大家好,2021年6月27日星期日,欢迎收看293期睡前消息,请静静介绍新闻。
5月份,巴西淡水河谷公司的船队到中国接收一艘32.5万吨的货轮,上海船舶研究设计院给货轮设计了五根圆柱,预计能提高8%的驱动效率。这几根柱子看起来结构很简单,是怎么给几十万吨的轮船提供辅助动力的?
圆柱体的正式名字是旋翼帆,英文名称是rotor,。这个词一般直译成转子。在这里如果要给rotor做一个准确的中文翻译,可以称为转筒帆。
转筒帆的截面很小,还不如古代一两千吨木船的帆面积大,不能指望风力直接推动几十万吨的货船。但是,让圆筒转动起来,侧面风就能沿着船只前进方向产生明显的驱动力,这是因为马格努斯效应发挥了作用。
中学课本介绍过伯努利定律,流体运动速度增加时,压强一般会降低,如果能在一个物体两侧制造出不同的流体速度,就会出现压强差。比如说,在两张纸中间吹气,气流不仅不会把纸推开,反而会因为低气压让两张纸相互靠拢。
1672年,牛顿在剑桥看网球比赛,发现有人能打出弧线球,很快意识到空气流速差异会产生压力差,让球侧向移动。后来德国物理学家马格努斯在1852年正式提出了这个原理。(今天我在办公室录节目,可以让休假的马督工演示一下马格努斯效应弧线球技术)。
具体到中国刚刚制造的货船,旋转的圆柱有摩擦力,可以带动附近的空气跟着自己旋转,如果这个时候有侧风吹过来,圆柱表面就可以分成两部分,一个半圆带动的气流旋转方向和风向大致相同,另一个半圆的旋转方向和风向基本相反。显然,气流旋转方向相同的一侧空气流速更大,压强更小,就会受到来自另一侧的相对压力。形象一点,可以理解为侧风压力通过“反击”逆向旋转气流对圆柱体间接做功,给货船一个推力,所以安装旋翼帆的货轮也是风力推进的帆船。
足球通过自身前进来制造相对的逆风,而帆船要利用自然风,马格努斯效应发挥作用的细节有一定差异,马督工前面做的试验说服力还不太够,所以我又设计了一个实验,验证风可以对旋转圆筒施加横向推力。上海船舶研究设计院设计的大轮船,就是我这个模型的放大版。
(实验视频)
古代人类深入海洋,主要靠帆船,但是过去一个多世纪,大多数船并不利用风力,现在几十万吨的货船又用上了新型的船帆,为什么会有这样的变化?
帆船消失又出现,是技术和资本交替作用的结果。一种技术进入发展平台期,资本就会投资另一种技术,降低海运成本。
19世纪之前,人类找不到合适的船舶发动机,只能想办法充分利用风力,所以布置了复杂的桅杆与帆缆,代价是占满了甲板空间,影响船舶视野。老式帆船在风太小的时候跑不动,风太大的时候会因为桅杆大幅度倾斜,影响安全。所以,成熟蒸汽机一出现,立刻就开始取代风力,到了20世纪,只有少数小船和慢速货船还会使用船帆。
蒸汽机后来换成了内燃机,从烧煤改成烧油。从全寿命周期看,民船运行总成本只有10%是造价,剩下90%基本是燃料费用,所以船舶改进的主要方向是提升发动机效率。但是,工程师的努力必须服从流体力学和基本机械原理,最近几十年,该做的改进都做了,发动机技术已经进入了平台期。睡前消息第174期介绍过柴油机发展史,金东寒院士说,国内用了50年,把船用柴油机每千瓦时油耗降低了25克,进一步改善的空间非常有限。所以资本重新开始考虑投资风能驱动技术。
金东寒院士:国产发动机目前达到了什么水平,与强国之间的差距在哪儿?_搜狐汽车_搜狐网
利用风能有很多选择,最基本的方案当然是传统的帆船,但这首先要占用甲板空间,其次还要对甲板上几十个高大的受风面进行精确控制,就算可以用计算机替代人力,也很很容易出差错,不适合要规避风险的远洋海运。
如果不希望占用甲板空间,我们可以在货轮上栓一个巨型风筝,只需要栓个绳放飞就可以。过去人类做不出足够结实的风筝和风筝线,现代能制作降落伞的薄膜材料出现之后,风筝帆船也具备了一定可行性。2007年德国人开始实际测试这种“天帆”系统。但是,和传统风帆系统相比,“天帆”面积小,只能在顺风时利用风能,不适合作为常规辅助动力,所以到现在也很少有大型船只正式应用。
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下一个方案,就是我们前面介绍的旋翼帆或者说转筒帆,占用很少的甲板空间,恶劣天气危害不大,而且只要不是完全逆风就有一定作用,开发潜力比较大。18世纪微积分与流体力学开始成熟,人类已经能设计转筒帆,但是机械设备不够精密,造不出可用的设备。到了1925年,应用最新的工业加工能力,有人做出了转筒帆船的验证船,但当时各国都在努力开发新型的发动机,对这点新增动力不感兴趣。
Popular Science - Google Books,《科学月刊》,1925年9月,第27页
Alcyone号涡轮帆船
1983年3月10日New Scientist - Google Books新科学家New Scientist - Google Books,第656-659页
到了21世纪,发动机技术停滞,计算机技术进步,可以随时根据风向调整转筒的速度和方向,充分利用风力,转筒帆作为船舶辅助推进力的可行性越来越大。而且转筒帆系统构造简单、自重小、只需要很小的电机就能产生明显的推力,所以适合叠加到现有船型上,降低大宗物资的海运成本。
这次新闻中的船,设计方是上海船舶研究设计院。上船院之前在2016年设计了全世界最大的散货船,有40万吨,专门用来运输巴西淡水河谷的矿石。经过全方位的技术革新,油耗降低了19%。
Rotor Sail Technology Advantages | Norsepower
http://sdari.cssc.net.cn/component_news/news_detail.php?id=506
现在他们给32.5万吨的货船设计了5个转筒帆,每个帆直径4米,高24米。我们没法跟着货轮出海,但还是想深入了解这种外貌奇特的现代帆船,所以联系了上海船舶研究设计院的负责工程师,接下来我们去现场请教一下!
起身,走。