辅助散货船航行的帆与帆、帆与船之间的相互效应外文翻译资料

 2022-07-27 14:38:12

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辅助散货船航行的帆与帆、帆与船之间的相互效应

摘要 在之前报道的研究中，风洞实验是为了研究孤立状态下混合帆空气动力特性。这种风帆被认为是提供了对螺旋桨的有价值的输送功率，并且增加了推力，同时相应地减少了柴油机废气的二氧化碳产生。在本文中，风洞测试被用于调查基于散货船的两套四组效果相同的混合动力帆，即帆与帆相互作用相同的两组帆以及帆与船体相互作用的影响同样相同的两组帆。分析的结果表明建造一艘帆船辅助的船需要对它的欣赏帆船和帆-船体相互作用的影响。

关键词 控制全球变暖·风洞实验·气动帆特征·帆与船的互动·帆辅助船

介绍

全球变暖的环境影响是海洋工业关注的问题，因为大量使用的化石燃料和相关的二氧化碳排放到大气中。因此，促进采用自然能源来减少在役船舶所需的输送功率是非常重要的。完全恢复到帆船航行可能被视为倒退，新的技术可用于设计有效的新型帆船，达到减少二氧化碳排放的目的，平衡经济发展和环境优势。来自帆船的推力可以被认为是对环境没有负面影响的自然能源。

20年前，燃料价格在石油危机飙升，风帆辅助的内燃机船的想法首先被解决。在这种情况下，矩形刚性帆被改为圆弧并安装在船的甲板的刚性桅杆上（见图1和图2）。 图1中的邮轮具有66m的船长和两个长方形的刚性帆，总帆风量为194.4m2。图2中较大的散货船具有152米的船长，两个长方形的刚性帆，总面积为640平方米。通过模型和全面船舶实验，在日本证实了帆船辅助船的有效性。八十年代，在日本建造了约14艘帆船。但是，一旦高燃油价格大幅下滑，帆船的优势减少，因为帆船的建造，维护和运行现在被视为不必要的成本，而不是燃料成本节约装置。

目前，全球变暖是一个政治和环境问题，因此减少船舶排气二氧化碳含量非常重要。 Rosander和Bloch最近在丹麦检查了新型刚性帆。然而，丹麦帆船的建造如图3所示，非常复杂。作者认为，这些设计的几何和结构复杂性导致设计者得出结论，新的刚性帆缺乏经济可行性。另一方面，Nojiri等人提出了一种更为实用的混合帆，包括一条板条，刚性翼帆和三角形软帆。这种混合帆船在建造中比丹麦帆更简单，并且具有较高的升力系数，即Ishihara，Matsumoto和Hamada的长方形刚性帆。

图1.风帆助航船 图2.风帆助航船

吊杆

回转环

软帆

刚性翼

风

a b

图3.丹麦翼桅杆。 图4.混合风帆的组成

a翼桅杆的外观，b桅杆状态

图5.散货船模型的几何形状

然而，三角形混合帆更容易构造。在先前基于风洞的实验研究中，Minami等人研究了具有不同尺寸和纵横比的单独混合帆的空气动力特性。利用Fujiwara等人提供的分离的混合帆的测量空气动力学特性来分析图5所示的远洋散货船的稳定航行性能。

为了扩展船舶的稳定航行性能分析，需要更广泛的航行气动特性来提供对实际航行配置的帆帆相互作用和帆船相互作用的影响的评估和理解。在公共领域的文学搜索没有发现与帆帆或帆船相互作用效应相关的任何研究，或者对稳定航行性能的这种交互数据的评估。本文讨论不同的互动效应。

实验方案

实验模型

图5中所示的体积大的散货船船体结构是用来研究船帆的相互作用的。实际上，在任何有大型平甲板的船只上都能实现航行辅助推进，即油轮、散货船、普通货船等。事实上，拥有大型平舱甲板的船只是一种常见的船型，占总吨的70%，世界统计数据的71%。在图5中展示的散货船的自卸式结构占了被引用的世界舰队的一小部分，即0.6%的总吨数和船号的0.4%，它的选择允许这项研究包括如何选择一艘可以装在实际船上的混合帆的实际方面。在早期报告的研究中，我们已经确定了软帆的尺寸和宽宽比，这将是直接的，但不那么重要，如果这些首选的帆被缩小，以扩展我们对帆船帆和船帆的了解。然而,这将是不恰当的任务匹配与选择的船,帆,因此早期的信息和理解是用于提供矩形和三角形的帆,可以用于每个起重机桅杆垂直形成的支持,任何间隙限制都能被观察到。

