2014年ASME第33届国际海洋会议，海洋和北极工程学报
OMAE2014
美国，旧金山，加利福尼亚，2014年6月8-13日
以可再生能源作为清洁动力的船舶性能
Eirik Boslash;ckmannlowast;
Sverre Steen
Dag Myrhaug
海洋技术系
挪威科技大学
挪威，特隆赫姆
文摘
有人提出用风、海浪、太阳作为船舶所需要的全部能量。在船上安装五个帆翼和两个装有承载弹簧的用箔片做的波翼，其中一个装在船首的前端，另一个装在船尾的末端。此外，在甲板上覆盖着太阳能面板，用来发电供船上使用。在假设大海的波浪是可以无限获取和充分发展的条件下，风速用波散射表通过双峰的Torsethaugen波谱的风分量代波频谱来计算。帆翼和波翼上的力是用一个动态失速模型和时域船舶模拟器来计算的。船速的统计评估是通过在分别四个季节，往返蓬塔德尔加达，亚速尔群岛-丰沙尔，马德拉的两个航程来测量计算的。预期的航速大约是6节，标准偏差大约是5节。
前言
随着对全球变暖的担忧增加，航运业必须承担相应的责任以减少温室气体的排放。目前全球二氧化碳排放量的3.3％都是航运业造成的。然而，与工业化前相比，如果到2100年全球的温度增长稳定在不超过2℃，则航运业的排放与预期一致。到2050年，航运业的排放量要维持在全球二氧化碳排放量的12%到18%之间，才有50%的可能性完成到2100年的预期[1]。
如果关于减少温室气体的排放我们是严肃的，那么显然需要一些激进的措施。一个自然的解决方案就是回到帆船时代。在工业革命之前，方形帆船统治着世界的海洋。在最佳的风力条件下，这些船只并没有比今天迟钝的蒸汽货船缓慢得多,通常航速为18节。例如船舶Cutty Sark，它记录的最大速度为17.5节，24小时的平均速度是15节[2]。很明显，随着现代航海技术的进步，特别是随着帆翼的出现,现代风力货船已经超过了Cutty Sark。
自1890年，依靠波力的船就已经存在[3-5]，它早在1858年就已经被提出。最简单、最常见的一种波船是使用的箔片,这里用波翼表示，它是将箔片和水的相对运动转化为船的推力。尽管波船的历史很长，但是它的的概念尚未投入使用在较大的船上。然而，最近的一项研究表明，在典型的多海浪地区波浪驱动船舶一定的距离，其节约能源的潜力是巨大的[7]。奇怪的是，2009年第二届国际海事组织温室气体研究会[1]驳回了波翼，原因是技术复杂性高,潜在的能源效率有限，不被认为很有前途的。
2012年，31米长的船舶MS Tucirc;ranor PlanetSolar成为世界上第一艘只使用太阳能推来进环游世界的船舶，它也是世界上最大的太阳能船[8]，一艘完全由太阳能供电的船舶要像Tucirc;ranor PlanetSolar一样覆盖着大面积的太阳能电池板和极低电阻的壳体。然而，相对于更传统点的船，太阳能只能提供一小部分推进所需的电力，在200米长的汽车运输船Emerald Ace上，甲板覆盖着的太阳能电池板只产生了160千瓦(215马力)电力提供[9]。
在本文中,我们研究利用帆翼的风能、波翼的波能和太阳能板的太阳能的船舶的性能。选择的路线是蓬塔德尔加达，亚速尔群岛到丰沙尔马德拉的往返航程，见图1。选择这条的主要原因是可以利用www. Globalwavestatisticsonline.com中其自由风和波的数据。另外，此
图1 从蓬塔德尔加达到丰沙尔的航程
路线具有良好的风、浪和太阳的条件,它对于一个完全由可再生能源作为清洁动力的船是理想的。虽然在现实中马德拉海岸最后部分是曲线，为简单起见，我们假设这艘船沿一条直线，完全的走东南路线，从蓬塔德尔加达到丰沙尔。反之亦然,这艘船被认为完全从丰沙尔沿西北方向到蓬塔德尔加达。
