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Magnus旋转式船舶节能装置特性分析

李振琦 袁文鑫 李广年 郭海鹏

李振琦, 袁文鑫, 李广年, 等. Magnus旋转式船舶节能装置特性分析[J]. 中国舰船研究, 2020, 15(增刊): 1–6 doi:  10.19693/j.issn.1673-3185.02040
引用本文: 李振琦, 袁文鑫, 李广年, 等. Magnus旋转式船舶节能装置特性分析[J]. 中国舰船研究, 2020, 15(增刊): 1–6 doi:  10.19693/j.issn.1673-3185.02040
LI Z Q, YUAN W X, LI G N, et al. Characteristic analysis of Magnus rotating marine energy saving device[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2020, 15(Supp): 1–6 doi:  10.19693/j.issn.1673-3185.02040
Citation: LI Z Q, YUAN W X, LI G N, et al. Characteristic analysis of Magnus rotating marine energy saving device[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2020, 15(Supp): 1–6 doi:  10.19693/j.issn.1673-3185.02040

Magnus旋转式船舶节能装置特性分析

doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02040
基金项目: 宁波市科技局计划资助项目(2019C10091);浙江省新苗人才计划资助项目(2020R405078,2020R405093)
详细信息
    作者简介:

    李振琦,男,1996年生,硕士生。研究方向:高性能船舶设计,海洋资源开发与利用。E-mail:lizhenqi1@foxmail.com

    李广年,男,1981年生,博士,副教授。研究方向:高性能船舶设计,船舶推进器性能与设计,海洋动力资源开发与利用技术。E-mail:nianlg@aliyun.com

    通讯作者:

    李广年

  • 中图分类号: U664.1

Characteristic analysis of Magnus rotating marine energy saving device

  • 摘要:   目的  船舶助力航行设施可降低航运成本,提高经济效益,一定程度上还可改善海洋环境。基于Magnus效应原理,通过数值模拟方法,研究一种船舶助力航行设施(旋筒风帆)在风场中的力学性能。  方法  分析风帆推力、横向力,以及旋筒所需驱动扭矩随旋筒的转速、风速、风向角的变化规律,并以一艘安装有旋筒风帆的散货轮为对象,评估其节能效果。  结果  结果表明:风帆产生的推力和横向力随风速及旋筒转速的增加而增大; 当风向角为90°时,节能效果最好,但推力在到达峰值后会逐渐减小,风帆节能效果随风向角变化;驱动旋筒旋转会消耗功率,在产生推力的同时也会产生使船舶偏航的横向力。  结论  研究结果可为船舶旋筒风帆优化设计提供一定的技术支持。
  • 图  1  Magnus效应的流场

    Figure  1.  Flow field of Magnus effect

    图  2  Magnus效应的受力

    Figure  2.  Forces of Magnus effect

    图  3  旋筒受力图

    Figure  3.  Free-body diagram of rotating cylinder

    图  4  旋筒风帆助力示意图

    Figure  4.  Free-body diagram of rotor sail of ship

    图  5  计算域

    Figure  5.  Computational domain

    图  6  计算网格

    Figure  6.  Computational grid

    图  7  旋筒周围的边界层网格

    Figure  7.  Boundary layer grid around a rotating cylinder

    图  8  旋筒升力、阻力时历曲线

    Figure  8.  Time histories of lift and resistance of rotary cylinder

    图  9  推力、横向力随风速变化

    Figure  9.  Variation of thrust and lateral force with wind speed

    图  10  推力、横向力随转速变化

    Figure  10.  Variation of thrust and lateral force with rotating speed

    图  11  扭矩随转速的变化

    Figure  11.  Variation of torque with rotating speed

    图  12  推力、横向力随风向角的变化

    Figure  12.  Variation of thrust and lateral force with wind direction angles

    图  13  船舶航速−有效功率曲线

    Figure  13.  Profile of speed-effective power of ship

    图  14  不同风向角情况下旋筒风帆节能效果

    Figure  14.  The energy saving of rotor sail under different wind directions

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出版历程
  • 收稿日期:  2020-07-22
  • 修回日期:  2020-10-12
  • 网络出版日期:  2020-12-10

Magnus旋转式船舶节能装置特性分析

doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02040
    基金项目:  宁波市科技局计划资助项目(2019C10091);浙江省新苗人才计划资助项目(2020R405078,2020R405093)
    作者简介:

    李振琦,男,1996年生,硕士生。研究方向:高性能船舶设计,海洋资源开发与利用。E-mail:lizhenqi1@foxmail.com

    李广年,男,1981年生,博士,副教授。研究方向:高性能船舶设计,船舶推进器性能与设计,海洋动力资源开发与利用技术。E-mail:nianlg@aliyun.com

