Numerical Investigation of Wind-Assisted Ship Propulsion

Abstract

Denne oppgaven undersøker det aerodynamiske potensialet til symmetriske vingeprofiler i konteksten av vind-assistert ship propulsjon, med mål om å redusere både drivstoffsforbruket og miljøpåvirkningen. Ved å benytte k-ω SST turbulensmodellen innenfor et Reynolds-Averaged Navier-Stokes rammeverk i OpenFOAM, simulerer denne studien aerodynamiske krefter som virker på en bulkskip utstyrt med fire stive NACA0015-seil ved forskjellige angrepsvinkler og tilsynelatende vindvinkler. De mesh-uavhengige finite volum-beregningene benytter innebygde veggfunksjoner for å modellere og forutsi essensielle strømningskarakteristika, og balanserer simulasjons-kostnad med nærvegg-oppløsning. Resultatene viser at godt orienterte vingeprofiler kan redusere en betydelig andel av fartøyets motstand i stille vann, særlig ved moderate tilsynelatende vindvinkler, hvor den aerodynamiske tilpasningen er mest gunstig. Moderate angrepsvinkler gir vanligvis den største netto fordelen ved å generere tilstrekkelig fremdriftskraft, samtidig som for høye laterale laster unngås. Tester ved vindvinkler under 30° gir begrensede gevinster, eller til og med negative netto effekter, mens et spekter fra 60° til 75° kan gi reduksjoner på over tjue prosent av den opprinnelige motorbelastningen. Likevel kan ytterligere forbedringer, slik som hybrid turbulensmodellering, frie-overflateinteraksjoner og ustasjonære vindforhold, øke nøyaktigheten til de numeriske estimasjonene. Totalt sett bekrefter dette studiet gjennomførbarheten for ettermontering av stive seil som en lovende rute mot å redusere utslipp og driftskostnader innen sjøtransport.

This thesis investigates the aerodynamic potential of rigid, symmetrical aerofoils in the context of wind assisted ship propulsion, aiming to reduce both fuel consumption and environmental impact. Using the k-ω SST turbulence model within a Reynolds-Averaged Navier-Stokes framework in OpenFOAM, this study simulates aerodynamic forces acting on a bulk-carries fitted with four NACA0015 rigid sails at various angles of attack and apparent wind angles. The mesh-independent finite volume calculations utilise built-in wall functions to model and predict essential flow features, balancing computational cost with near-wall resolution. Results show that well-oriented aerofoils can offset a significant fraction of the vessel’s calm-water resistance, particularly at moderate apparent wind angles, where the aerodynamic alignment is most favourable. Moderate angles of attack typically produce the greatest net benefit by generating sufficient forward thrust while avoiding excessively high lateral loads. Tests at wind angles below 30° yield limited gains, or even negative net effects, whereas a range of 60° to 75° can deliver offsets above twenty percent of the baseline engine load. Nevertheless, further refinements such as hybrid turbulence modelling, free-surface interactions, and unsteady wind profiles, could improve the accuracy of the numerical predictions. Overall, this investigation confirms the feasibility of rigid sail retrofits as a promising route toward reducing emissions and operational costs in maritime transport.