不同形狀風(fēng)帆的風(fēng)洞試驗(yàn)

1、不同形狀風(fēng)帆的風(fēng)洞試驗(yàn)Wind tunnel test on sails with different shapeZENG Xiangming, HU Yihuai, WANG Youcong（Merchant Marine College, Shanghai Maritime Univ., Shanghai 201306, China）： In order to research the sail-assisted navigation, six sails with different shapes are chosen for wind tunnel test in the low ve

2、locity wind tunnel of a university, and the aerodynamic characteristic data of the sails are obtained. The result shows that the arc wing sail has excellent aerodynamic performance, and is easy to operate, and therefore is more suitable for installing on modern large ships.0 引 言世界石油、 煤炭和天然氣等不可再生能源的日

3、趨短缺以及全球氣候變暖引起人們越來越多的關(guān)注，從京都議定書、巴厘島路線圖到哥本哈根全球氣候大會(huì)， 都充分體現(xiàn)全球各階層對(duì)世界能源和環(huán)境的關(guān)注.2008 年 3 月聯(lián)合國氣候變化談判最終將海、陸、空運(yùn)輸業(yè)納入溫室氣體減排目標(biāo) .2009 年 7 月國際海事組織（IMO）召開的第59次環(huán)保會(huì)議（MEPC 59通過關(guān)于新能效 設(shè)計(jì)指數(shù)（EEDI）、現(xiàn)有船舶能效營運(yùn)指數(shù)（EEOD、船舶能效管理(SEEMP和自愿驗(yàn)證(EEDI)等4個(gè)通函，旨在減少船舶能耗和CO2排放.因此，未來不滿足 EEDI,EEOI和SEEM嚶求的船舶將失去船舶建造市場和運(yùn)輸市場.在船舶運(yùn)輸中 , 風(fēng)能是最容易開發(fā)的可再生能源.

4、要達(dá)到船舶節(jié)能減排的目標(biāo)， 未來的船舶可能會(huì)越來越多地使用風(fēng)帆助航技術(shù) .歷史上用于船舶推進(jìn)的風(fēng)帆形式繁多，有矩形帆、三角帆、轉(zhuǎn)柱帆、 層流形帆、 弧形帆和 SY 形帆等 . 弧形風(fēng)帆的空氣動(dòng)力性能優(yōu)良、制造和操作簡便易行，適合現(xiàn)代船舶 . 2但要挑選出最佳的帆形， 必須對(duì)不同帆形進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)， 以根據(jù)其空氣動(dòng)力性能確定最佳的展弦比和拱度比 . 另外，要實(shí)現(xiàn)有效的操帆，必須使風(fēng)帆操作達(dá)到一定的自動(dòng)化程度， 即控制系統(tǒng)能夠根據(jù)風(fēng)帆本身的空氣動(dòng)力性能以及外界的風(fēng)向、風(fēng)速等信息，發(fā)出張帆、收帆和轉(zhuǎn)帆等指令. 文獻(xiàn)2曾利用船模試驗(yàn)水池，將風(fēng)帆模型倒置于水中 , 利用水流與帆葉的相對(duì)運(yùn)動(dòng)獲得風(fēng)帆的流體動(dòng)

5、力性能 . 本文則直接利用某大學(xué)TJ 1號(hào)低速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室，對(duì)6 種風(fēng)帆模型進(jìn)行靜力五分量的測力試驗(yàn)，測試風(fēng)帆的空氣動(dòng)力性能.試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)?zāi)Ｐ惋L(fēng)洞試驗(yàn)所用的TJ-1邊界層風(fēng)洞是吸入式低速直流風(fēng)洞，其試驗(yàn)段長14 m， 寬 1.8 m， 高 1.8 m， 收縮比 3.56 ， 紊流度ML，MD， CMz表示，它們分別為升力因數(shù)？H?CL=2Lp Sv2(1)? H e 枇 蝴H ?CD=2D Sv2(2)? H？L軸的力矩因數(shù)？H ?CML=2ML Sv2c(3)? H？D軸的力矩因數(shù)？H?CMD=2MDSv2c(4)? H？z軸的力矩因數(shù)？H ?CMz=2MZ Sv2c(5)?n？式(1)(5

