薛樹業(yè)， 胡以懷， 何建海， 曾向明

(上海事事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306)

基于風(fēng)洞試驗(yàn)的圓弧形硬帆最佳攻角

薛樹業(yè)， 胡以懷， 何建海， 曾向明

(上海事事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306)

由于風(fēng)帆在什么攻角下對(duì)船舶產(chǎn)生的推力最大，且對(duì)船舶穩(wěn)性的影響最小是衡量風(fēng)帆性能的重要因素，因此對(duì)最佳風(fēng)帆攻角進(jìn)行研究，使控制系統(tǒng)準(zhǔn)確地控制風(fēng)帆，從而使風(fēng)帆實(shí)現(xiàn)最佳的節(jié)能減排效果。通過對(duì)5種具有優(yōu)良空氣動(dòng)力性能的圓弧形薄翼硬帆模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，得到一系列的帆性能參數(shù)。通過對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行分析，得到圓弧形薄翼風(fēng)帆最佳攻角的規(guī)律及風(fēng)帆最佳操縱曲線，可為風(fēng)帆的控制提供參考。

船舶工程；風(fēng)洞試驗(yàn);圓弧形薄翼硬帆;最佳攻角;風(fēng)帆操縱

隨著能源危機(jī)日益凸顯以及人們對(duì)環(huán)境保護(hù)日益重視，新能源的開發(fā)和利用成為時(shí)代發(fā)展的潮流。2009年召開的國際海事組織第59次環(huán)保會(huì)上，新能效設(shè)計(jì)指數(shù)、現(xiàn)有船舶能效營運(yùn)指數(shù)、船舶能效管理以及自愿驗(yàn)證4個(gè)通函被作為船舶節(jié)能減排的重要標(biāo)準(zhǔn)[1]；2013年6月，歐盟正式推出航運(yùn)業(yè)碳排放監(jiān)管草案，旨在從2018年起對(duì)船舶溫室氣體的排放進(jìn)行強(qiáng)制監(jiān)測(cè)，以降低溫室氣體排放對(duì)氣候的破壞。由此可見，研究船舶節(jié)能減排技術(shù)刻不容緩。

目前，風(fēng)能和太陽能是船舶營運(yùn)中能夠有效利用的清潔能源。相比之下，風(fēng)能可被航行中的船舶直接轉(zhuǎn)化為船舶的推力，無需經(jīng)過二次轉(zhuǎn)化，因此更容易被利用。風(fēng)帆助航船舶有很大的發(fā)展空間，能夠滿足船舶節(jié)能減排的要求，其中風(fēng)帆的研究是風(fēng)帆助航技術(shù)的核心內(nèi)容之一。風(fēng)帆在什么攻角下對(duì)船舶產(chǎn)生的推力最大且對(duì)船舶穩(wěn)性的影響最小，是衡量風(fēng)帆性能的重要因素。圓弧形薄翼硬帆與其他帆具相比具有優(yōu)良的流體動(dòng)力性能[2-4]，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于控制。以該類型風(fēng)帆為模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，研究最佳風(fēng)帆攻角的問題，得出風(fēng)帆操縱規(guī)律，為風(fēng)帆的控制提供參考。

1 風(fēng)帆攻角的研究現(xiàn)狀

目前，最佳風(fēng)帆攻角的研究主要集中于風(fēng)帆能否為船舶提供最大的推力。文獻(xiàn)[2]以船模水池試驗(yàn)代替風(fēng)洞試驗(yàn)，將帆模倒置于水中，利用水流與帆的相對(duì)運(yùn)動(dòng)獲得風(fēng)帆的流體動(dòng)力性能,得到風(fēng)帆的最佳攻角與最佳轉(zhuǎn)角之間的規(guī)律；文獻(xiàn)[5-6]在風(fēng)帆小攻角(lt;35°)的假設(shè)下，利用湍流邊界層基本定理對(duì)圓弧形風(fēng)帆進(jìn)行流體動(dòng)力計(jì)算，得到風(fēng)帆升力和阻力與風(fēng)帆攻角的函數(shù)關(guān)系式；文獻(xiàn)[7]利用線性插值的方法對(duì)不同展弦比、拱度比的圓弧形風(fēng)帆攻角進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到最佳攻角的數(shù)值表達(dá)式。

