風(fēng)帆助航漁船的穩(wěn)性及經(jīng)濟(jì)性分析

蘇朝君，馬 坤，2

(1．大連理工大學(xué) 船舶CAD工程中心，遼寧 大連 116024;2．大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024)

風(fēng)帆助航漁船的穩(wěn)性及經(jīng)濟(jì)性分析

蘇朝君1，馬 坤1，2

(1．大連理工大學(xué) 船舶CAD工程中心，遼寧 大連 116024;2．大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024)

風(fēng)帆助航是船舶節(jié)能減排的重要途徑。本文以1條魷魚釣船作為研究對(duì)象，根據(jù)該船的特點(diǎn)選擇NACA0006型帆和圓弧型帆作為輔助風(fēng)帆，然后利用Fluent軟件建立所選風(fēng)帆模型，對(duì)這2種風(fēng)帆的空氣動(dòng)力性能進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。根據(jù)軟件的計(jì)算結(jié)果估算風(fēng)帆助航時(shí)魷魚釣船的每年節(jié)油量以及所減少的二氧化碳排放量。通過對(duì)風(fēng)帆助航魷魚釣船的穩(wěn)性進(jìn)行計(jì)算分析，可以確定只要合理地安裝和操作風(fēng)帆，風(fēng)帆助航漁船是能滿足穩(wěn)性要求的。

風(fēng)帆助航;魷魚釣船;數(shù)值模擬;穩(wěn)性;經(jīng)濟(jì)性

0 引言

隨著世界石油資源的日益枯竭和國際油價(jià)飛漲，船舶的燃油費(fèi)用在航運(yùn)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(fù)雜，燃燒產(chǎn)物中有害物質(zhì)多，航運(yùn)產(chǎn)生的廢氣排放對(duì)環(huán)境的污染已經(jīng)到了不能忽視的地步。各國對(duì)船舶節(jié)能減排越來越重視，生產(chǎn)滿足要求的“綠色”船舶，已經(jīng)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(yùn)界和造船界高度關(guān)注。風(fēng)帆助航船作為一種依靠風(fēng)能輔助推進(jìn)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(gè)亮點(diǎn)，目前已有多個(gè)國家的研究成果證實(shí)風(fēng)帆助航是一種行之有效的方法，本文將對(duì)漁船的風(fēng)帆助航技術(shù)進(jìn)行初步探索。

為了更好地探索風(fēng)帆助航漁船的經(jīng)濟(jì)效益，本文選擇了某遠(yuǎn)洋魷魚釣船作為研究的對(duì)象船。該船的長寬比較小，設(shè)計(jì)航速較低，而且該船甲板機(jī)械比一般拖網(wǎng)漁船要少，故在其上安裝風(fēng)帆預(yù)計(jì)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(shù)值模擬計(jì)算

風(fēng)帆的空氣動(dòng)力性能主要包括升力特性、阻力特性、推力特性、側(cè)向力特性以及橫傾力矩特性等。這些性能與風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)帆的形狀、船體的上層建筑等有密切的關(guān)系。風(fēng)帆的空氣動(dòng)力性能可以通過理論計(jì)算或者實(shí)驗(yàn)來確定，計(jì)算結(jié)果可以用升力曲線、阻力曲線、最佳操帆曲線、推力曲線、風(fēng)壓中心曲線等表示。對(duì)于風(fēng)帆來說，作用于其上的有效風(fēng)力是相對(duì)于船速的相對(duì)風(fēng)速。真實(shí)風(fēng)速、船速和相對(duì)風(fēng)速的關(guān)系如圖1所示。

圖1的風(fēng)帆速度三角形中，相對(duì)風(fēng)向與帆翼弦向的夾角稱為帆向角α，也稱為帆的攻角。相對(duì)風(fēng)向與船的航向之間的夾角稱為相對(duì)風(fēng)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(duì)風(fēng)速對(duì)風(fēng)帆的作用力可以分解為與相對(duì)風(fēng)向相同的阻力D、與相對(duì)風(fēng)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(shè)計(jì)吃水：T 3.6 m