帆翼和波翼力的模拟用来自MARINTEK的船舶模拟器VeSim ,它解决了在时域运动的方程。有关VeSim的更多信息,请参见[7]和[10]。
船舶的设计说明
这艘船是一系列60 CB = 0.6船体。为了适合波翼，要选择船的长度,也就是说LPP稍微短于典型的海浪船[7]。表1给出了这艘船的主要参数，这艘船装着5
|
总长（LOA） |
80.000m |
|
水线长（LWL） |
78.869m |
|
垂线间长（LPP） |
80.000m |
|
设计型宽（BWL） |
11.428m |
|
设计吃水（T） |
4.000m |
|
排水量 |
2152.726m3 |
|
湿表面积 |
1077.063m2 |
|
方形系数（CB） |
0.5887 |
|
棱形系数（CP） |
0.6033 |
表1 船舶的主要参数
图2 船舶图解，显示了帆翼和波翼的位置
个帆翼和2个波翼：一个在船艏稍前，一个在船艉稍后。图2给出了这艘船的插图,显示了帆翼和波翼的位置。
帆翼力
在船舶的甲板上安装有五个NACA 0015型帆翼，这些帆翼的四分之一弦点分别位于船艉垂直位置前9.42m、25.26m、41.04m、56.88m和72.77m，如图2所示。根弦长度是6米和顶弦长是4米。尾部四个帆翼根部比基线高8.66m，而前面的帆翼根部比基线高13.73m，所有的帆翼顶部都比基线高33.41m。因为在帆翼和船甲板的间距小于帆翼高度的0.06倍，因此可以近似假定诱导阻力是椭圆翼的，这个椭圆翼与帆翼的高度一致[11]。
将这些帆翼分成10条翼展方向的带状。用稍微修改的贝多斯-利什曼动态失速模型[12]来计算帆翼上的每个带状上弦向力和法向力,如[13]所述。对于帆翼的每个带状来说，这个模型是基于使用静态升力和阻力系数建立起来的,通过分析和半经验方程来获得动态力。因为在撰写本文时[13]正在审查,所以动态失速模型在本论文附录中描述。由于[13]中提到的在非常低的速度时计算前缘涡的影响是困难的,因此无论是帆翼力还是波翼力前缘分离都不包括在目前的动态失速模型。这一分析忽略了帆翼间的空气动力学之间的相互作用。Miyasaka等发表的[14]表明,在几乎所有都达到条件的情况下三个帆翼形成帆翼组中的每个帆翼的平均推力大于单独一个帆翼的推力。然而在有横风的条件下，Miyasaka等的[14]发现,帆翼组中的每个帆翼的平均推力略低于单独一个帆翼的推力。因此,忽视帆翼空气动力学的相互作用似乎是一种合理的简化。为了说明在帆翼有限跨度上升力和阻力的影响,应用以下步骤:
使用动态失速模型计算每个翼带法向和弦向的力,Nstrip和Cstrip，见附录。
- 使用当地的计算每个翼带的升力和阻力，Lstrip和Dstrip，这是一个攻角效应,在文献[12]中解释
(1)
(2)
3、当波方向相对于船的前进方向为零度到一百八十度，有限翼展上升力的影响用Lstrip乘以因子1/(1 2/A),这里的A是纵横比。在失速状态下对于一个大的纵横比的椭圆循环分布的帆翼关于升力的这个解释是有效的。然而，如果船有显著的滚动，对于帆翼和波翼，循环分布将远离椭圆。因此，当波方向相对于船航向plusmn;90度，升力的校正因子取1，当不为plusmn;90度 时，线性插值在1到1/(1 2/A)之间。我们相信,对于显著的帆翼摇摆运动，忽略有限跨度的全部影响比DeLaurier的方法[15]更正确,在[15]中假定每个翼带是一个椭圆翼翅膀,有相同的比例,整个机翼翼带的运动一致，执行简单的谐波。