表1中提供了代表性散货船的主要细节。散货船模型的规模略大于1:150。对于选定的船型散装船，四种混合使用的船帆尺寸和尺寸与表1所示的船舶尺寸是相适应的。船帆的尺寸和宽比见图6，是在先前报告的研究中发现的最好的矩形和最好的三角帆之间的一种折衷方案，所选择的船形的起重机安排和在世界范围内安全运行所需要的空气气流。

表1.散装船和规模模型的主要系数

图6.模型尺度混合动力船的计划和侧面标高

试验装置

在NMRI中进行了风洞实验。隧道是一种封闭的返回类型，宽3米和高2米的测试段，并且有能力达到每秒30米的最大风速。摘要研究了四种截然不同的情况，即:“单数帆”孤立，“复数帆”没有船体，以及在船体上与船相对应的船型(a)“满载”状态和(b)空载的“压舱物”条件。例如，图7a说明了在没有船体的情况下，三角帆的“复数”(四张帆)的安排，而图7b则表示船在“压舱”条件下，有四个矩形的帆。船帆和船模型建立在独立的转台上，以促进风向相对于船帆或船模型(或两者)的变化。测量纵向和横向力和偏航力矩的负载单元在每张帆的下面连接，如图8a所示。独立的帆的识别与船的第1号和第4号船的位置相对应，当船帆的出现的影响被要求时，模型设置上的载荷单元的改变与图8a所示的结果是一样的。如图8b所示。

风速在垂直方向上是均匀的，除了在风洞地面上的薄边界层。边界层的最大厚度约为10厘米。规范中包含了边界层的存在。当船型出现时，平均风速超过了模型。当没有船模时，船帆的位置和高度与船体的压载状态相对应。这是用正确长度的支撑杆实现的。这种安排被单独用于“单”和“复数”航行的配置。在每一种情况下，边界层都与帆的下缘有一定的距离，因此在帆上的风特征并不包括边界层的速度变化。

所选的风速为大约20米每秒，雷诺数的平均值为2x105，这是基于单个混合动力帆的平均弦长度。雷诺的数字与早先报道的实验结果一致。

对速度变化的升力系数和阻力系数的实验测量结果表明，所选择的风速为20米每秒，与紊流条件相一致，因为阻力和升力系数与该区域的雷诺数无关。因此，现实的海上条件被认为是占优势的。

b

a

图7. a）4个三角形的“复数”实验安排帆。

b）“复数”的矩形帆“压载”负荷状态下的船体

b

a

图8.实验测量的负荷单元安排帆的载荷和船体的重量。

a）帆负载；b）船体负载。

图9.混合动力船的笛卡尔坐标系统和主要角度

图9定义了混合动力帆模型的笛卡尔x-y坐标参考系统，并定义了正升力(L)和阻力(D)力和偏航力矩(M)符号约定。在刚性翼帆上的明显风的攻角被指定为a，而x和g，以x轴为单位，分别定义了板条和吊杆的方向。

以rho;A表示空气密度，UA为相对风速，S为混合帆的横向面积，以及C为平均弦长，升力和拖曳力的非维形式和偏航力矩的定义如下:

需要指出是,S被定义为混合帆翼帆的外侧区域的总和,在板条(假定有一个和弦设置xi;= 35°的正半轴)和软帆的悬臂角(gamma;)是零。由这一定义可以推论，由于刚性翼帆和板条的重叠特性，我们必须考虑图6中实际的航行安排。

平均和弦C被赋值S/H，H是帆的高度(150毫米)。

那混合航行宽比(AR)被定义为H2/S。

关于升力的混合帆极坐标图，将载荷系数拖拽到相对风的方向，和船的航向方向，在图10中定义。假设一个零空间的角度，相对于船的航向是由y定义的，帆的驱动力(帆推力贡献)和船的侧向力系数CX和CY是CL和CD的函数，是由:

图10.单张帆的混合帆极坐标图 图11所示。空气动力升力，阻力，和力矩系数及船力的三角形 单孤立混合帆(xi;=35°，gamma;=30°)

