓｅｎｔｕｔｒｌｓｇｖｎｅｕｆｃａｌｓｓｅｙｔｍａｄＳｒｃｕａＤｅｉｎ
ＺＨＡＮＧａｇｉ，ＨＵｈａ，ＣＵＩＳｕｎＧｕｎｙｎＹｉｕｉｈａｇ
ｗｉｙｅ，ｉｃｌｒａＣｆｒｏｙｌｅｙｅ，ｈｔｒ，ｎｈｎｇｏｇｉ．ｎｔｅｄｓｇｆｃｒｕａｒａｌｂｎｇｔｐｃｒｕａｍｆｃｉｒｔｐｓｕｔｓａｄｔｅｗｉｆｈｉｈｌＩｈｅｉｎｏｉｃｌｒａｃｓｉ，ｙｒｏｎｄｅｔｆｔｋｉｇｔｅｆｄｄｙａｃｃａａｔｒｓｉｓｏｅｎｍｅｉａｎｌｓｓａｄｗｉｄｔｎｎｌｅｔｒｓｌｓｗｅｈｖｍｐｒｅｈｅａｎｈｕｉｎｍｉｈｒｃｅｉｔｃｆｔｕｒｃｌａａｙｉｎｎｕｅｓｅｕｔ．ａｅｉｌｈｔｏｖｄｔｔｐｉｅａｎｌｚｄｔｅｗｉｄｒｄｃｎｒｌｕｏａｉｇ．ｌｕｓｈｅＰｙｅｌｎｄａａｙｅｈｎｗａｅｔａｎｌｄｎＷｅｅｔｎｔａｌｏｄｓｆｃｅｉｎ．ｈｎａｙｓｓＯｓｉｆ３ｕｒａｅｄｓｇＢｙｔｅａｌｉＳｆｗａｅｗｅａｌｚｈｌｓｏｈｎｒｓｕｅｔｐａｌｉｔｂｕｉｎｏｍｅｉａｎａｙｓｓＴｈｅｕｌｓｏｕｒｃｌＯｔｒｎａｙｅｓｅｌｎｔｅｗｉｄｐｅｓｒｙｅｓｉｄｓｎｔｏｆｎｕｒｃｌａｌｉ．ｅｒｓｔｆｎｍｅｉａａａｙｉｏｉｉｔｅｔｒｓｌｓｉｎｕｎｅ．ｉｈｃｎｂｅｔｅｇｕｄｎｅｆｒｔｅｅｏｍｅｔｏａｌａｓｓｅｎｌｓｓｃｎｃｄｅｗｉｈｔｓｅｕｔｎｗｉｄｔｎ１ｗｈｃａｈｉａｃｈｅｄｖｌｐｎｆｓｉｓｉｔｄｏ
（ｈｎｈｉｒｉｉｅｓｙＳａｇａ２０３ＳａｇａＭａｔＵｎｖｒｉ，ｈｎｈｉ０１５）ｉｍｅｔ
Ａｂｓｒｔｔａｃ：Ａｌｎｇｗｉｈｔｅｄｖｅｏｏｔｈｅｌｐｍｅｔｏｆａｏａｉｎｔｃｎｏｏｇｎｕｔｍｔｏｅｈｌｙ，ｔｅｅａｅｔｒｅｐｏｓｉｅｄｅｅｏｐｅｔｈｒｒｈｅｓｂｌｖｌｍｎｄｒｃｉｎ．ｒｔａａｔｖｏｎｒｏｓｉｕｄｂｅｌｚｄｂｏｕｔｒＳｃｎｓｉａｄｐｏｒｐｌｎ ’ ｃｍｂｎｔｏｉｅｔｏｓＦｉｓ，ｄｐｉｅｃｔｏｌａｌｗｏｌｅｒａｉｅｙｃｍｐｅ．ｅｏｄ，ａｌｎｗｅａｔｏｉａｉｎｔＳｗｏｌｐｉｚｄｆｒｅｏｏｍｉｐｅＴｈｉｄ，ｈａｔｒｎｐａｉｎ，ｉａｌａｌｃｔｏｎｒｍｏｔｏｕｄｂｅｏｔｍｉｅｏｃｎｃｓｅｄ．ｒｔｅｆｃｏｓｏｆｍａｉｕｌｔｏｌｎｅｓｉｐｐｉａｉｎａｄｐｏｉｎ
ｗｕｄｂｏｓｌＴｅｔｐｎｆａｌｎｍｏｅｎｄｓｎｈｓｒａｉｒｖｍｅｔｊｓｌｅｗｉｇｓａｅｃｍｂｎｔｎｏｌｅｐｓｂｅ．ｈｅｌｅｉｉｉｙｉｏｓｄｒｅｉａｅｔｍｐｏｅｎ，ｔｉｎｈｐ，ｏｉａｉｇｇｕｋｏ

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