本文計(jì)算的帆翼剖面形狀為NACA0006標(biāo)準(zhǔn)翼型和拱度比為1.4的圓弧型，弦長為8 m，高為12 m。計(jì)算風(fēng)速為15 m/s，計(jì)算攻角分別為 0°，10°，20°，30°，40°，50°，60°，70°，80°和90°。分別計(jì)算了NACA0006型單帆和圓弧型單帆、雙帆情況的空氣動(dòng)力性能，計(jì)算中不計(jì)桅桿和船體的影響。GAMBIT按帆翼實(shí)際尺寸建模。由于計(jì)算風(fēng)速遠(yuǎn)小于聲速的30%，帆翼外圍的流場(chǎng)可以假設(shè)為是定常、不可壓縮的流場(chǎng)，F(xiàn)luent的作用相當(dāng)于1個(gè)模擬風(fēng)洞的作用。獲得流場(chǎng)的壓力分布后，F(xiàn)luent會(huì)對(duì)翼型表面的壓力和剪切應(yīng)力進(jìn)行積分，以獲得帆翼空氣動(dòng)力性能，從而得到該流場(chǎng)下的帆翼升力、阻力和力矩。下面說明風(fēng)帆的數(shù)值模擬計(jì)算過程：

1)用GAMBIT建立幾何模型和網(wǎng)格劃分;

2)將網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent軟件中;

3)設(shè)置邊界條件;

4)設(shè)置求解器，選擇粘性模型;

5)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算;

6)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理。

1.1 三維NACA帆翼的計(jì)算結(jié)果

利用Fluent提供的圖形工具可以很方便地對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理，可以很容易地觀察相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果。其中壓力云圖可以清晰地顯示流場(chǎng)中的壓力分布情況以及帆翼表面的壓力分布。2種風(fēng)帆的壓力云圖分別如圖2和圖3所示。

1)升力系數(shù)曲線和阻力系數(shù)曲線

Fluent的計(jì)算結(jié)果中可以得到帆翼的升力系數(shù)和阻力系數(shù)的大小。以升力系數(shù)為縱坐標(biāo)，攻角為橫坐標(biāo)可以得出NACA0006型單帆的升力系數(shù)曲線。以阻力系數(shù)為縱坐標(biāo)，攻角為橫坐標(biāo)可以得出NACA0006型單帆的阻力系數(shù)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(shù)和攻角基本上呈現(xiàn)出正態(tài)分布的關(guān)系，在攻角0°～30°范圍升力系數(shù)上升較快，在30°左右時(shí)升力系數(shù)達(dá)到峰值。從圖5中可以看出阻力系數(shù)隨攻角的增大逐漸增大。

2)帆翼的極曲線和推力系數(shù)曲線

根據(jù)計(jì)算得出的不同攻角的升力系數(shù)和阻力系數(shù)的大小，以阻力系數(shù)為橫坐標(biāo)，升力系數(shù)為縱坐標(biāo)，就可以畫出帆翼的極曲線圖。根據(jù)計(jì)算得出的極曲線圖，可以用做圖法求出不同相對(duì)風(fēng)向角下的最大推力系數(shù)。最大推力曲線反映了在不同的航向角時(shí)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(shù)曲線如圖7所示。

3)計(jì)算結(jié)果分析

從上文的計(jì)算結(jié)果可以得出NACA0006型風(fēng)帆和圓弧型風(fēng)帆的空氣動(dòng)力性能有很大的不同。為了選擇合適的風(fēng)帆，以獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益，將2種帆型的推力系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示。從圖中可以看出，除了在小的相對(duì)風(fēng)向角NACA0006型風(fēng)帆的推力系數(shù)大于圓弧型風(fēng)帆，在很大的相對(duì)風(fēng)向角下，圓弧型風(fēng)帆的推力系數(shù)遠(yuǎn)大于NACA0006型風(fēng)帆，所以選用圓弧型風(fēng)帆作為漁船的輔助風(fēng)帆將獲得更大的經(jīng)濟(jì)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(fēng)帆結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，價(jià)格便宜，而且收放風(fēng)帆也很方便，容易在很多漁船上推廣，故本文將計(jì)算安裝圓弧型風(fēng)帆后魷魚釣船的經(jīng)濟(jì)效益。