    通讯作者: 李广年
  • 中图分类号: U664.1

摘要:   目的  船舶助力航行设施可降低航运成本,提高经济效益,一定程度上还可改善海洋环境。基于Magnus效应原理,通过数值模拟方法,研究一种船舶助力航行设施(旋筒风帆)在风场中的力学性能。  方法  分析风帆推力、横向力,以及旋筒所需驱动扭矩随旋筒的转速、风速、风向角的变化规律,并以一艘安装有旋筒风帆的散货轮为对象,评估其节能效果。  结果  结果表明:风帆产生的推力和横向力随风速及旋筒转速的增加而增大; 当风向角为90°时,节能效果最好,但推力在到达峰值后会逐渐减小,风帆节能效果随风向角变化;驱动旋筒旋转会消耗功率,在产生推力的同时也会产生使船舶偏航的横向力。  结论  研究结果可为船舶旋筒风帆优化设计提供一定的技术支持。

English Abstract

李振琦, 袁文鑫, 李广年, 等. Magnus旋转式船舶节能装置特性分析[J]. 中国舰船研究, 2020, 15(增刊): 1–6 doi:  10.19693/j.issn.1673-3185.02040
引用本文: 李振琦, 袁文鑫, 李广年, 等. Magnus旋转式船舶节能装置特性分析[J]. 中国舰船研究, 2020, 15(增刊): 1–6 doi:  10.19693/j.issn.1673-3185.02040
LI Z Q, YUAN W X, LI G N, et al. Characteristic analysis of Magnus rotating marine energy saving device[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2020, 15(Supp): 1–6 doi:  10.19693/j.issn.1673-3185.02040
Citation: LI Z Q, YUAN W X, LI G N, et al. Characteristic analysis of Magnus rotating marine energy saving device[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2020, 15(Supp): 1–6 doi:  10.19693/j.issn.1673-3185.02040
    • 近年来,在“海洋强国”的战略背景下,人工智能、大数据、新材料和新能源为船舶设计建造注入了强劲的发展动力,船舶行业迎来巨大的发展机遇[1-3]。各种新设计理念融入到了船舶设计与建造中,例如智能船舶、绿色船舶[4]等。其中,绿色船舶理念旨在综合考虑环境影响和资源利用效率,使之贯穿于船舶全寿期(包括设计、建造、营运及报废回收)的各个阶段。自国际海事组织(IMO)提出船舶能效设计指数(EEDI)[5-6]要求以来,绿色船舶概念备受青睐,节能设计成为绿色船舶技术发展的重要方向之一。目前,船舶节能设计途径主要包括:航线优化设计[7]、航行姿态优化[8]、船型减阻优化[9-10]、辅助动力装置[11]等。上述节能设计中,水动力节能装置的应用已非常成熟,节能效果也非常显著。此外,船舶应用风能航行的方式也已存在数千年。古人就已知道“船使八面风”,通过安装软质风帆,借助风力来推动船舶航行。现代船舶主要是以柴油机作为推进装置,随着节能环保理念深入人心,借助风力推进船舶的概念又重新回到学者们的研究范畴[12-13]

      旋筒风帆是一种借助风力推动船舶的节能装置,是Magnus效应的实践应用。Magnus效应是由H. G. Magnus于1852年发现的一种流体力学现象,指在黏性不可压缩流体中,旋转物体会受到升力作用,进而影响物体在流体介质中行进路线的一种现象。此后,应用Magnus效应的各种工程实践装置先后出现。Seifert[14]介绍了基于Magnus效应的航空装置概念设计,其将旋转圆柱体作为航空器的升力装置,取得了良好的飞行效果。程友良等[15]研究了Magnus圆柱叶轮的水动力学特性及效率,指出Magnus圆柱叶轮和传统叶片相比具有更好的启动性能,圆柱自转会减小叶顶能量损失。朱弘[16]提出了一种基于Magnus效应的风能叶片的新构型,通过采用CFD模拟基于Magnus效应的风力叶片流场,比较了Magnus翼型与传统翼型的性能特征。肖中云等[17]研究了船艉形状对旋转体Magnus效应的影响,发现相对于标准形状的其他船艉形状,在所有来流情况下它们都起到了增大Magnus效应的作用,且Magnus效应产生的力和扭矩与船艉角成正比。李欣等[18]以大型远洋船为研究对象,分析了旋筒风帆作为辅助动力装置对船舶稳性、混合推进系统、电力负荷计算以及节能发挥的效果。由旋筒风帆的工作原理可知,其是利用发动机来使旋筒产生自转,在运动气流中旋转时,旋筒一侧的气压增大,另一侧气压降低,从而产生垂直于气流方向的横向力,引导风力产生向上的升力。通过改变旋筒转速,可调整升力大小及方向,使之产生向前的推力。