实验结果

单航最大推力系数的实验空气动力学特性和识别

首先对矩形和三角形的帆进行了单独的研究。最初的实验研究表明，盐和软帆的最佳设置对应于xi;=35°，gamma;=30°。当前选择的给定的纵横比矩形和三角形的帆是类似于前面的调查,选择8相同的设置在这个实验项目,即基于“增大化现实”技术是0.80的矩形帆(在最初的研究中,基于“增大化现实”技术的变化从0.75到2.63)和基于“增大化现实”技术是1.28三角形帆(在原始研究基于“增大化现实”技术的变化从1.06到2.48)。

图11显示了在图9中所定义的单张孤立的混合动力船帆CL、CD和CM的单张风角的变化。最大升力系数CLMAX在航行驱动推力方面非常重要。把矩形帆、三角帆与选定的船体结构相匹配，可以观察到，这个系数的值比之前记录的要小，即1.82和1.68，与之前的2.0和2.0的值相比，尽管混合帆模型有着几乎相同的AR值。然而，由于预期的帆船相互作用调查，实际船帆的高度在3:10的高度上比较小。差异的主要原因在整个最大升力系数已被确认为是由于刚性翼的升力和板条的差异,因为独自刚性翼的升力特性和刚性翼和软航行在这两项研究(早期提出)具有可比性。虽然海水和刚性翼帆具有相似的分离和等效的条件，但在相对位置和板条和刚性翼连接的数量上存在差异。连接件的结构细节也有细微的变化。这些微小的但被识别的差异，由于大小的不同而有必要，对整体提升特性的微小变化负责。如果这些微小的物理差异被消除，人们认为观察到的系数差异也会消失。

对于一个离散的风向alpha;，测量了在孤立的帆上的升力和拖曳力和力矩。每张帆的这些值都提供了图10中的极坐标图。使用这个单一的风帆信息，由公式2可“虚拟”船的价值psi;，它将产生最大的驱动力CX。每条船的确定的alpha;-psi;关系遵循上述公式。对于矩形的帆alpha;来说，在40°到130°的范围内，psi;轴的长度是10°，而alpha;的值则是25°，而psi;在135到160之间，而alpha;的值则是30°和60°，psi;分别等于170°和180°。对于三角形的帆，在alpha;上比psi;变化更快。特别地，alpha;等于10°而psi;等于30°然后psi;在40°到115°和120°到160°之间，psi;在20°和35°之间保持不变。在psi;=170°和180°的情况下，alpha;的值分别是60°和80°。

最大推力系数值、CXMAX和最大的阻力比(CL/CD)最大的单孤立矩形和三角帆的最大的最大值如下:

对于矩形的帆(AR=0.80)

图12.船舶上的风力的笛卡尔参考系

风向的定义是帆和船的alpha;和psi;

对于三角帆(AR=1.28)。尽管矩形帆的AR值比它的小，CXMAX和(CL/CD)最大的两个值大小相似。帆船和帆船的相互作用被评估在单张帆的基础上，图11使用了alpha;-psi;确定最大单帆的一种关系，在图12的实验装置中产生的驱动力。

帆与帆、帆与船交互作用试验结果

对四个帆的相互作用进行了研究。然后在两种情况下都有一个赫尔模型装载的和已修剪的压载状态。这些对同一矩形帆的情况进行调查同样的三角帆，同样的船帆和固定翼安排。

对于每一组4个相同的帆整体驱动力CX是测量的力FX每一帆（图8a）。在每一种情况下垂直平面穿过这四个桅杆的角度是psi;的一个角风的方向和转盘，以及单个的帆是旋转的所以风向是相对于刚性翼帆的对称轴等于alpha;，看图12。在每种情况下都是这样做的根据所确定的alpha;-psi;关系单独立航行最大动力。当船体形式介绍，船舶位置和航行方向按照所描述的过程进行四个帆调查。

最大的CX和psi;的敏感性在矩形的帆上，然后是三角帆单独孤立地，作为一组4个相同的帆在不存在的情况下对固定形状进行调查在上述规定的荷载条件下，分别在图13和14中分别说明。如图12所定义的。所有数据的分析在图13和14，允许一个人做以下的观察:

——帆与帆和帆与船体间相互作用的影响

减小每条船帆的CX力与单张单独的航海C<s

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