风帆助航渔船的稳性及经济性分析

苏朝君，马 坤，2

(1．大连理工大学 船舶CAD工程中心，辽宁 大连 116024;2．大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁 大连 116024)

风帆助航渔船的稳性及经济性分析

苏朝君1，马 坤1，2

(1．大连理工大学 船舶CAD工程中心，辽宁 大连 116024;2．大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁 大连 116024)

风帆助航是船舶节能减排的重要途径。本文以1条鱿鱼钓船作为研究对象，根据该船的特点选择NACA0006型帆和圆弧型帆作为辅助风帆，然后利用Fluent软件建立所选风帆模型，对这2种风帆的空气动力性能进行数值模拟计算。根据软件的计算结果估算风帆助航时鱿鱼钓船的每年节油量以及所减少的二氧化碳排放量。通过对风帆助航鱿鱼钓船的稳性进行计算分析，可以确定只要合理地安装和操作风帆，风帆助航渔船是能满足稳性要求的。

风帆助航;鱿鱼钓船;数值模拟;稳性;经济性

0 引言

随着世界石油资源的日益枯竭和国际油价飞涨，船舶的燃油费用在航运成本中所占的比例越来越高。此外，船舶一般使用的是重油，成分复杂，燃烧产物中有害物质多，航运产生的废气排放对环境的污染已经到了不能忽视的地步。各国对船舶节能减排越来越重视，生产满足要求的“绿色”船舶，已经迫在眉睫，而在船舶上使用新能源代替石油燃料，引起了航运界和造船界高度关注。风帆助航船作为一种依靠风能辅助推进的船舶，能有效降低船舶燃油消耗和废气排放，成为研究新能源船舶的一个亮点，目前已有多个国家的研究成果证实风帆助航是一种行之有效的方法，本文将对渔船的风帆助航技术进行初步探索。

为了更好地探索风帆助航渔船的经济效益，本文选择了某远洋鱿鱼钓船作为研究的对象船。该船的长宽比较小，设计航速较低，而且该船甲板机械比一般拖网渔船要少，故在其上安装风帆预计能取得比较好的效果，安全性也比较容易满足要求。

1 三维帆翼的数值模拟计算

风帆的空气动力性能主要包括升力特性、阻力特性、推力特性、侧向力特性以及横倾力矩特性等。这些性能与风速、风向、风帆的形状、船体的上层建筑等有密切的关系。风帆的空气动力性能可以通过理论计算或者实验来确定，计算结果可以用升力曲线、阻力曲线、最佳操帆曲线、推力曲线、风压中心曲线等表示。对于风帆来说，作用于其上的有效风力是相对于船速的相对风速。真实风速、船速和相对风速的关系如图1所示。

图1的风帆速度三角形中，相对风向与帆翼弦向的夹角称为帆向角α，也称为帆的攻角。相对风向与船的航向之间的夹角称为相对风向角θ，也称为航向角。帆向与船的航向之间的夹角称为帆位角φ。相对风速对风帆的作用力可以分解为与相对风向相同的阻力D、与相对风向垂直的升力L及倾覆力矩M三部分。

本文所选鱿鱼钓船的主尺度为：

总 长：Loa 64 m

垂线间长：Lpp 57 m

型 宽：B 9.5 m

型 深：D 6.4 m

设计吃水：T 3.6 m

本文计算的帆翼剖面形状为NACA0006标准翼型和拱度比为1.4的圆弧型，弦长为8 m，高为12 m。计算风速为15 m/s，计算攻角分别为 0°，10°，20°，30°，40°，50°，60°，70°，80°和90°。分别计算了NACA0006型单帆和圆弧型单帆、双帆情况的空气动力性能，计算中不计桅杆和船体的影响。GAMBIT按帆翼实际尺寸建模。由于计算风速远小于声速的30%，帆翼外围的流场可以假设为是定常、不可压缩的流场，Fluent的作用相当于1个模拟风洞的作用。获得流场的压力分布后，Fluent会对翼型表面的压力和剪切应力进行积分，以获得帆翼空气动力性能，从而得到该流场下的帆翼升力、阻力和力矩。下面说明风帆的数值模拟计算过程：