      尽管基于Magnus效应的实践应用在各领域均有所体现,船舶旋筒风帆也有相关的文献报道,但这些研究多注重于旋筒风帆的节能效果、工程应用或者产品推广等方面,针对风帆力学性能的研究并不细致,安装模式分析也不详尽。

      本文将基于Magnus效应构建船舶旋筒风帆力学模型,数值模拟其在风场中的力学性能,并将其应用于一艘散货船,以评估旋筒风帆的节能效果。

    • 图1图2所示,圆柱体在来流中顺时针旋转时,会带动其附近的流体做旋转运动,从而使与其同向旋转的流体速度增加,反向旋转的流体速度减小。鉴于圆柱体一侧流体速度大于另一侧流体速度,根据伯努利定理,两侧之间会存在压力差,此即Magnus效应力。同理,改变圆柱体旋转方向,其受力方向也会随之改变,与此同时还会受到一个与来流速度方向相反的阻力。

      图  1  Magnus效应的流场

      Figure 1.  Flow field of Magnus effect

      图  2  Magnus效应的受力

      Figure 2.  Forces of Magnus effect

      对于船舶甲板上安装的一个或多个圆柱体(圆筒),根据旋筒风帆的基本工作原理,在机械力驱动下,圆柱以Ω速度旋转,经扭矩M驱动,在自然界真风风速V下发生旋转运动,其水平方向受到与风向一致的阻力FD,同时还受到与风向垂直的升力FL作用,如图3所示。

      图  3  旋筒受力图

      Figure 3.  Free-body diagram of rotating cylinder

      自然界的风定义为真风。船舶航行时产生的一种风向与船舶运动方向相反、风速与船速相等的风,称为船风;船上观察到的风是真风与船风的矢量和,定义为视风。视风为船舶旋筒风帆可利用的风。船舶顺风航行,即船风和真风方向相反时,视风最小; 船舶迎风航行,真风和船风方向一致时,视风最大,但与前进方向相反的逆风会阻碍船舶前进,产生的风能不足以抵消产生的阻力。因此,使旋筒风帆助力航行效果最好的情况为迎风最小时的最大视风,也即垂直于船舶前进方向的风——横风。

      图4所示,当风向与船舶航向垂直时,旋筒风帆的升力与航向一致,但风向很难完全与船舶前进方向垂直。定义$ \theta $为视风方向与船舶航速方向的夹角,与航向一致的推力为FT,横向力为FH,则有

      $$ {F}_{\rm{T}}={F}_{\rm{D}}{\cos}\theta +{F}_{\rm{L}}{\sin}\theta $$ (1)
      $$ {F}_{\rm{H}}={F}_{\rm{D}}{\sin}\theta -{F}_{\rm{L}}{\cos}\theta $$ (2)

      图  4  旋筒风帆助力示意图

      Figure 4.  Free-body diagram of rotor sail of ship

      由于在多个旋筒及其位置不同的情况下,与螺旋桨推力的合力也不相同,所以通过控制和改变各旋筒的旋转速度,可以获得最优的风帆助力航行效果,但风速、风向并非一成不变,也应适时调整旋转速度。

      安装风帆后,风帆推动船舶产生的推进功率为$ U $*FT(其中U为船舶航速),驱动旋转风帆所需功率为Ω*M,则风帆的节能效果为

      $$ \eta =\sum\nolimits_{i=1}^{n}(U{F}_{\mathrm{L}i}-{\varOmega }_{i}{M}_{i})/{P}_{\mathrm{E}} $$ (3)

      式中,n为旋转风帆个数;$ {F}_{\mathrm{L}i} $为第i个风帆所产生的推力;Ωi为第i个风帆的转速;Mi为第i个风帆产生的扭矩;$ {P}_{\mathrm{E}} $为航速为U时船舶的有效功率。

    • 本文研究对象为一个直径5 m、高30 m的圆柱体(旋筒风帆)。圆柱体在空气中旋转及前方有来流稳定时产生Magnus效应,如图1图2图4所示。考虑到圆柱体的上下对称性,采用对称计算域算法,即以轴长中点为坐标系原点,轴长方向为坐标系z轴方向,则平面z=0为计算域对称面。如图5所示,计算网格分为2个部分:内部网格Rotor为旋转域,外部网格Out为静止域。Rotor的边界大小为直径6 m、高15.5 m的圆柱体,边界为内部面,旋转域按设定的旋转速度整体转动。Out的边界范围为x=[−18 m, 40 m],y=[−25 m, 25 m],z=[0 m, 30 m]的长方体,其前方、上方和侧方为入流条件,后方为0梯度出流条件,底部为对称面。