1.2 圓弧型雙帆的計(jì)算結(jié)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(huì)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(fēng)帆的雙帆模型，不考慮船體和桅桿的影響，計(jì)算雙帆的空氣動(dòng)力性能，從而對(duì)雙帆的互相影響進(jìn)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(jīng)濟(jì)方便，而且對(duì)助推的效果影響不大。本文建立的圓弧型雙帆的模型，計(jì)算風(fēng)速為15 m/s。為了使單帆和雙帆的計(jì)算結(jié)果對(duì)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(shù)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(duì)風(fēng)向角內(nèi)，單帆的推力系數(shù)大于雙帆的推力系數(shù)，所以雙帆之間的干擾是不利的。不過雙帆的推力系數(shù)只是比單帆時(shí)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(chǎn)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(xiàn)在100°～120°相對(duì)風(fēng)向角內(nèi)，雙帆的峰值比單帆有所推遲。過了峰值以后雙帆的推進(jìn)系數(shù)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(fēng)性能較差。為了提高雙帆順風(fēng)時(shí)的推力系數(shù)以獲得最大的節(jié)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(dāng)只有風(fēng)帆提供推力時(shí)，由船舶的受力情況可知帆產(chǎn)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(duì)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(shí)風(fēng)帆提供的推力;Tzh為直航時(shí)風(fēng)帆提供的推力。假設(shè)在順風(fēng)時(shí)取偏航角20°，從圖9可知，雙帆相對(duì)風(fēng)向角 θ=160°與180°下的推力系數(shù)之比為1.236。

計(jì)算結(jié)果可知偏航有效航速比直航快了4.46%。

2 風(fēng)帆助航對(duì)魷魚釣船穩(wěn)性的影響

魷魚釣船安裝風(fēng)帆必對(duì)其穩(wěn)性產(chǎn)生影響，本文研究的魷魚釣船屬于遠(yuǎn)洋型雙甲板船，航區(qū)為遠(yuǎn)海航區(qū)，航行于國際水域。所以參照IMO A．749(18)決議《關(guān)于IMO文件包括所有船舶的完整穩(wěn)性規(guī)則》中關(guān)于穩(wěn)性的規(guī)定，對(duì)魷魚釣船加裝風(fēng)帆后穩(wěn)性的影響進(jìn)行探究。

2.1 IMO規(guī)定的船舶穩(wěn)性衡準(zhǔn)

1)橫傾角30°時(shí)動(dòng)穩(wěn)性力臂不小于0.055 mrad。

2)橫傾角40°或進(jìn)水角φf(若φf＜40°)時(shí)動(dòng)穩(wěn)性力臂不小于0.09 mrad。

3)橫傾角30°與40°時(shí)動(dòng)穩(wěn)性力臂的插值或30°與φf(若φf＜40°)動(dòng)穩(wěn)性力臂的差值不小于0.03 mrad。

4)橫傾角等于或大于30°處復(fù)原力臂最大值至少為0.2 m。

5)最大復(fù)原力臂的對(duì)應(yīng)角最好大于30°，并不小于 25°。

6)經(jīng)自由液面修正初穩(wěn)性高不應(yīng)小于0.15 m。

7)突風(fēng)和橫搖衡準(zhǔn)(氣象衡準(zhǔn))K應(yīng)不小于1.0。K=b/a，因此K值的計(jì)算實(shí)際上是圖11中的a及b的計(jì)算。

圖11 穩(wěn)性衡準(zhǔn)Fig.11 Stability check

IMO對(duì)本文魷魚釣船的特殊衡準(zhǔn)如下：

1)魷魚釣船長大于24 m的單甲板漁船，其初穩(wěn)性高度應(yīng)不小于0.35 m。

2)魷魚釣船長大于45 m的應(yīng)滿足氣象衡準(zhǔn)要求。

根據(jù)IMO規(guī)范，氣象衡準(zhǔn)數(shù)K=b/a≥1。

根據(jù)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(jié)冰空載到港(燃油、淡水、食品等10%)。

2.2 穩(wěn)性衡準(zhǔn)結(jié)果

利用COMPASSS軟件對(duì)魷魚釣船裝帆前和裝帆后2種情況進(jìn)行穩(wěn)性校核，核算結(jié)果如表1所示。魷魚釣船安裝風(fēng)帆前，船舶的各個(gè)載況都能滿足要求，而且氣象衡準(zhǔn)數(shù)有較大富余。

表1 魷魚釣船的氣象橫準(zhǔn)數(shù)校核結(jié)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(shí)船舶的重心較高，氣象衡準(zhǔn)數(shù)較小，如果遇到突風(fēng)將很危險(xiǎn)。但魷魚釣船有其特殊性，就是在捕魚中載況時(shí)，船舶是不航行的，所以這時(shí)候也沒必要張帆。魷魚釣船在捕魚載況時(shí)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(fēng)帆后的穩(wěn)性是能滿足IMO穩(wěn)性相關(guān)規(guī)定的。