1)用GAMBIT建立几何模型和网格划分;

2)将网格导入Fluent软件中;

3)设置边界条件;

4)设置求解器，选择粘性模型;

5)进行数值模拟计算;

6)对计算结果进行后处理。

1.1 三维NACA帆翼的计算结果

利用Fluent提供的图形工具可以很方便地对计算结果进行后处理，可以很容易地观察相应的计算结果。其中压力云图可以清晰地显示流场中的压力分布情况以及帆翼表面的压力分布。2种风帆的压力云图分别如图2和图3所示。

1)升力系数曲线和阻力系数曲线

Fluent的计算结果中可以得到帆翼的升力系数和阻力系数的大小。以升力系数为纵坐标，攻角为横坐标可以得出NACA0006型单帆的升力系数曲线。以阻力系数为纵坐标，攻角为横坐标可以得出NACA0006型单帆的阻力系数曲线。如图4和图5所示。

从图4中可以看出NACA0006帆翼的升力系数和攻角基本上呈现出正态分布的关系，在攻角0°～30°范围升力系数上升较快，在30°左右时升力系数达到峰值。从图5中可以看出阻力系数随攻角的增大逐渐增大。

2)帆翼的极曲线和推力系数曲线

根据计算得出的不同攻角的升力系数和阻力系数的大小，以阻力系数为横坐标，升力系数为纵坐标，就可以画出帆翼的极曲线图。根据计算得出的极曲线图，可以用做图法求出不同相对风向角下的最大推力系数。最大推力曲线反映了在不同的航向角时所得到的最大推力。NACA0006型单帆和圆弧型单帆的极曲线如图6所示，最大推力系数曲线如图7所示。

3)计算结果分析

从上文的计算结果可以得出NACA0006型风帆和圆弧型风帆的空气动力性能有很大的不同。为了选择合适的风帆，以获得最大的经济效益，将2种帆型的推力系数进行对比，如图7所示。从图中可以看出，除了在小的相对风向角NACA0006型风帆的推力系数大于圆弧型风帆，在很大的相对风向角下，圆弧型风帆的推力系数远大于NACA0006型风帆，所以选用圆弧型风帆作为渔船的辅助风帆将获得更大的经济效益。在鱿鱼钓这种渔船中，采用圆弧型骨架覆盖尼龙帆布而成的硬帆是合适的，这种风帆结构简单，重量轻，价格便宜，而且收放风帆也很方便，容易在很多渔船上推广，故本文将计算安装圆弧型风帆后鱿鱼钓船的经济效益。

1.2 圆弧型双帆的计算结果

为了增大鱿鱼钓船装帆面积必须采用双帆或者多帆，这必定会存在帆与帆之间的互相影响。研究这种影响是否有利的理论方法还不是很成熟。本文通过GAMBIT建立圆弧型风帆的双帆模型，不考虑船体和桅杆的影响，计算双帆的空气动力性能，从而对双帆的互相影响进行研究。由于双帆间的距离较大，双帆的帆位角相同是比较好的，这样不仅经济方便，而且对助推的效果影响不大。本文建立的圆弧型双帆的模型，计算风速为15 m/s。为了使单帆和双帆的计算结果对比更清晰，本文将圆弧型单帆与双帆的极曲线和最大推力系数曲线画在同一张图上，如图8和图9所示。

从图9中可以看出，在所有的相对风向角内，单帆的推力系数大于双帆的推力系数，所以双帆之间的干扰是不利的。不过双帆的推力系数只是比单帆时略小，双帆的互相影响不大。但是双帆的帆面积是单帆的2倍，所以双帆所产生的推力比单帆要大得多。

双帆和单帆的峰值基本上都出现在100°～120°相对风向角内，双帆的峰值比单帆有所推迟。过了峰值以后双帆的推进系数下降很快，单帆下降比较平缓。从曲线中可以看出双帆的顺风性能较差。为了提高双帆顺风时的推力系数以获得最大的节能效果，在条件允许的情况下可以采用Z字形航线。Z字形航线的推力效果分析如下：

