《Ocean Engineering》期刊于2025年发表了由大连海事大学、大连船舶工业有限公司及招商局能源运输股份有限公司共同合作完成的一项关于风帆助航技术的创新研究。该研究的主要作者包括张锐（Rui Zhang）、黄练忠（Lianzhong Huang，通讯作者）等。这项研究聚焦于一个核心工程问题：在船舶上安装多个刚性翼帆时，帆与帆之间的间距（Spacing）如何影响其空气动力性能，以及如何通过优化每面帆的迎角（Angle of Attack, AOA）配置来克服不利的相互干扰，从而最大化整个帆系统的推力。研究成果对于指导实际船舶风帆助航系统的布置和节能增效运行具有重要的理论和实践意义。
此项研究的学术背景深刻植根于全球航运业的绿色转型挑战。国际海事组织（IMO）日益严格的能效设计指数（Energy Efficiency Design Index, EEDI）等法规，正推动航运业探索包括风能、太阳能等在内的清洁能源技术。其中，风帆助航技术（Wind-Assisted Propulsion Technology）因其零排放特性而被广泛应用于油轮、滚装船等多种船型。在实际应用中，为了充分利用航线上的风能，船舶甲板上通常需要安装多面刚性帆。然而，多帆之间的空气动力学相互作用会显著降低单帆的效率，导致系统总推力小于各帆独立运行时的理论推力之和。过往研究已确认，帆间距是影响这种相互作用强度的关键因素，而所有帆采用相同迎角的“同步运行”（Synchronized Operation）模式是工程中的主流做法。本研究团队在前期工作中首次提出了“异步运行”（Desynchronized Operation）的概念，即在不同的帆（特别是处于气流上游和下游的帆）上采用不同的迎角，以改善流场并提升系统性能。但此前的研究未充分考虑帆间距这一关键变量与异步运行优化策略之间的耦合关系。因此，本研究的核心目标是：系统地探究在不同帆间距条件下，新月形翼帆的气动性能变化规律，并开发一套针对不同间距优化上下游帆迎角配置的方法，最终量化异步运行带来的节能收益。
本研究的工作流程严谨而系统，主要包含五个关键步骤。
第一步是构建几何模型与定义性能参数。 研究以一艘实际运营的30万吨级风帆助航油轮“新海怡”（New Vitality）及其配备的一对U形新月形翼帆为研究对象。帆的主要参数为：弦长14.8米，高35.6米，展弦比2.4。研究将一对帆作为基本单元，重点关注上游帆（Up Sail）和下游帆（Dw Sail）之间的相互作用。为了研究间距和迎角的耦合效应，研究设定了五种间距比（λ，定义为间距与弦长的比值）：1.5、2.0、2.5、3.0和4.0。对于每种间距，上游帆的迎角在0°至60°范围内变化，下游帆的迎角覆盖0°至70°（或60°）范围，总共构成了252种迎角组合的“实验设计”。性能参数方面，除了常规的升力系数和阻力系数，研究重点计算了沿船首方向的推力系数（Ct）和垂直于船首方向的横向力系数，这些系数直接反映了帆系统对船舶推进和操纵的影响。
第二步是基于计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）的数值模拟。 这是获取基础数据的关键环节。研究建立了全尺寸的三维计算域，采用非结构化的多面体网格，并在帆表面附近进行加密，以确保高雷诺数（约9.9×10^6）下流动模拟的准确性。湍流模型选择了在模拟翼型及类似高雷诺数流动中表现出良好平衡性的Realizable k-ε模型。边界条件设定为：来流风速10 m/s，表观风向角（Apparent Wind Angle, AWA）为110°。这是一个典型且有利的侧后风工况。通过对所有252种间距-迎角组合进行稳态RANS方程求解，研究获得了每面帆的升力、阻力，并进一步计算出系统总推力系数等关键数据。该CFD方法的有效性已通过与中国船舶科学研究中心（CSSRC）的风洞实验数据对比得到验证，推力系数和横向力系数的预测误差分别在5.4%和9.8%以内，证明了数值模型的可靠性。
第三步是建立代理模型（Surrogate Model）。 由于CFD计算成本高昂，直接对海量的、连续的迎角组合进行搜索优化是不现实的。为此，研究基于第二步获得的252组离散CFD数据，构建了一个克里金（Kriging）代理模型。这个模型的本质是一个数学函数，其输入是上游帆和下游帆的迎角（θ1, θ2），输出是预测的系统总推力系数。该模型能够以极高的计算效率（例如，以0.1°为步长）快速预测任何迎角组合下的性能，从而为后续优化提供了一个连续、平滑的响应面。
第四步是集成遗传算法（Genetic Algorithm, GA）进行优化。 研究将第三步建立的代理模型与遗传算法相结合，形成了一个自动化的优化程序。优化目标非常明确：在给定的帆间距下，寻找使系统总推力系数最大化的最优迎角组合（θ1, θ2）。优化问题的约束条件是迎角均在0°至60°之间。遗传算法作为一种高效的全局搜索算法，能够在代理模型构建的设计空间内进行广泛探索，避免陷入局部最优解。通过这个流程，研究为五种不同的间距分别找到了对应的“最优异步运行配置”。
