“育明”輪風(fēng)帆助航經(jīng)濟(jì)性分析

李嫣妍, 胡以懷, 李志球

(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院， 上海 201306)

“育明”輪風(fēng)帆助航經(jīng)濟(jì)性分析

李嫣妍, 胡以懷, 李志球

(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院， 上海 201306)

為“育明輪”擬安裝四個(gè)圓弧型風(fēng)帆，并借助流體動(dòng)力軟件Fluent，建立圓弧型風(fēng)帆模型，并分析其空氣動(dòng)力特性，得出風(fēng)帆的升力/阻力系數(shù)以及最優(yōu)操帆曲線。另外，采用初步估算方法，分析“育明輪”加裝風(fēng)帆對(duì)主機(jī)耗油和CO2排放方面的影響，結(jié)果表明“育明輪”采用風(fēng)帆助航技術(shù)，具有很好的環(huán)保與經(jīng)濟(jì)效益。

圓弧型風(fēng)帆 空氣動(dòng)力特性 減排 經(jīng)濟(jì)效益

1 前言

在全球經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的今天，世界物資運(yùn)輸所需要的船舶數(shù)量愈來(lái)愈多，隨之而來(lái)的船舶排放廢棄物對(duì)環(huán)境的污染也日趨嚴(yán)重[1]，“綠色船舶”已成為未來(lái)船舶發(fā)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(fēng)能是一種無(wú)污染的可再生資源。大型風(fēng)帆助航船舶在節(jié)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(duì)較少，艙蓋之間有足夠?qū)挼募装迕娣e用來(lái)布置風(fēng)帆的底座和桅桿，并可在保證結(jié)構(gòu)安全和足夠穩(wěn)性的前提下，選取風(fēng)帆的最大面積[3]。本文以上海海事大學(xué)教學(xué)實(shí)習(xí)船“育明”輪為研究對(duì)象，對(duì)其擬安裝圓弧型風(fēng)帆后的節(jié)能效果進(jìn)行分析。該船的主要參數(shù)如表1所示。

表1 “育明”主要參數(shù)

2 風(fēng)帆主要參數(shù)的確定

“育明”輪為遠(yuǎn)洋散貨船，航行于世界各地，因此其風(fēng)帆的高度除滿足穩(wěn)性之外，還必須滿足《通航海船橋梁通航標(biāo)準(zhǔn)》[4]的要求。根據(jù)文獻(xiàn)[5]中凈空高度計(jì)算公式，本文將風(fēng)帆高度取為30 m，滿足相關(guān)規(guī)范要求。

研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)風(fēng)帆的寬度占船舶的最大寬度的0.9倍左右時(shí)可達(dá)到最佳節(jié)能效率[3]。同時(shí)為了減少風(fēng)帆間相互干擾，必須對(duì)風(fēng)帆的寬度進(jìn)行限制，因此將風(fēng)帆弦長(zhǎng)定為20 m。

該船有五個(gè)貨艙，如圖1所示。為了充分利用風(fēng)力，設(shè)置了兩排，共八個(gè)風(fēng)帆。另外，在上海市科委資助下，上海海事大學(xué)風(fēng)洞試驗(yàn)小組利用同濟(jì)大學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室TJ-1號(hào)風(fēng)洞對(duì)多種圓弧型帆進(jìn)行動(dòng)力性能研究，發(fā)現(xiàn)風(fēng)帆的空氣動(dòng)力性能受拱度比的影響不大，因此本文設(shè)計(jì)的風(fēng)帆拱度比取為常用的0.10。

圖1 風(fēng)帆布置情況

3 圓弧型風(fēng)帆流體動(dòng)力分析

利用Fluent軟件，建立風(fēng)帆模型，從而對(duì)風(fēng)力影響下圓弧型風(fēng)帆的流體動(dòng)力特性進(jìn)行數(shù)值分析，邊界條件設(shè)置參考文獻(xiàn)[6]。表2為fluent計(jì)算結(jié)果。