当只有风帆提供推力时，由船舶的受力情况可知帆产生的推力Tf等于船舶的总阻力Dc，即：

本船为低速船，阻力和速度的平方成正比，即：

图10 Z形航线Fig.10 Z－shaped shiping line

若以偏航航行的速度在直线上的投影来表示Z形航线的效益，则偏航与直航之间的效益对比可以用公式表示。

式中：Vyx为有效速率;Vzh为直航速率;Vph为偏航速率;β为偏航角;Tph为偏航时风帆提供的推力;Tzh为直航时风帆提供的推力。假设在顺风时取偏航角20°，从图9可知，双帆相对风向角 θ=160°与180°下的推力系数之比为1.236。

计算结果可知偏航有效航速比直航快了4.46%。

2 风帆助航对鱿鱼钓船稳性的影响

鱿鱼钓船安装风帆必对其稳性产生影响，本文研究的鱿鱼钓船属于远洋型双甲板船，航区为远海航区，航行于国际水域。所以参照IMO A．749(18)决议《关于IMO文件包括所有船舶的完整稳性规则》中关于稳性的规定，对鱿鱼钓船加装风帆后稳性的影响进行探究。

2.1 IMO规定的船舶稳性衡准

1)横倾角30°时动稳性力臂不小于0.055 mrad。

2)横倾角40°或进水角φf(若φf＜40°)时动稳性力臂不小于0.09 mrad。

3)横倾角30°与40°时动稳性力臂的插值或30°与φf(若φf＜40°)动稳性力臂的差值不小于0.03 mrad。

4)横倾角等于或大于30°处复原力臂最大值至少为0.2 m。

5)最大复原力臂的对应角最好大于30°，并不小于 25°。

6)经自由液面修正初稳性高不应小于0.15 m。

7)突风和横摇衡准(气象衡准)K应不小于1.0。K=b/a，因此K值的计算实际上是图11中的a及b的计算。

图11 稳性衡准Fig.11 Stability check

IMO对本文鱿鱼钓船的特殊衡准如下：

1)鱿鱼钓船长大于24 m的单甲板渔船，其初稳性高度应不小于0.35 m。

2)鱿鱼钓船长大于45 m的应满足气象衡准要求。

根据IMO规范，气象衡准数K=b/a≥1。

根据IMO要求，主要核算以下几种载况：

1)满载出港(燃油、淡水、食品等100%);

2)捕鱼中(燃油、淡水、食品等70%);

3)满载返港(渔货100%，燃油、淡水、食品等30%);

4)满载到港(渔货100%，燃油、淡水、食品等10%);

5)半载到港(渔货60%，燃油、淡水、食品等10%);

6)空载到港(燃油、淡水、食品等10%);

7)结冰空载到港(燃油、淡水、食品等10%)。

2.2 稳性衡准结果

利用COMPASSS软件对鱿鱼钓船装帆前和装帆后2种情况进行稳性校核，核算结果如表1所示。鱿鱼钓船安装风帆前，船舶的各个载况都能满足要求，而且气象衡准数有较大富余。

表1 鱿鱼钓船的气象横准数校核结果Tab．1 Squid fishing vessel stability check results

鱿鱼钓船装帆以后只有捕鱼中载况不满足要求。在这种载况时船舶的重心较高，气象衡准数较小，如果遇到突风将很危险。但鱿鱼钓船有其特殊性，就是在捕鱼中载况时，船舶是不航行的，所以这时候也没必要张帆。鱿鱼钓船在捕鱼载况时可以收帆或者降帆，只要留一定的帆面积用于定位船舶，代替一般鱿鱼钓船尾帆的作用。通过以上分析鱿鱼钓船安装风帆后的稳性是能满足IMO稳性相关规定的。

