摘要：风帆助航技术作为船舶温室气体减排的重要措施之一，对于满足日益严格的船舶温室气体减排法规要求、促进绿

　　色航运发展具有重要意义。首先，介绍各类型风帆，包括转筒风帆、硬质风帆和风筝帆等的助航技术原理，并结合典型

　　船舶案例分析其节能效果，总结各类风帆助航技术的典型特征；其次，分析影响风帆助航性能的多种因素，包括环境因

　　素（如风速、风向及风资源的梯度分布）、风帆间的相互干扰、船舶上层建筑的干扰等；最后，结合相关研究现状，提

　　出船舶风帆助航技术必须解决的技术瓶颈，以期为风帆助航技术的应用提供参考。

　　船舶温室气体减排初步战略》，要求2050年国际航并减少CO2排放，有助于促进航运业可持续发展。

　　2023年，IMO通过了《2023年IMO船舶温室气体减二、风帆助航技术

　　排战略》，要求国际航运温室气体排放总量2030年风帆助航作为一种古老的推进技术，近年来在

　　年左右实现航运温室气体零排放。在此背景下，为多的船东采纳。国际上，许多公司已成功将风帆技

　　航运业探索清洁能源解决方案，提升船舶绿色化水术应用于远洋商船。在中国，多家船舶制造单位也

　　平以满足日益严格的温室气体排放要求十分重要。在积极推动风帆技术的发展，如大连船舶重工集团

　　商船可利用的清洁能源分为可再生能源和不可和上海中远海运重工等，已成功试航了多艘配备风

　　再生能源两类。不可再生能源如液化天然气帆的油船和散货船。这表明中国在风帆船的研发、

　　*项目编号：论文获国家重点研发计划项目（项目编号：2022YFB4300803）资助。

　　转筒风帆是一种十分有效的风能捕获装置，它省多达25%的燃料[3]。2014年，Bore公司旗下一艘

　　国船舶Buckau首次安装转子装置并进行航行测试，筒风帆，该船在荷兰与英国之间往返航行，能够实

　　图1转筒风帆船Buckau的燃料油消耗[5]。图3为转筒风帆的典型应用案例。

　　Norsepower公司生产的最大的旋翼帆高35m、直径太阳能发电技术，实现40%以上燃料节约[9]。近年

　　5m的可倾斜转筒风帆。当通过高度限制的大桥及来，欧盟等组织也支持风帆改造项目，以减少航运

　　硬质风帆也是一种现代化的风帆，通常由坚固翼柴油机混合动力船舶”技术。以5万t级散货船

　　的材料制成，其具备良好的空气动力特性。与传统“鹏龙”轮为目标，首次提出基于机翼理论的设计

　　的软帆相比，硬质风帆的结构更为稳定，维护成本并完成样机建造及调试，证明其节能效果达到

　　较低，适合在各种航行条件下使用。翼型风帆是一5%~10%。2018年，全球首艘装备U型翼帆的超大

　　种具有代表性的硬质风帆，它的基本工作原理是：型油船“凯力”轮建成，实现4.5%的燃料节省；

　　空气流经风帆时，风帆压力侧的气流速度低于吸力2022年，姊妹船“新伊敦”轮成功试航，节省高达

　　侧，根据伯努利效应，风帆压力面的压强远高于吸9.8%的燃料，减少2900t碳排放[10]。此系列项目标

　　力面，从而产生垂直于气流方向的升力和沿气流方志着我国在相关技术领域达到了国际领先水平。

　　向的阻力[7]。图4为翼型风帆的工作原理示意图。图5是新一代大型翼帆助航船舶“新伊敦”轮。

　　风筝帆的工作原理是通过风筝线翼型风帆工作原理示意图捕获的风能转移到船舶上，从而减少移动船舶所需

　　翼型风帆结构可靠性高、推力上限大且适应风的主机动力。风筝在正常情况下会对船产生拉力，

　　向范围广泛，已在航运领域得到了广泛应用。现代这可以转化为主机产生的等效功率。风筝帆的系统

　　翼型风帆技术始于20世纪80年代，日本首建Shin相对简单，没有复杂的机械结构和动力系统，因

　　AitokuMaru油船，搭载日本海洋机械发展协会研发此，帆体具有较高的可靠性和耐久性。图6为风筝

　　的JAMDA型风帆，随后又推出UsukiPioneer散货帆的工作原理示意图[。与其他风力推进系统相

　　共建造17艘装备JAMDA风帆的船舶。同一时期，度超过150m，有时甚至达到400m。风筝帆几乎不

　　英国的Ashington轮也实现了高达30%的燃料节省。占用甲板面积且无须担心帆体受船舶货物遮挡影

　　2005年后，油价上涨促使风帆助航技术再度受到重响，对于集装箱这类甲板利用率高的船舶是一个较

　　视，意大利PeriniNavi公司于2006年建造了首艘好的选择。然而，由于盛行风和风筝系统的其他限

　　制，风筝帆开启使用和产生助推力的时间较短，这有少数其他类型的风帆应用于现代商船上。

　　使得风筝帆在远洋船舶上只能开启20%~30%的时吸力帆是一种先进的风力辅助推进方案，它利

　　2007年，全球第一艘用风筝帆拉动的货船硬质风帆，风帆完全展开后利用风力推进船舶。充

　　BelugaSkySails轮由德国汉堡市起航，横渡大西洋气风帆可以快速充气和放气，使得帆面可以在需要