第五步是结果分析与能效评估。 在获得优化结果后，研究不仅比较了同步运行与异步运行的性能差异，还深入分析了其背后的流体力学机理。通过对比同步运行（最大推力时）和异步运行（最优配置时）两种工况下帆周围的压力分布和流线分布，定性和定量地解释了性能提升的原因。最后，研究引入了航运业的关键能效指标——能效设计指数（EEDI），将不同间距和运行模式下的推力增益转化为实际的二氧化碳减排百分比，从而量化了异步运行策略的节能价值。
本研究取得了一系列重要且系统的结果，揭示了间距与运行模式之间复杂的耦合关系。
首先，在传统的同步运行模式下，帆间距对系统性能有决定性影响。研究发现，由于上游帆对下游帆的遮挡和尾流干扰，系统的总升力、阻力和推力均受到抑制。这种相互作用的强度与迎角大小成正比，与帆间距成反比。随着间距增大，下游帆所处的流场条件改善，其气动性能逐渐接近上游帆，使得整个系统的推力系数单调增加。此外，研究还发现一个有趣现象：在同步运行中，使系统获得最大推力系数的最佳迎角值并非固定，而是随间距增大而增大，从λ=1.5时的24.9°逐渐增加到λ=4时的36.1°并趋于稳定。这说明间距影响了干扰的严重程度，进而改变了系统的最佳运行点。
其次，优化得到的异步运行配置展现出显著优势。对于所有研究的间距，优化程序给出的最优配置都有一个共同特征：上游帆的迎角小于下游帆的迎角。例如，在间距最小（λ=1.5）时，最优配置是上游帆11.0°，下游帆45.0°；而在间距最大（λ=4）时，最优配置是上游帆26.1°，下游帆40.9°。上下游帆迎角的差值随着间距增大而减小。这种配置带来的性能提升是明确的：与同间距下同步运行的最大推力相比，异步运行能将系统推力系数提升1.6%到12.6%。提升潜力与间距成反比，即间距越小，异步运行带来的收益越大。在λ=1.5时，提升高达12.6%；而在λ=4时，提升仅为1.6%。
第三，流体力学分析揭示了性能提升的机理。通过对比压力分布图发现，在同步运行中，下游帆的吸力面低压区较小，导致其推力贡献较低。而在异步运行的最优配置中，减小上游帆的迎角削弱了其产生的下洗气流（Downwash Movement），使得更多、更“有序”的风能能够到达下游帆。同时，增大的下游帆迎角使其能更有效地利用这部分来流，在其吸力面形成更大范围的低压区，从而显著提高了自身的推力。两者结合，使得系统总推力超越同步运行模式。随着间距增大，即使在同步运行中，下游帆也能获得较好的来流，因此异步运行对其进行“优化”的空间就变小了，这解释了为何提升潜力随间距增大而减小。
最后，能效评估证实了技术的实用价值。研究以30万吨级油轮为计算案例，将推力数据代入EEDI计算公式。结果显示，与无帆状态相比，同步运行在不同间距下可降低EEDI值7.2%至8.7%。而采用异步最优运行后，EEDI的降低幅度进一步提升至8.2%至8.9%。异步运行相较于同步运行的额外EEDI改善幅度在1.7%至13.7%之间，再次印证了间距越小，改善效果越显著的结论。
本研究得出的结论清晰而有力。主要结论包括：1. 在帆系统的异步运行中，其相对于同步运行的性能提升潜力与帆间距成反比。间距越小，通过优化迎角配置所能获得的推力提升和EEDI改善越大。2. 帆间相互作用会抑制系统性能，其强度正比于迎角，反比于间距。增大间距是减弱干扰、提升同步运行性能的直接方法。3. 异步运行优化的核心机制在于：通过适当减小上游帆迎角并增大下游帆迎角，可以削弱上游帆的不利尾流影响，引导更多风能高效作用于下游帆，从而提升系统整体推力。间距变化不改变这一根本机制，但影响了其改善空间的“天花板”。
本研究的价值体现在多个层面。在科学层面，它首次系统地揭示了新月形翼帆（一种具有独特流动分离特性的非传统翼型）在不同间距下的相互作用机理，以及间距与异步运行优化策略之间的定量耦合关系，丰富了多体空气动力学和风能应用的理论。在方法论层面，研究成功地将高保真度CFD模拟、克里金代理模型和遗传算法有机结合，形成了一套高效、可靠的用于复杂气动系统多参数优化的通用流程，具有方法论上的创新性和推广价值。在工程应用层面，研究为风帆助航船舶的帆桅布局设计提供了关键指导：当甲板空间有限、帆间距不得不较小时，采用异步运行策略可以显著弥补因强干扰造成的性能损失；而当空间充裕、帆间距较大时，异步运行虽仍有收益但相对较小，工程上可权衡收益与控制复杂性来决定是否采用。这为船舶设计师和运营商提供了明确的决策依据。
本研究的亮点突出。重要的发现在于明确了“间距-异步运行收益”的反比关系，并给出了从1.6%到12.6%的定量区间。方法的创新性体现在构建了“CFD离散采样→代理模型连续化→智能算法全局优化”的完整技术链条，有效解决了高维、昂贵计算问题的优化难题。研究对象的特殊性在于聚焦于实际工程中已应用的新月形U型硬帆，其结论直接服务于“新海怡”号等现有船舶的性能提升，具有强烈的工程应用背景和现实意义。此外，研究将气动性能的提升最终落实到国际海事组织认可的EEDI指标上，使学术成果与行业法规和减排目标紧密衔接，提升了研究的实用价值和说服力。
当然，研究也存在一定的局限性，如主要基于单一的110°表观风向角进行分析，未来可拓展至更广泛的风向条件；EEDI计算中对风况进行了简化。后续研究可结合航线风资源数据与船舶航速优化，进行更全面的综合能效评估，并进一步探索帆系统在复杂操作下的结构力学特性。总体而言，这项研究为风帆助航技术的精细化设计和智能化运行奠定了坚实的理论基础，并提供了极具操作性的工程优化方案。