4、在失速攻角效应下，一个大的纵横比的椭圆扁平机翼的诱导阻力系数是
(3)
尽管诱导阻力是一个与翼有关的作为一个整体的数量,我们计算每个翼带对于总诱导阻力的贡献用Di,strip=0.5CD,irho;V2cds，这里rho;是空气密度,V是流速,c是弦长，ds是带宽度。诱导阻力是添加到每个翼带的外部阻力。诱导阻力乘以一个系数，该系数在航向和大海刘翔一致时为1，在横浪时为0，在波方向相对于船航向为其他时线性插值在1和0之间。
5、所有翼带的升力和阻力现在为有限翼展的影响，被转换回法向力和弦向力通过下式
（4）
（5）
6、最后,翼带上的法向附加质量力被添加到法向力上,并逐带上的力叠加。
虽然升力和阻力的这些表达式仅仅是对大纵横比的椭圆翼严格有效的,他们是相当合理的也应用了一个适度的纵横比大于4[17]的锥形翼[16]。当帆翼失速时这些升力和诱导阻力的表达式的使用是更可疑,但是别无选择。在稳定条件下帆翼角是如此设置，当视风角(AWA)在1度到98度之间，攻角为14度，当视风角在98度到180度间增长，攻角从45度到90度间线性增长当视风角在0度到1度间增长，翼帆角如此设置，攻角从0度到14度线性增长。对于负视风角是相对称的。
波翼力
这艘船装备两个弹簧承载的波翼片，也有NACA 0015型帆翼。每个波翼由两半组成,梯形平面,可以在一定程度上彼此独立的旋转。每一半的内顶弦长度是3米,外顶弦长是2米,每个波翼片的半翼展是7米。前面波翼片四分之一弦点是位于船艏垂直的位置提前2.21米,而尾部波翼片四分之一弦点位于船艉垂直的位置后5.65m。波翼片位于基线以下3m。
随着翼帆动态失速模型和有限周期修正的实现，波翼片使用相同的方法。将波翼片假定为负载弹簧,弹簧刚度不变。
簧负载箔的力矩平衡,见图3,由下式得：
（6)
由于循环和后缘分离,其中是法向力,a是Nf从到四分之一弦点的距离（当在四分之一弦点之后为正数）xp是前沿到轴心点的距离,NAM是法向的附加质量力,c是弦长,Fs是弹簧力,xs是前沿到到弹簧接触箔片的地方的距离,delta;是箔片的角度。
图3 弹簧负载箔片的力矩平衡
弹簧力由下式得
(7)
其中ks弹簧刚度。因此可得delta;
(8)
xp=0.15c用于我们的模拟。
如果不是另有规定,按照惯例俯仰力矩通常指四分之一弦点处的力矩。当在翼型升起的方向上颠簸时力矩为正。对称翼型的气动中心接近于四分之一弦点的附加流量,但作为从后缘到前沿的分离点将移到尾部。
a由下式得
（9)
其中M是四分之一弦点的俯仰力矩，这个俯仰力矩通过查找一个力矩系数和攻角表获得,例如[18],alpha;f
一个和翼条的弦长长度相同的平板施加附加质量力给在翼条[19],枢轴点位于船尾xp的前沿:
(10)
这里rho;是海水的质量密度,U为翼的水平速度， 是波翼的升沉加速度（当波翼向下移动时为正）， 和 分别为的第一和第二偏导数。在公式（10）括号内的最后两项当通过从当前这步的值减去前一步的值，然后除以这步的值的计算可能会导致偏导计算数值的问题,因此在VeSim中应忽视弹簧压载波翼的实现。
因为和NAM存在相互作用，所以通过迭代过程来取得正确的和NAM值。
发现一个弹簧刚度、ks为200000 N/m,伴随着不管波的高度，高的船速下xs-xp=2m。如果翼角变得太大,然而,数值会发生错误。在不规则波中,可能会有一些非常高的海
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[148157]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
