海面梯度风下一种翼型风帆的数值计算

杨亦霖 陈 威 胡以怀

（上海海事大学 商船学院 上海 200135）

0 引 言

风能的利用对于船舶节能减排有着重要的意义。近年来，随着能源消耗的日益加剧，使用风帆作为船舶辅助动力的研究得到广泛关注。应用风帆助航的船舶，节能效果一般可以达到 5～15%之间［1］，而风帆气动性能的表现直接影响实际应用效果。国内外的一些研究者对风帆气动特性的研究均表明，翼型风帆具有更好的升阻比，因而在实际应用中具有更佳的推动效果。

由于受到海面的粘滞阻力，近海面风的分布特性是随高度变化的梯度分布，通常所述的海面风速是某一参考高度的平均测量风速，所以对实际海面风场的模拟可以更准确的分析辅助风帆在应用中的实际效果。

本文根据海面实际风场的分布特性，采用CFD方法对一种翼型风帆的气动特性进行了数值模拟。结果对比分析表明，风帆在接近真实海面风的梯度风场下与定值海面测量风速时的风载荷数值结果有一定的差别。

1 物理模型及研究方法

1.1 风帆的物理模型

风帆的实体模型为左右对称翼型硬质风帆，风帆截面上下均为圆弧形，上下拱度比分别为0.16和0.1，弦长10.8 m，展弦比是1.45，帆面下缘距离海平面高度为15 m。模型如图1所示。

按照空气动力学的研究方法，翼型风帆受到的气动力可以分解成与来风垂直的方向，即升力方向L轴和与来风平行的方向，即阻力方向D轴。风帆前缘与后缘的连线与来风角度α为几何攻角。风帆的气动特性可以用升力系数和阻力系数描述，见图2。……