传统型风帆推力实验设计研究theresearchofthepropulsionexperimentontradition

摘 要摘 要随着国际上原油价格的飞速上涨,以及全球环境的日益恶化,“节能减排”成为了航运业中人们最为关注的问题。因此,日韩等先进国家都开始了对风帆船的重新认识,并以现代技术手段对其进行改进,其中航运大国日本已在万吨级货船上采取用电脑进行控制的风帆助航,节油率可达15%。本文针对风帆助力船的智能控制相关内容开展研究,对于促进风帆助航技术的发展具有重要的工程意义。本文通过对传统型风帆进行有限元建模,并对其进行流体性能的计算,得到了升阻系数及升阻力等相关数据。根据流体性能计算的结果,分析了同种风帆在不同工况下的流体性能。在此基础上,还对比分析了不同风帆在相同工况下的流体性能。通过对比分析传统型风帆及圆弧形风帆的流体性能,得出圆弧形风帆的流体性能较传统型风帆更优。基于对传统型风帆的流体性能分析,本文还对传统型风帆推力实验的实验方案进行了初步设计,为后续实验方案的实施提供了参考,保障了实验能顺利实施。关键词:风帆助航技术,流体动力学,攻角,升阻系数
目录
第一章 绪论 1
1.1本文的研究背景及意义 1
1.2国内外研究现状 2
1.2.1国外研究现状 2
1.2.2国内研究现状 5
1.3本文的主要研究内容 5
第二章 风帆流场计算的基本理论 7
2.1 空气动力学 7
2.1.1 机翼理论 7
2.1.2 风帆升力线理论 7
2.1.3 边界层理论 8
2.2 流体动力学 9
2.2.1 基本控制方程 9
2.2.2 流动种类 10
2.2.3 流体动力特性 10
第三章 传统型风帆模型的建立及有限元分析 12
3.1 风帆模型分类概述 12
3.2 帆型及帆型参数的确定 12
3.2.1 帆型的确定 12
3.3 有限元数值模拟及结果分析 14
3.3.1 传统型风帆数值模拟模型的建立 14
3.3.2 有限元结果汇总及分析 15
3.3.2.1 相同攻角不同风速下的曲线图 15
3.3.2.2 相同风速不同攻角下的曲线图 22 style="display:inline-block;width:630px;height:85px" data-ad-client="ca-pub-6529562764548102" data-ad-slot="6284556726"> (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({ });

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3.3.3 大攻角下的升阻曲线 28
3.3.4 FLUENT后处理 31
3.3.5 传统型风帆与新型风帆对比分析 33
第四章 实验方案的设计 36
4.1 实验方案初步设计 36
4.2 详细实验方案 37
4.2.1 实验目的与任务 37
4.2.2 实验装置 37
4.2.3 实验步骤 38
第五章 总结及展望 39
5.1 本文总结 39
5.2 本文研究展望 39
致谢 40
参考文献 42
第一章 绪论
1.1本文的研究背景及意义
由国际上某权威部门的最新统计材料可以得知:在未来的20年里,全球能源的消耗总量将会比之前增加66个百分点[1],按照当前的燃油的消耗速度,所有的石油储量仅可提供开采不到半个世纪。然而,船舶运输业仍主要依靠石油为主要的动力来源。因此,本文对风帆助航技术的研究就显得越发的重要。
根据我国交通运输部门的最新相关政策,全国每家航运单位要从自身源头上掌握船舶的能耗入关规范。同时,也要尽可能的对那些高能耗的设备进行改进。要不断对船舶的运输能力的结构组成加以改进,使得我国的船舶事业达到先进节能的高度。
目前全球能源消耗量非常大,资源越来越吃紧,与此同时需求量却越来越大,各国纷纷发布船舶减排法律法规并且进一步实施。在当下,风能,一种可再生的清洁能源再一次受到了世界各国能源专家的重视,并且重新成为我们钻研的重点。跟其他可利用能源相比,风能具有清洁无污染、可再生性等优势,世界各国的船运企业都把风帆在船舶上的应用,即利用风能作为主要推动力作为自己研究工作的重点。
虽然风能这一绿色能源有着很多的优点,但是因为它本身的不稳定分布及不均等的特点给我们的研究工作带来了许多的困难。尤其是在关于如何将风帆助航技术更为高效的应用在大型船舶这一课题上更是困难重重。但是经过不懈努力,科研者们在风帆辅助推进装置方面的研究做出了历史上的突破[2]。
使用风帆来充当船舶的辅助推进装置,是在如今这一科技水平和自然条件用来减少船舶的燃油消耗量,这也是用来减少航运成本,降低氮硫化物、二氧化碳等污染气体排放的有效措施之一[3]。为了缓解世界的能源危机,保护生态自然环境,对于风帆助航技术的研究以及应用,起着至关重要的推进作用。
1.2国内外研究现状
1.2.1国外研究现状
国内外科研人员对于风帆助航的研究内容主要集中在以下两个方面:一是如何将风帆助航这一技术实用化,即将已有的成熟技术运用到实际船舶的使用当中;二是在传统风帆的基础上设计新型的风帆以及对其经济性和安全性的论证研究。
在国外,对于风帆助航技术的研究要早于国内,他们也在这一方面取得了不错的成绩,并且在很多船型上都进行过了实船的应用试验。在风帆助航技术实用化这一方面,最早将现代风帆技术投入实际,运用于实船上的国家是日本。1980年,由日本研制的第一艘现代风帆助航船“新爱德丸”号下水试航,这在航运史上被誉为是一个新的里程碑,如图1.1。该船采用的是两个圆弧形风帆,帆的高度是12.5m,宽度是8m。帆翼的剖面是进行改进后的层流翼型,该风帆的拱度比为14%。通过实践表明,“新爱德丸”号风帆助航船对比普通船舶能节省燃料10%~15%。但另一方面,它的造价比同规格的普通船舶高出15%。
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图1.1 风帆助航船舶“新爱德丸”号
法国人在1985年提出的所谓的涡轮风帆船如图1.2所示,它的原理是利用圆柱两侧开孔吸气的方法,从而使得柱体的升力系数提高至5.5~6.0。根据由法国建造的Alcyone号涡轮风帆船的测试结果,该涡轮风帆船在13m/s左右的有利风的作用下,可以获得50%~60%的节能效果,被称为当时世界上最为先进的一艘风力助航船。

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