双尾襟翼帆的设计及其气动特性研究

摘要

全球经济的增长与世界贸易量的不断增加,促使航运业进入了快速发展的阶段，从而导致航运业成为耗能和污染的主要行业之一。由于近几年燃油价格上涨和国际海事组织对船舶节能减排提出了严格要求，国际上的各大航运企业都在积极寻找船舶节能减排的新方法,并加大了在新能源开发上的投入。风能，作为一种清洁、无污染、取之不尽的自然能源，受到了人们的青睐。因此，风帆作为船舶助航的一种应用，成为世界各国航运业研究的热点。
　　通过查阅风帆助航船舶的相关文献，目前各国研究的热点主要集中在新型风帆的研发上,在此背景下,本文提出一种新型风帆,充分考虑其收放方式、气动性能、节能效果等实际应用因素，拟完成以下内容：
　　（1）尾襟翼可调节的新型风帆——双尾襟翼帆的设计：通过对比分析各种不同类型风帆的气动性能，选定翼型帆作为新型风帆的主体帆型，同时根据新型风帆尾襟翼可调节的功能分别对新型风帆三个帆体的帆型进行了合成，最终提出一种可以横向折叠、垂向嵌套式收放形式的新型风帆；
　　（2）基于CFD对新型风帆参数组合方式的优选：针对目标船舶45000DWT江海直达型散货船对风帆的主尺度进行了匹配设计，采用控制变量法分析研究风帆襟翼的单个参数对风帆的升、阻力特性以及推力性能的影响规律，以产生推力效果最大化为目标，得出了风帆襟翼各参数最佳的组合方式；
　　（3）新型风帆气动性能及风帆助航船舶节能效果和稳性分析：根据所确定的风帆襟翼参数组合方式得出风帆最佳推力系数、侧推力系数曲线，并与现代风帆和国外近期所提出的新型风帆的气动性能进行对比，结果表明，在部分风向下双尾襟翼帆的气动性能略优于其他种类的风帆形式；同时根据节能匹配计算方法对本文提出的新型风帆节能效果进行了分析，在理论层面分析双尾襟翼帆的应用效果；最后根据以往风帆助航船舶稳性校核经验对双尾襟翼风帆助航船舶的稳性进行初步校核，保证风帆助航船舶的航行安全；
　　（4）风帆助航船舶直航性仿真：根据风帆助航船舶运动数学模型，在不同风况及不同航速条件下，运用航向控制系统对加装新型风帆的目标船舶直航性进行仿真模拟，模拟结果表明了在正常海洋环境下，目标船舶加装所设计的双尾襟翼帆后利用航向控制系统，能在获得可靠的风帆推力同时，保证船舶航行过程的航向稳定性。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 项目研究的主要内容

第二章 双尾襟翼帆的设计方案

2.1 风帆在船舶助航应用中的要求

2.2 各类型风帆的对比分析

2.3 双尾襟翼帆的设计

2.4 本章小结

第三章 CFD的理论基础

3.1 CFD软件介绍

3.2 CFD的数学模型

3.3 湍流模型

3.4 网格拓扑

3.5 本章小结

第四章 双尾襟翼帆的参数优选及其性能分析

4.1 双尾襟翼帆受力原理分析

4.2 双尾襟翼帆襟翼参数的优选

4.3 双尾襟翼帆气动性能对比分析

4.4 双尾襟翼风帆助航船舶的节能效果分析

4.5 双尾襟翼风帆助航船舶的稳性校核

4.6 本章小结

第五章 双尾襟翼风帆助航船舶直航性仿真

5.1 风帆助航船舶运动数学模型

5.2 风帆助航船舶航向控制系统简介

5.3 风帆助航船舶直航性仿真结果分析

5.4 本章小结

总结与展望

工作总结

展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