此處利用風(fēng)帆模型的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)5種不同展弦比、拱度比的圓弧形薄翼硬帆模型的空氣動(dòng)力性能進(jìn)行研究。通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，找出有關(guān)風(fēng)帆攻角的規(guī)律，得出最佳風(fēng)帆攻角的相關(guān)結(jié)論, 最終計(jì)算出最佳操帆曲線。

2 風(fēng)洞試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)風(fēng)洞

試驗(yàn)所用風(fēng)洞是一座吸入式低速直流邊界層風(fēng)洞，其試驗(yàn)段長(zhǎng)度14 m，截面為正方形，寬1.8 m，高1.8 m。試驗(yàn)風(fēng)速可以在2～30 m/s連續(xù)調(diào)節(jié)，收縮比為3.56，紊流度lt;1%, 流場(chǎng)品質(zhì)良好。風(fēng)洞的試驗(yàn)段內(nèi)配備有試驗(yàn)轉(zhuǎn)盤，可通過計(jì)算機(jī)控制電機(jī)精確地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)角，模擬來流與模型間的偏角(即風(fēng)帆攻角α)。

2.2風(fēng)帆動(dòng)力特性

圓弧形風(fēng)帆模型上受到的氣動(dòng)力由風(fēng)軸坐標(biāo)系上分解的各個(gè)力和力矩的分量表示。風(fēng)軸坐標(biāo)系[8](見圖1)為直角坐標(biāo)系O-LDZ，原點(diǎn)O位于模型底板中心，Z軸豎直向上，在水平面內(nèi)的L軸為升力方向，D軸為阻力方向。風(fēng)帆受到的氣動(dòng)力被分解為與來流方向一致的阻力FD、垂直于來流方向的升力FL、對(duì)桅桿的扭矩M，力矩的參考點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)O。

圖1 風(fēng)軸坐標(biāo)系

風(fēng)帆對(duì)船舶產(chǎn)生的助推力為

T=FLsinφ-FDcosφ

(1)

風(fēng)帆對(duì)船舶產(chǎn)生的橫漂力為

H=FLcosφ+FDsinφ

(2)

以無因次數(shù)的形式表示為

CT=Clsinφ-Cdcosφ

(3)

CH=Clcosφ+Cdsinφ

(4)

2.3試驗(yàn)內(nèi)容

風(fēng)帆模型測(cè)力的風(fēng)洞試驗(yàn)(見圖2)是在均勻流場(chǎng)(風(fēng)速為15 m/s)中進(jìn)行的，主要內(nèi)容為A，B，C，D和E 5種圓弧形薄翼風(fēng)帆模型的測(cè)力試驗(yàn)。試驗(yàn)的風(fēng)帆攻角范圍為0°～90°，每隔5°測(cè)量一次。對(duì)于上述試驗(yàn)中的每一次測(cè)量，進(jìn)行一次不吹風(fēng)的測(cè)量，由兩次測(cè)量的差值求得氣動(dòng)力。

圖2 風(fēng)洞試驗(yàn)

2.4試驗(yàn)結(jié)果

通過5組風(fēng)洞試驗(yàn)，得到了A，B，C，D和E 5種圓弧形薄翼風(fēng)帆模型的Cl-Cd曲線(見圖3)，以及CM-α曲線(見圖4)。由這些曲線可知，對(duì)于不同展弦比、拱度比的風(fēng)帆，其升力系數(shù)、阻力系數(shù)、扭矩系數(shù)隨攻角的變化趨勢(shì)是相同的。

從5組Cl-Cd變化曲線可以看出：在小攻角(0°～30°)范圍內(nèi)，Cl，Cd與α成正相關(guān)性，Cl的變化速率比Cd快；在到達(dá)某一攻角α(30°附近)時(shí)，Cl達(dá)到極值，此處即為曲線的拐點(diǎn)；此后Cl急劇下降，Cd激增，Cl與α成負(fù)相關(guān)性，Cd與α成正相關(guān)性。由圓弧形風(fēng)帆與機(jī)翼的空氣動(dòng)力性能相似可知，在Cl-Cd曲線拐點(diǎn)處的這一現(xiàn)象稱為失速，這是大攻角時(shí)翼后空氣氣流發(fā)生渦流分離的緣故。[10]