3 風(fēng)帆助航船經(jīng)濟(jì)性分析

風(fēng)帆助航漁船的動(dòng)力有主機(jī)功率傳遞到螺旋槳產(chǎn)生的推力和風(fēng)作用在風(fēng)帆上產(chǎn)生的推力。風(fēng)帆所產(chǎn)生的推力起輔助推力作用。船舶風(fēng)帆助航航行時(shí)，主機(jī)功率和風(fēng)帆功率的不同配合可以產(chǎn)生多種航行模式。現(xiàn)代風(fēng)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(jī)油耗率和功率近似成正比例關(guān)系，船舶航速和主機(jī)功率近似成立方關(guān)系。故通過降低主機(jī)功率的定速航行模式，對(duì)減少主機(jī)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(shí)所需主機(jī)功率的大小和有帆時(shí)的主機(jī)功率的大小，可以得到裝帆后定速航行主機(jī)功率的減小值。根據(jù)上文的計(jì)算結(jié)果可以求出風(fēng)帆所產(chǎn)生的推力Ts，風(fēng)帆產(chǎn)生的功率Ps，進(jìn)而可以得到能夠節(jié)省的主機(jī)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(jì)算結(jié)果顯示圓弧型風(fēng)帆能提供更大的推力，因此，要計(jì)算魷魚釣船上裝2面圓弧型風(fēng)帆時(shí)風(fēng)帆所能提供的功率。假設(shè)船舶航行時(shí)的相對(duì)風(fēng)向角為100°，相對(duì)風(fēng)速大小為15 m/s。這時(shí)風(fēng)帆的推力系數(shù)Cx=1.680 4。魷魚釣船無帆，以設(shè)計(jì)航速航行時(shí)，主機(jī)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(jī)節(jié)省的功率為：

本文的計(jì)算結(jié)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(duì)風(fēng)向和大小是經(jīng)常變化的，并不是一個(gè)恒定值，考慮這些因素要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)風(fēng)帆助推節(jié)能效果是很困難的。為了考慮這些因素，本文增加1個(gè)70%的系數(shù)，安裝圓弧型雙帆的魷魚釣船節(jié)省的主機(jī)功率為20.72%。如果想更準(zhǔn)確估算出節(jié)能效果，可以根據(jù)航區(qū)的氣象統(tǒng)計(jì)資料、出航時(shí)間和航線資料，然后采用平均風(fēng)速和風(fēng)向的方法近似估算風(fēng)帆的推力功率。

1)風(fēng)帆助航系統(tǒng)的節(jié)油估算

魷魚釣船無帆狀態(tài)航行時(shí)，柴油機(jī)功率為主機(jī)額定功率的90%。根據(jù)魷魚釣船使用的G6300ZC10B型柴油機(jī)的燃油消耗率曲線讀出此時(shí)主機(jī)單位耗油量g1=208.5 g/kW·h;魷魚釣船風(fēng)帆助航時(shí)，風(fēng)帆節(jié)能效果很難準(zhǔn)確估算。假設(shè)風(fēng)帆僅提供20%推力功率，這時(shí)主機(jī)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(shí)主機(jī)的單位耗油量g2=209.5 g/kW·h。

以每年150個(gè)用帆航行日計(jì)算，可以計(jì)算出每年節(jié)油量：

可見魷魚釣船風(fēng)帆提供20%的推力功率，一年可以節(jié)約近128.67 t的燃油，風(fēng)帆助航系統(tǒng)在節(jié)省燃料方面意義重大。

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

2)CO2排放量的減少

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

4 結(jié)語

隨著石油資源的枯竭和人類環(huán)保意識(shí)的提高，風(fēng)帆助航船作為一種能有效降低燃油消耗和廢氣排放的節(jié)能船型，必將受到航運(yùn)界的重視。本文正是在這個(gè)背景下對(duì)風(fēng)帆助航漁船的技術(shù)可行性做了一些研究。通過本文的研究得出以下結(jié)論：

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

2)選擇合適的風(fēng)帆面積和合理操縱風(fēng)帆，風(fēng)帆助航漁船的穩(wěn)性能滿足相關(guān)規(guī)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(fēng)帆后一年能節(jié)約128 t燃油，也能減少404 t二氧化碳排放。所以風(fēng)帆助航漁船具有較好的經(jīng)濟(jì)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?yàn)轱L(fēng)帆助航船舶及船舶輪機(jī)設(shè)計(jì)。