6、)中：p為空氣密度；S為風(fēng) 帆面積； v 為風(fēng)速； c 為風(fēng)帆弦長.本次試驗(yàn)首先要解決風(fēng)帆選型問題， 即選出空氣動(dòng)力性能最好的帆型，通常分析對(duì)象為風(fēng)帆的升力因數(shù)CL和阻力因數(shù)CD.圖3和4分別為兩組風(fēng)帆模型的 CL-CD曲線.圖 3 不同展弦比風(fēng)帆的CL-CD曲線圖4不同拱度比風(fēng)帆的CL-CD曲線3 試驗(yàn)結(jié)果分析展弦比的影響從圖3可以看出，風(fēng)帆模型 B的展弦比最小(入=1.25), 其阻力因數(shù)CD也最??；而模型C和D的展弦比較大(分別為1.45 和1.65),其阻力因數(shù)CD都較大.升力因數(shù)CL則隨著展弦比的 增大而減小 .拱度比的影響如圖 4 所示，風(fēng)帆模型 A 的拱度比最小( f=0.10)

7、,其阻力因數(shù)CD最??；而模型C和模型E的拱度比較大(分別為0.12和0.14 ),其阻力因數(shù)CD相對(duì)都較大.開力 因數(shù)CL則是模型C的最大，模型A的最小，沒有出現(xiàn)升力因數(shù) 隨拱度比同步增大的趨勢.其他因素如圖 2 所示，當(dāng)船舶以一定的航速vr 前進(jìn)時(shí)，表觀風(fēng)速v與風(fēng)帆的實(shí)際夾角不是 a.這與試驗(yàn)情圖 5 軟、硬帆的 CL-CD曲線對(duì)比況不同，在實(shí)船應(yīng)用時(shí)須注意.從帆面的材料看，軟、硬帆的阻力因數(shù)CD差不多，在2560之間硬帆比軟帆的升力因數(shù)CL略大，但帆面材料對(duì)船舶的總體影響不大，見圖 5.風(fēng)帆提供的船舶推力計(jì)算從圖 2 可以看出， 僅通過升力因數(shù)和阻力因數(shù)不足以判定風(fēng)帆空氣動(dòng)力性能的優(yōu)劣，

8、應(yīng)將升力因數(shù)和阻力因數(shù)轉(zhuǎn)換為船舶推力因數(shù)和橫向力因數(shù).5假設(shè)風(fēng)向與航向的夾角為6 ,在已知升力因數(shù)CL和阻力因數(shù)CQ且6 一定的情況下，可求得船 舶獲得的推力因數(shù) Cx和橫向力因數(shù) Cy:? H ?Cx=CLsin 8 CDcos e (6)Cy=CLcos 6 CDsin 6 (7) ?H?需要特別指出的是，計(jì)算實(shí)船應(yīng)用中船舶獲得的實(shí)際推力時(shí)， 還必須考慮到轉(zhuǎn)舵平衡橫向力所帶來的附加阻力的增加 , 因而還必須考慮舵的性能. 6 限于篇幅，本文僅討論風(fēng)帆的空氣動(dòng)力性能.通過分析 6 組不同形狀的弧型風(fēng)帆風(fēng)洞試驗(yàn)得出的升力和阻力因數(shù)，得出不同帆型在不同風(fēng)向和航向的夾角e下的最大推力因數(shù)，見圖6.在8 20時(shí)，不論如何調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)帆角，風(fēng)帆產(chǎn)生的推力都是負(fù)的，因此在這種風(fēng)向下，不應(yīng)該掛帆；當(dāng) e在90110之間時(shí)，通過轉(zhuǎn)帆調(diào)節(jié)攻角民（30左右），能產(chǎn)生最大的推力（約為1.3）.綜合比較6種帆型，風(fēng)帆E（硬帆， 展弦比 人=1.45,拱度比f=0.14）在8為20125范圍內(nèi)的 推力因數(shù)較其他帆型大；而風(fēng)帆 F （軟帆，展弦比 人=1.45 ,拱 度比f=0.10）在8為20160范圍內(nèi)的推力因數(shù)最小.圖 6 不同風(fēng)帆最大推力因數(shù)比較4 結(jié) 論在現(xiàn)代大型船舶上使用風(fēng)帆助