表2 fluent計(jì)算結(jié)果

4 計(jì)算結(jié)果分析

按照機(jī)翼理論，風(fēng)帆的氣動(dòng)力被分解為升力L、阻力D，升力的方向垂直于來(lái)流，阻力的方向沿來(lái)流方向。一般用升力系數(shù)Cl和阻力系數(shù)Cd表示。風(fēng)帆受力如圖2所示。

圖2 風(fēng)帆受力圖

根據(jù)表2繪制Cl-Cd曲線圖，如圖3所示。在風(fēng)力攻角從0°增大到90°的過程中，風(fēng)帆阻力系數(shù)逐漸增大；而升力系數(shù)則不同，小攻角時(shí)升力系數(shù)隨著攻角增加而增加，在攻角約為35°時(shí)升力達(dá)到最大值，且大于阻力系數(shù)，有利于推動(dòng)船舶前進(jìn)。

圖3 Cl-Cd曲線

但該風(fēng)帆的最大推力并非是在攻角35°時(shí)達(dá)到的，這是因?yàn)轱L(fēng)帆推力是由風(fēng)帆升力和阻力共同組成的，根據(jù)圖2可得出關(guān)系：

(1)

因此，在實(shí)際航行過程中為了使風(fēng)帆的推力系數(shù)達(dá)到最大，必須求出最佳帆角βopt，使船獲得當(dāng)前風(fēng)速、風(fēng)向情況下的最大推力，最佳帆角的確定方法參考文獻(xiàn)[7]?！坝鬏啞北碛^風(fēng)向角θA與最佳帆角βopt的關(guān)系如圖4所示。

圖4 表觀風(fēng)向角θA與最佳帆角βopt的關(guān)系

5 風(fēng)帆助航節(jié)能效益估算

“育明輪”航行于中國(guó)東部沿海和東南亞沿海海域，典型的航線為新加坡—上?！?，該海域內(nèi)的風(fēng)速和風(fēng)向基本保持穩(wěn)定，可利用的風(fēng)速大約在5～15m/s。選用定航速模式，此時(shí)風(fēng)帆施加給船體的功率等于主機(jī)減少的功率[8]。文獻(xiàn)[9]給出了具體的功率增益計(jì)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(jiǎn)化式[10]：

(2)

式中：T為風(fēng)帆推力(N)；VS為船速(m/s)；η為船舶推進(jìn)系數(shù)。通過上式可計(jì)算在加裝單個(gè)面積為S的風(fēng)帆時(shí)可節(jié)省的功率，則安裝N個(gè)風(fēng)帆時(shí)節(jié)省功率百分比為

(3)

假設(shè)“育明輪”以服務(wù)航速 13.9kn(7.15m/s)的速度航行于風(fēng)速為10m/s，風(fēng)向角為 50°的航區(qū)內(nèi)。由于漂角很小，表觀風(fēng)速可化簡(jiǎn)為[9]

因此，VA=15.6m/s。根據(jù)圖2，利用三角形余弦定理，可知此時(shí)θA=30°，對(duì)應(yīng)圖4中的曲線，將風(fēng)帆轉(zhuǎn)至最佳帆向角15°(此時(shí)αopt=15°)，對(duì)應(yīng)表2，求得此時(shí)風(fēng)帆推力系數(shù)：

從而求得風(fēng)帆推力：

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

表3 不同風(fēng)速下節(jié)省功率百分比

5.1 節(jié)油估算

沒有加裝風(fēng)帆時(shí)，船舶航行的主機(jī)功率為(85%SMCR)7 153 kW，每天耗油29.57 t；加裝風(fēng)帆后，根據(jù)表3，當(dāng)風(fēng)速分別為5 m/s、10 m/s、15 m/s時(shí)，風(fēng)帆最高可提供5.2%、27.1%、69.4%的功率。以節(jié)省27.1%功率為例，每天節(jié)省燃油8.0 t。則每年可節(jié)省的油量為1 603 t(按每年用帆航行200天計(jì)算)?？梢姡L(fēng)帆助航技術(shù)在節(jié)省燃料方面意義重大。

