隨著全球對減少能源消耗和碳排放的需求日益迫切，各種節能技術和創新概念相繼出現。航運業正積極採用風力輔助推進技術，以應對環境挑戰，提高運營效率，推動全球航運邁向更可持續的未來。 重拾風帆：古老智慧的新生 風力輔助推進技術憑藉古老的海事智慧，正在革新航運方式。旋翼帆、吸力翼帆、剛性帆等風力輔助技術，近年來正成為減碳的重要推手。也符合ESG（環境、社會和公司治理）永續發展的理念。 根據《巴黎協定》設定的目標，國際海事組織（IMO）計劃到2030年實現年度總溫室氣體（GHG）排放量比2008年減少至少40%。透過降低船舶的碳足跡，航運業可望促進環境保護和可持續發展，助力實現全球氣候目標。 結合CFD分析的風力推進技術 2024年1月，國際海事組織（以下簡稱IMO）主要認證機構之一的法國Bureau Veritas集團，發布了《Wind Propulsion Systems - NR206-R02》風力推進系統規範，明確指出：「風力輔助推進系統（WASP）在船舶運行條件下產生的風力，應透過計算流體力學（CFD）、風洞測試或其它等效計算方法推導，並滿足IMO的要求。」IMO正式認同CFD作為可靠的分析工具，而達梭系統的數位技術在造船和海事環境中發揮了關鍵作用！ 達梭系統透過在現有船舶上改裝風帆來降低燃料消耗，航運業能夠藉由風力輔助推進技術這一創新方法，作為免費且可持續的能源；這不僅免去了對儲能電池的需求，還使船舶能以更少的燃料行駛更遠的距離，進一步節約成本。該解決方案也促使達梭系統贏得IMO的信賴。 圖1.達梭系統的CFD解決方案對海事系統的幫助 方法論與工作流程 以下流程圖重點展示了透過參數化CAD設計，單獨針對帆的幾何外型進行流固耦合（Fluid-Structure Interaction, FSI）最佳化模擬。此工作流程在3DEXPERIENCE平台上得到了擴展，使高精度模擬方法能夠更早地應用於設計階段。 圖2.流固耦合最佳化設計及風帆定位安裝之工作流程圖。其KPI目標包括帆的阻力和升力、變形和應力、帆在甲板上的位置，以及降低燃油。 進入初始階段，我們生成參數化CAD幾何結構，準確定義外部和內部配置，包含翼肋和翼樑的數量、尺寸。此階段也會建立船體的整體結構，如上層建築和起重機等元素。此外，設計中涉及的所有材料特性也被明確規定。 下一階段，一旦完成參數化CAD，設計師就會在3DEXPERIENCE平台上通過CFD計算單帆的穩態空氣動力性能。這是一個單相和穩態的Navier-Stokes模擬，主要的績效指標（KPI）是流速，並提取沿帆的壓力分佈。這個區域映射將自動作為後續流固耦合中結構模擬的輸入。 隨後進行單帆的結構模擬，此階段將定義所有內部連接。這個靜態和隱式結構模擬同樣在3DEXPERIENCE平台上完成，並獲得應力和變形的數據。 圖3.穩態氣動性能分析結果 圖4.結構分析結果 如果流固耦合的結果未達到設計目標，設計者可以利用最佳化和近似模型定義替代方案，透過迭代幾何外形或尺寸來改善空氣動力性能，或更換覆蓋材料或厚度以提高結構完整性。相反地，如果流固耦合的結果達標，則第一個循環結束。 考量貨船可用甲板空間有限，工作流程的第二循環主要應用於優化帆的配置和安裝。此系統模擬提供了基於LBM演算法的非穩態CFD大渦流模擬（Very Large Eddy Simulation, VLES），其根據工程師設定的羅盤，分析了橫向流動和帆對貨船的影響。從而確定甲板上適當的放置位置，並比較不同配置的差異，如圖5。 圖5.帆的不同配置與安裝 這一連串的協同模擬，可以透過3DEXPERIENCE平台上的自動化流程編排器進行最佳化，其中設計師定義需要最大化和最小化的關鍵績效指標（KPI），演算法會自動對幾何結構進行迭代。 圖6.關鍵差異化優勢 客戶迴響 MerConcept研究總監Antoine Gautier表示：「感謝達梭系統的3DEXPERIENCE平台其SIMULIA專家，我們在船舶的空氣動力學性能上獲得了顯著的改善，流線的極佳渲染圖展示了三體船周圍空氣的變形，高品質的圖像可以識別出形成尾跡的點。這些視覺模擬非常有用且可靠，因為我們發現了一些未被識別的條紋，尤其是在後臂周圍，促使我們修改整流罩的幾何形狀。」 最後Antoine Gautier總結：「我們顯著改善了船舶的空氣動力性能，並期待在水上帶來卓越的性能提升。經過整合所有在三體船上測試的元素後，我們應能夠實現70%的空氣阻力改善。這是我們能夠取得如此顯著進展的領域！」 達梭系統原文 關鍵字：Navier-Stokes、空氣動力、計算流體力學（CFD）、風力輔助推進系統（WASP）、流固耦合（FSI）