從CM-α變化曲線可以看出，在Cl-Cd曲線拐點(diǎn)處，CM也達(dá)到了極值，說明在這種情況下，作用在風(fēng)帆上的力達(dá)到了最大。

圖3 各模型帆的Cl-Cd曲線

圖4 各模型帆的CM-α曲線

3 風(fēng)帆模型最佳風(fēng)帆攻角

風(fēng)帆對(duì)船舶產(chǎn)生的助推力可增加航速、降低主機(jī)耗油率，因此應(yīng)使其在一定條件下達(dá)到最大值。橫漂力會(huì)使船舶偏離預(yù)定航線、航程增加，為使船舶回歸到預(yù)定航線上就必須增加船舶耗油量；同時(shí)，橫漂力的存在會(huì)給船舶穩(wěn)性帶來很大影響，如船舶橫搖角變大等。因此，橫漂力對(duì)船舶是有害的，應(yīng)使助推力達(dá)到最大時(shí)橫漂力處于可控范圍內(nèi)。

在一定的表觀風(fēng)速下，升力系數(shù)、阻力系數(shù)和扭矩系數(shù)是隨著風(fēng)帆攻角α變化的，因此助推力系數(shù)和橫漂力系數(shù)可表示為α與φ的函數(shù)，即

CT=f(α,φ)

(5)

CH=g(α,φ)

(6)

由船舶和風(fēng)帆的對(duì)稱性，只需研究風(fēng)向角0°～180°，風(fēng)帆攻角0°～90°的范圍。最佳風(fēng)帆角α可定義為：當(dāng)φ，α滿足一定關(guān)系時(shí)，使助推力系數(shù)達(dá)到最大，同時(shí)有橫漂力系數(shù)最小，此時(shí)的風(fēng)帆攻角是最優(yōu)的。當(dāng)然，該定義是最理想的，實(shí)際上在助推力系數(shù)最大時(shí)，橫漂力往往不是最小的，這就需要使橫漂力系數(shù)控制在船舶允許的穩(wěn)性限度內(nèi)。

從表1中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)α≥20°時(shí)，近似地有α=β，即

(7)

此時(shí)有

由模型帆E在不同攻角下的系數(shù)模量數(shù)據(jù)可知，小攻角(αlt;20°)下的系數(shù)模量要小于大攻角下的系數(shù)模量。因此，在推導(dǎo)最佳風(fēng)帆角的過程中，可以只考慮中等攻角(20°≤αlt;40°)和大攻角(40°≤α≤90°)的情況。下面根據(jù)式(7)的近似關(guān)系求最佳風(fēng)帆攻角。

由式(3)得

(8)

由式(4)得

(9)

欲使推力系數(shù)最大，必須有sin(φ-α)=1。根據(jù)φ與α的取值范圍，其應(yīng)滿足φ-α=90°，而此時(shí)cos(φ-α)=0，橫漂力系數(shù)達(dá)到最小。這種情況正好滿足最佳風(fēng)帆攻角的要求。在滿足φ-α=90°的條件下，需尋找最大的系數(shù)模量A。模型帆E的系數(shù)模量隨攻角α先變大后變小，在30°攻角時(shí)有最大值，因此其最佳風(fēng)帆角應(yīng)為30°，此時(shí)的風(fēng)向角為120°，最大助推力系數(shù)CTmax=1.328 18，同時(shí)橫漂力系數(shù)CH=0。該結(jié)論與文獻(xiàn)[1-2]中的結(jié)論相符。

在120°風(fēng)向角下，通過式(3)計(jì)算得到的最大推力系數(shù)為

0.638 39cos120°=1.327 85

通過式(4)計(jì)算得到的橫漂力系數(shù)為

0.638 39sin120°=-0.029 48

表1 模型帆E的相關(guān)風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過計(jì)算模型帆A，B，C，D的風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)也可得到與模型帆E相同的結(jié)論。模型帆A，B，C，D，E的最佳風(fēng)帆角分別在25°，30°，30°，25°，30°附近，此時(shí)扭矩系數(shù)CM也達(dá)到極值點(diǎn)。這說明，當(dāng)風(fēng)帆處于最佳風(fēng)帆角的位置時(shí)，風(fēng)帆上的載荷最大。不同展弦比、拱度比的風(fēng)帆，其最佳風(fēng)帆攻角是不同的。最佳風(fēng)帆攻角的范圍在25°～30°。針對(duì)某一具體風(fēng)帆，其最佳風(fēng)帆攻角可通過風(fēng)洞試驗(yàn)確定。