3 风帆助航船经济性分析

风帆助航渔船的动力有主机功率传递到螺旋桨产生的推力和风作用在风帆上产生的推力。风帆所产生的推力起辅助推力作用。船舶风帆助航航行时，主机功率和风帆功率的不同配合可以产生多种航行模式。现代风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种。船舶主机油耗率和功率近似成正比例关系，船舶航速和主机功率近似成立方关系。故通过降低主机功率的定速航行模式，对减少主机的燃油消耗效果比较明显。所以本文选择定速航行模式。

求解无帆航行时所需主机功率的大小和有帆时的主机功率的大小，可以得到装帆后定速航行主机功率的减小值。根据上文的计算结果可以求出风帆所产生的推力Ts，风帆产生的功率Ps，进而可以得到能够节省的主机功率ΔP。公式如下所示：

一般的小型船舶装圆弧型帆的成本较低，而且操作方便。上文中的计算结果显示圆弧型风帆能提供更大的推力，因此，要计算鱿鱼钓船上装2面圆弧型风帆时风帆所能提供的功率。假设船舶航行时的相对风向角为100°，相对风速大小为15 m/s。这时风帆的推力系数Cx=1.680 4。鱿鱼钓船无帆，以设计航速航行时，主机的功率为额定功率的90%，航速为 11.5 kn(5.916 m/s)，空气密度为 1.205 kg/m3，所以主机节省的功率为：

本文的计算结果没有考虑由于船舶偏航所引起的船舶阻力增加，此外相对风向和大小是经常变化的，并不是一个恒定值，考虑这些因素要准确预测风帆助推节能效果是很困难的。为了考虑这些因素，本文增加1个70%的系数，安装圆弧型双帆的鱿鱼钓船节省的主机功率为20.72%。如果想更准确估算出节能效果，可以根据航区的气象统计资料、出航时间和航线资料，然后采用平均风速和风向的方法近似估算风帆的推力功率。

1)风帆助航系统的节油估算

鱿鱼钓船无帆状态航行时，柴油机功率为主机额定功率的90%。根据鱿鱼钓船使用的G6300ZC10B型柴油机的燃油消耗率曲线读出此时主机单位耗油量g1=208.5 g/kW·h;鱿鱼钓船风帆助航时，风帆节能效果很难准确估算。假设风帆仅提供20%推力功率，这时主机功率将由90%NMCR值近似下降到72%NMCR值，从燃油消耗率曲线图中查出此时主机的单位耗油量g2=209.5 g/kW·h。

以每年150个用帆航行日计算，可以计算出每年节油量：

可见鱿鱼钓船风帆提供20%的推力功率，一年可以节约近128.67 t的燃油，风帆助航系统在节省燃料方面意义重大。

图12 G6300ZC10B型柴油机的燃油消耗率曲线Fig.12 G6300ZC10B engine fuel consumption curve

2)CO2排放量的减少

风帆助航减少了船舶的燃油消耗，相应地也减少了CO2的排放量。燃油燃烧化学反应方程式为2CnH2n+3nO2=2nCO2+2nH2O。通过该式计算可以得到，每年节约128 t燃油所减少的CO2排放量为404 t。由此可见，风帆助航具有明显的减排效果。

4 结语

随着石油资源的枯竭和人类环保意识的提高，风帆助航船作为一种能有效降低燃油消耗和废气排放的节能船型，必将受到航运界的重视。本文正是在这个背景下对风帆助航渔船的技术可行性做了一些研究。通过本文的研究得出以下结论：

1)在风帆面积相同的情况下，圆弧型风帆比NACA0006型风帆能提供更大的推力，适合安装在渔船上。

2)选择合适的风帆面积和合理操纵风帆，风帆助航渔船的稳性能满足相关规范的要求。船舶的安全性能得到保证。

3)本文所研究的鱿鱼钓船安装风帆后一年能节约128 t燃油，也能减少404 t二氧化碳排放。所以风帆助航渔船具有较好的经济效益，值得在渔船上推广。

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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

苏朝君(1985－)，男，硕士研究生，主要研究方向为风帆助航船舶及船舶轮机设计。