5.2 CO2減排

二氧化碳?xì)怏w是造成溫室效應(yīng)的主要因素，對(duì)人類生活環(huán)境存在巨大的影響。船舶運(yùn)輸業(yè)排放的CO2氣體約占全球總排放量的2.7%。國(guó)際海事組織(IMO)在第23屆外交大會(huì)上，通過了963號(hào)決議，提出減少來(lái)自船舶溫室氣體排放的方針和行動(dòng)計(jì)劃，國(guó)際海事組織也在2005年公布了《防止船舶造成大氣污染規(guī)則》?？梢?，減少船舶CO2排放迫在眉睫。

船用柴油機(jī)燃燒的重油主要成分是碳?xì)浠衔?，其燃燒過程的主要化學(xué)方程式[8]為

2CnH2n+3nO2=2nCO2+2nH2O

CO2的分子量GCO2=44，GCH2=14，因此，當(dāng)每年節(jié)省燃油1 603 t時(shí)CO2排放相應(yīng)減少：

=44×1 039÷14=5 038 t

6 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)以上分析可以確定，“育明輪”采用風(fēng)帆助航技術(shù)，不僅可取得可觀的經(jīng)濟(jì)效益，還可以有效降低溫室氣體CO2的排放量，無(wú)論從經(jīng)濟(jì)還是環(huán)保方面，都是可行的。但是，需要指出以下幾點(diǎn)：

(1) 本文中風(fēng)帆的安裝位置只鑒于充分利用風(fēng)能，并未考慮風(fēng)帆間的干擾。實(shí)際應(yīng)用中，風(fēng)帆安裝位置以及帆間距還需針對(duì)目標(biāo)船舶進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

(2) 加裝風(fēng)帆會(huì)引起船舶橫傾、偏航，但本文計(jì)算結(jié)果沒有考慮偏航引起的船舶阻力增加。只是簡(jiǎn)單地考慮風(fēng)帆推力。

[][]

(3) 本文僅對(duì)風(fēng)速風(fēng)向一定的情況下，主機(jī)輸出功率降低的效益進(jìn)行計(jì)算。然而，海上的風(fēng)速風(fēng)向是變化的。因此，需要根據(jù)某一航線所跨越的幾個(gè)海區(qū)的氣象統(tǒng)計(jì)資料，求得單個(gè)海區(qū)內(nèi)的功率增益值，最后根據(jù)其所占整個(gè)航線距離的百分比，加權(quán)后累加得出總功率增益。

[1] 吳新憲.太陽(yáng)能和風(fēng)能在船舶上的應(yīng)用分析[D].武漢:武漢理工大學(xué),2010.

[2] 孟維明,趙俊豪,黃連忠.風(fēng)帆助航節(jié)能船的應(yīng)用前景[J]. 船舶,2009,4:1-3.

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

[4] 交通部.通航海輪橋梁通航標(biāo)準(zhǔn)[M].北京:中華人民共和國(guó)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(xué)學(xué)報(bào)，2004，30(4):27-33.

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

[7] 施潤(rùn)華.風(fēng)帆助航實(shí)船推進(jìn)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(fēng)帆助航船舶綜合節(jié)能減排潛力分析[J].大連海事大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，1：27-30.

[9] 張仁頤.風(fēng)帆助航節(jié)能船經(jīng)濟(jì)可行性探討[J].船舶工程，1984，5：39-45，32.

[10] 于小虎.風(fēng)帆助航節(jié)能應(yīng)用研究[D].大連：大連海事大學(xué),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(yuǎn)洋船舶風(fēng)帆助航應(yīng)用研究”項(xiàng)目(上?？莆攸c(diǎn)項(xiàng)目編號(hào)：08210511800)。

李嫣妍(1991-)，女，碩士研究生。

U662

A