Characteristic analysis of Magnus rotating marine energy saving device
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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。Abstract:Objectives Ship assisted navigation facilities can not only reduce the shipping cost and improve the economic benefits, but also improve the marine environment to some extent. The mechanical properties of rotor sail in the wind field as a kind of ship assisted navigation facility in ships are numerically simulated based on Magnus effect principle.Methods The variation rules of the thrust, lateral force and driving torque of the rotor sail with rotation speed, wind speed and wind direction angle are analyzed. A bulk carrier with rotor sails is taken as calculation case to assess the level of energy-saving.Results The results show that, the thrust and lateral force increase with the increase of wind speed and rotating speed, the highest level of energy-saving is achieved when the wind direction angle is nighty degrees, but the thrust reaches a peak value and then decreases gradually. The energy-saving varies with the wind direction angles, but driving the rotor sail requires power consumption and a lateral force will be produced as wind direction is nighty degrees which can cause the ship to yaw.Conclusions The results given in this paper can provide technical support for optimal design of the sail.
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Keywords:
- Magnus effect /
- green ship /
- rotor sail /
- numerical simulation /
- energy saving assessment
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0. 引 言
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。
1. 旋筒风帆概念设计
如图1和图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。
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。
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。
如图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
θ 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FT=FDcosθ+FLsinθ (1) FH=FDsinθ−FLcosθ (2) 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η=∑ni=1(UFLi−ΩiMi)/PE (3) 式中，n为旋转风帆个数；
FLi 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；PE 为航速为U时船舶的有效功率。2. 旋筒风帆性能研究
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及图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。
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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 angles3. 旋筒风帆节能评估
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。
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。
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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 directions4. 结 论
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。
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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
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