      图  5  计算域

      Figure 5.  Computational domain

      图6示出了计算域的网格划分情况,在旋筒前方1.5倍处至出口的范围内采用网格加密,其中在旋筒后方3倍直径范围内采用更密的网格。图7示出了旋筒周围的边界层网格。图8给出了旋筒升力、阻力的时历曲线。由图可见,升力和阻力在60 s左右趋于稳定并逐渐收敛,阻力绝对值相对升力非常小。

      图  6  计算网格

      Figure 6.  Computational grid

      图  7  旋筒周围的边界层网格

      Figure 7.  Boundary layer grid around a rotating cylinder

      图  8  旋筒升力、阻力时历曲线

      Figure 8.  Time histories of lift and resistance of rotary cylinder

      图9示出了推力、横向力随风速变化的情况。此时,U=7.5 m/s,Ω=360 r/min,风向角(自然界真风与船舶航向的夹角)ψ=90°,V从4 m/s逐渐增大至12 m/s。在横风状态下,横向力随风速的变化不大,而推力则随风速的增加而增大。显然,在横风状态下,风速越大,旋筒风帆的助力航行效果越明显。

      图  9  推力、横向力随风速变化

      Figure 9.  Variation of thrust and lateral force with wind speed

      图10所示为推力、横向力随旋筒转速变化的情况。此时,U=7.5 m/s,V=7.5 m/s,ψ =90°。当Ω从90 r/min逐渐增大至540 r/min时,推力和横向力随转速的增加而增大。推力增大有助于降低船舶能耗,而横向力增大则会造成船舶增加一个偏航扭矩,无益于船舶航行。图11所示为在相同工况下驱动旋筒风帆的扭矩随旋筒转速变化的情况。由图可见,随着旋筒转速的增加,所需驱动扭矩迅速增加,这意味着驱动旋筒风帆需要的功率也在增大。

      图  10  推力、横向力随转速变化

      Figure 10.  Variation of thrust and lateral force with rotating speed

      图  11  扭矩随转速的变化

      Figure 11.  Variation of torque with rotating speed

      图12所示为推力、横向力随风向角的变化曲线。此时,U=7.5 m/s,V=7.5 m/s,Ω=360 r/min。由图可见:当ψ从0°逐渐增大至180°时,在ψ=[0°,90°]区间内,推力随风向角的增加而增大;而在ψ=[90°,180°]区间内,推力又从峰值逐渐减小;在ψ=[0°,180°]区间内,横向力随风向角的增加而增大;在ψ=[60°,90°]区间内,推力接近峰值,而横向力则相对较小,此时助力航行效果较好。

      图  12  推力、横向力随风向角的变化

      Figure 12.  Variation of thrust and lateral force with wind direction angles

    • 选取一艘15万吨级的散货船作为评估对象。该船主尺度为:垂线间长264 m,型宽48 m,型深23.2 m,满载吃水16 m,方形系数0.819,设计航速15 kn。该船安装有2个旋筒风帆,直径5 m,高30 m。

      图13所示为计算得到的船舶航速−有效功率曲线。此时,计算工况为:V=6 m/s,ψ=90°,Ω=360 r/min。计算结果显示,安装风帆后的船舶有效功率比未安装风帆时明显降低。

      图  13  船舶航速−有效功率曲线

      Figure 13.  Profile of speed-effective power of ship

      综上所述,可知风向角不同,旋筒风帆的节能效果也不同。图14所示为按照式(3)计算得到的不同风向角下旋筒风帆的节能效果。此时,船舶设计航速Vs=15 kn,V=6 m/s,Ω=360 r/min。由图可见,在ψ=30°时,节能达4%; 在ψ=60°时,节能为13.2%; ψ=90°时,节能效果峰值达到18.7%。此后,随着风向角的增大,节能效果逐渐减弱。

      图  14  不同风向角情况下旋筒风帆节能效果

      Figure 14.  The energy saving of rotor sail under different wind directions

    • 本文基于Magnus效应原理设计了船舶旋筒风帆助力装置,对其力学性能进行了数值模拟,并以一艘布置有2个旋筒风帆助力装置的散货船为研究对象对其节能效果进行了评估。得到以下主要结论:

      1) 旋筒风帆所产生的推力、横向力随风速以及旋筒转速的增加而增大;随着风向角的增加,横向力逐渐增大。在ψ=90°时,推力到达峰值后开始逐步减小;随着转速的增加,驱动旋筒风帆所需的功率也在增大。

      2) 经计算,得到散货船的节能效果最高可达18.7%,节能效果随风向角的不同而不同,在ψ =90°时节能效果最好。

      3) 驱动旋筒旋转运动也需要消耗船舶功率,在产生推力的同时其也会产生一个可使船舶偏航的横向力。

参考文献 (18)

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