船舶风帆助推的多帆动力学干扰研究
摘要
风帆助航是一种切实可行的船舶节能减排方式。在节能减排要求日益严格的当下，
风帆助航技术作为一种应用相对成熟的技术方式，获得了船舶领域的广泛关注。目前对
于提高风帆助航效能的研究依然集中于改善风帆助航船的控制策略，但增加风帆数量也
是一种可行的方法。然而，增加风帆数量带来的推力提升也存在边际递减效应，在一定
条件下，风帆间的干扰会显著降低风帆的气动效率，因此对于风帆间的流动干扰规律亟
待研究。然而，目前对于多个风帆之间流动干扰效应的研究仍旧处于起步阶段，故而本
文以此为切入点，对影响风帆气动效率的流体动力干扰开展研究。
本文回顾了风帆技术的发展历史及研究现状，并对各方研究的优缺点进行了阐述；
分析了多帆动力干扰的受力模型、研究理论及研究方法，并结合已有实验，验证了仿真
模型的可靠性与准确性。
本文首先研究单个翼型帆的空气动力性能，结合文献资料与仿真数据确定了翼型帆
的展弦比与截面形状，分别对翼型帆的二维与三维模型进行了仿真。通过收敛性分析验
证了模型的收敛性，并分析了雷诺数对模拟结果的影响；探讨了有限展长对翼型帆升力
系数与阻力系数的影响，以及速度、压力沿展向分布的规律和三维翼型帆周围涡的结构，
并将模拟结果与实验进行了对比。最后，将以上结果转化为风帆对船的作用力，得到了
-
各相对风向角下的最大推力迎角与迎角推力系数曲线。
本文接着对横向距离d和纵向距离l等决定多帆间干扰规律的参数进行了研究，确
定了双帆间的空气动力学干扰规律。首先，本文对双帆顺风干扰规律进行了研究，分析
了后帆迎角相对前帆迎角发生改变对整体推力的影响，阐述了双帆距离对整体推力的影
响。然后，本文通过研究双帆侧风干扰的规律，探讨了双帆距离对升力系数和阻力系数
的影响规律及机理。最后，本文分别研究了斜侧风干扰下的四帆阵列模型和顺风干扰下
的四帆串列模型的空气动力学干扰规律，两种模型的空气动力学干扰规律印证了双帆干
扰规律的正确性。
本文通过仿真和实验研究了NACA0012翼型帆的流场特性、升阻力系数，以及多
个帆之间的干扰规律，为风帆助航船的设计与操纵提供了理论参考。
关键词：风帆助航；数值模拟；多帆干扰；翼型帆
船舶风帆助推的多帆动力学干扰研究
Abstract
Wind-assistedpropulsionisapracticalandfeasiblewaytoreduceenergyconsumption
andemissionsinshipping.Withincreasingdemandsforenergyefficiencyandemission
reduction,wind-assistedpropulsiontechnologyhasgainedsignificantattentioninthe
maritimeindustryasarelativelymatureapplication.Currentresearchonimprovingthe
efficiencyofwind-assistedpropulsionfocusesonimprovingcontrolstrategiesfor
wind-assistedships,butincreasingthenumberofsailsisalsoaviableapproach.However,
increasingthenumberofsailsleadstodiminishingmarginalreturnsintermsofthrust
enhancement.Undercertainconditions,theflowinterferencebetweensailscansignificantly
reducethe