　　驶往休斯敦。该风筝帆的面积有160m²，能够减少时展开，而在进人港口或通过桥梁时收起，这为船

　　10%~35%的耗油量。此外，BeyondtheSea公司研舶在复杂水域的航行提供了极大的便利[14]。

　　发生产的风筝帆SeaKite，其适用于油船、散货船和三翼风帆是一种创新的风帆助航技术，由英国

　　集装箱船等，该风帆具备完整的自动风筝牵引系能源科技公司WindshipTechnology开发。每个风帆

　　统，平均节省燃料约20%2]。2023年，Airseas公司都配有后缘襟翼，能优化各种风向产生的动力。这

　　制造的面积250m²的风筝帆Seawing安装在了154m种设计使装置能产生任何当前风动力方案的最高功

　　16%的燃油。图7是风筝帆典型应用案例。转筒风帆、硬质风帆和风筝帆等主流风帆特征

　　风筝帆运行高度高，所以风速稳定几乎不占用甲板面积。本高；3.逆风性能差。伯努利原理35

　　舶安装风帆，可以更有效地利用风能资源。在使用积，因此研究风帆之间的相互干扰尤为重要。

　　用周期性海洋季风，顺风张帆、逆风收帆，以达到翼帆的气动特性，结果表明第一个风帆受到的风力

　　风速和风向是影响风帆气动干扰的直接因素。低了下游帆的阻力。Atkinson等[24]进一步利用CFD

　　风速的变化会影响风帆上的气流速度，进而改变产方法探讨了单个圆弧型翼帆的气流与阻力特性，发

　　生升力和阻力的大小；风向的变化则会影响风帆的现当攻角超过30°时，尾迹显著形成，可能导致下

　　攻角，进而改变气动特性。在实际应用中需要适时游风帆受到干扰。因此建议在安装多个风帆时尽量

　　调整风帆的迎风角，使其能够适应不同的风速和风增加其间距以优化气动性能。Zeng等[25]分析了风帆

　　向，进一步保持最佳的气动效率。的尾流特性，强调空气流速降低与尾流振荡对下游

　　海平面上的自然风呈现沿海拔梯度化分布。随风帆的负面影响。Li等[26]探讨了三个纵向布置风帆

　　着高度的增加，风速逐渐增大。Li等[17通过数值模的助推性能，发现风帆间距离是实现高气动特性的

　　拟分析了翼型风帆在大气边界层中的气动特性，发关键因素。Sun等[27]研究了间距对双帆推进系统总

　　现梯度风能够有效延缓失速并提高升力最大系数。升力系数的影响，指出前后风帆之间存在显著的相

　　胡文蓉等[18采用计算流体力学（CFD）方法研究了互干扰，且当距离在0~1倍弦长范围内时，升力系

　　三角形翼帆在梯度风条件下的空气动力性能，然数随距离增加而增长，最终在1~3倍弦长范围内趋

　　而，他们未能对比梯度风与均匀风下的气动性能差于稳定。Makram等[28]设计了九种不同展弦比、锥

　　异。司朝善等[19则针对VLCC船的U型翼帆布置方案度比及风帆数量的风帆阵列，强调了风帆间相互作

　　进行了研究，采用梯度化数值风场以更准确地模拟用的重要性。研究指出，不考虑相互作用将导致风

　　海洋大气边界层流动。此外，Zeng等[20]在风洞实验帆系统推力与横向力被高估。同时，风速也是影响

　　中探讨了均匀风与梯度风对圆弧型翼帆的影响，结风帆间干扰的重要因素，即随着风速增加干扰效应

　　果表明，在梯度风条件下，升力和阻力系数均有所显著增强，从而使得推力降低。Lee等[29]通过数值

　　等[21]亦利用CFD方法研究了圆弧型翼帆的气动性当攻角固定为8°时，多个翼型风帆的推力系数相

　　能，得出在梯度风环境中，翼型风帆最佳攻角不会比单个风帆降低了21%~43%。

　　综上所述，国内外学者对风帆间的干扰现象进示在布置风帆时应远离上层建筑，并尽可能减小风

　　行了广泛研究，主要结论可归纳为两点：（1）风帆之间的影响。Fujiwara等[30]利用风洞试验研究了

　　帆间相互作用导致风帆系统的推力低于理论总和；三角形风帆和矩形风帆之间的相互作用以及风帆与

　　（2）双帆间距为影响多帆系统气动特性的重要因船体上层建筑之间的相互作用，发现沿船长纵向布

　　素，其干扰程度与间距呈反比例关系。因此，在同置的四个三角形风帆的平均推力衰减为单个帆的

　　一船舶上安装和应用多台风帆时，需要重视风帆间75%，而矩形风帆的平均推力衰减为单个帆的

　　司朝善等[19]利用CFD方法对VLCC船周围的流风帆与船体上层建筑之间的相互影响。

　　场进行了仿真模拟，并总结了船舶上层建筑对风帆汇总相关研究结果，风帆助航干扰因素对比情

　　风速和风向风速变化会影响风帆上的气流速度，从而改变升力和阻力；调整风帆适应不同的风速和风向以

　　风帆之间的相互干扰导致系统的推力低于理论总和，通过增加间距来降低风帆间干扰，

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