4 風(fēng)帆操縱曲線

根據(jù)式(8)和式(9)計(jì)算得到的最佳風(fēng)帆攻角只是一種特殊情況。對(duì)于E模型帆，當(dāng)風(fēng)向角為120°、風(fēng)帆攻角為30°時(shí)，其助推效果是所有風(fēng)帆角中最佳的。但在實(shí)際中，風(fēng)向角是不斷變化的，因此需根據(jù)式(3)和式(4)求出不同風(fēng)向角下的最大助推力系數(shù)、最大助推力系數(shù)下的橫漂力系數(shù)，確定可操帆區(qū)間，得出最佳的風(fēng)帆攻角，繪制出操帆曲線。圖5為最大助推力系數(shù)及最大助推力系數(shù)下的橫漂力系數(shù)隨風(fēng)向角的變化曲線圖。從圖5可以看出：在風(fēng)向角lt;17°時(shí)，風(fēng)帆對(duì)船舶不產(chǎn)生助推力，而此時(shí)的橫漂力較大；在風(fēng)向角為68°時(shí)，風(fēng)帆產(chǎn)生的最大助推力與橫漂力相等；在68°以后，風(fēng)帆產(chǎn)生的最大推力大于橫漂力，且最大助推力趨于不變，而橫漂力不斷減小。因此，為使船舶盡可能小地偏離航線，同時(shí)使產(chǎn)生的助推力最大，建議在風(fēng)向角gt;68°時(shí)張帆，lt;68°時(shí)收帆，以達(dá)到最佳的助航效果。圖6顯示了風(fēng)帆能提供最大助推力時(shí)的攻角曲線，風(fēng)帆操

圖5 助推力系數(shù)和橫漂力系數(shù)隨風(fēng)向角的變化曲線圖

圖6 操縱風(fēng)帆的最佳攻角曲線圖

縱機(jī)構(gòu)可按照最佳風(fēng)帆攻角曲線隨不同風(fēng)向角的變化來調(diào)整風(fēng)帆。

5 結(jié) 語

通過對(duì)不同展弦比、拱度比的風(fēng)帆模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到了圓弧形薄翼風(fēng)帆最佳攻角的規(guī)律。不同展弦比、拱度比的風(fēng)帆最佳風(fēng)帆攻角是不同的，最佳風(fēng)帆攻角的范圍為25°～30°。具體風(fēng)帆攻角的確定還需通過進(jìn)一步的風(fēng)洞試驗(yàn)。由于本風(fēng)洞試驗(yàn)中的相關(guān)數(shù)據(jù)是在風(fēng)帆攻角每變化5°測(cè)定的，因此在確定每種風(fēng)帆最佳攻角時(shí)，還需進(jìn)一步縮小攻角的變化幅度，測(cè)量相關(guān)數(shù)據(jù)，以求得更準(zhǔn)確的結(jié)果。根據(jù)最佳風(fēng)帆攻角確定風(fēng)帆最佳操縱曲線，使控制系統(tǒng)對(duì)風(fēng)帆進(jìn)行準(zhǔn)確的控制，以使風(fēng)帆發(fā)揮最大的節(jié)能減排作用。

[1] 曾向明,胡以懷,王友聰.不同形狀風(fēng)帆的風(fēng)洞試驗(yàn)[J].上海海事大學(xué)學(xué)報(bào),2010，31(4):28-31.

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BestAngleofAttackofCircular-ArcSailsDeterminedbyWindTunnelTests

XUEShuye,HUYihuai,HEJianhai,ZENGXiangming

(Merchant Marine College, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

The sails on board ship should generate maximum thrust and have minimal impact on stability of the ship under the best attack Angle. The study of the best angle of attack helps the control system to accurately control sails and make sails most effective in energy conservation and emissions reduction. The parameters of five different designs of circular-arc sails, which have excellent aerodynamic performances, are obtained through a series of wind tunnel tests. The best angle of attack and the curves of sail manipulation are determined based on test data. This study may help the design of the sail control.

ship engineering; wind tunnel test; circular-arc sail; best angle of attack; sail manipulation

2014-04-28

上海市科委資助項(xiàng)目(08210511800)；上海海事大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(GK2013044)

薛樹業(yè)(1989—),男，河南濟(jì)源人，碩士生，研究方向?yàn)榇皠?dòng)力裝置及新能源。E-mail: xueshuye111111@126.com

胡以懷(1964—),男，江蘇高郵人，教授，博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)榇皠?dòng)力裝置及新能源。E-mail:yhhu@shmtu.edu.cn

1000-4653(2014)03-0059-04

U674.926

A