一、研究背景
在當下這個提倡節能減排的時代，使用風力助推轉子為海洋船舶提供推進動力已成為近年來國內外的研究熱點。
德國工程師普蘭特爾（Prandtl）和安東·弗萊特納（Anton Flettner）早在20世紀初就提出，可以利用馬格努斯效應*開發一種高效的推進船舶的方法。
他們建造了一艘命名為巴登巴登號（Baden-Baden）的船，采用兩個可旋轉的高圓筒替代船帆，通過驅動圓筒在風中旋轉產生垂直于風速方向的力，從而為船體提供前行的推力，其重量只占原桅桿和船帆的1/4，如圖一所示。
圖一 Baden-Baden號
隨后巴登巴登號于1926年成功穿越大西洋，證實其風力助推轉子是十分有效的，這種為船舶提供推力的轉子也被稱為弗萊特納轉子（Flettner Rotor）。弗萊特納轉子的原理如圖二所示。
圖二 Flettner轉子原理圖
*馬格努斯效應：當一個旋轉物體的旋轉角速度矢量與物體飛行速度矢量不重合時，在與旋轉角速度矢量和平動速度矢量組成的平面相垂直的方向上將產生一個橫向力。在這個橫向力的作用下物體飛行軌跡發生偏轉的現象稱作馬格努斯效應。
之后由于柴油動力工藝的出現，以及柴油價格低廉的特點，風力推進裝置逐漸被替代。
近年來，隨著燃料價格的上升和人們對環境保護意識的提升， 弗萊特納轉子因其輕質、環保節能及易安裝等特點開始重新進入人們的視線，以達到節約燃料、減少碳排放量的效果。且弗萊特納轉子結構獨立，可整體布置于甲板之上，適用于甲板空間充足的貨船等船型，適用船型較為廣泛，也便于現有船改造安裝。
二、研究現狀
隨著國內外對弗萊特納轉子逐步深入的研究，其在船舶領域的應用也進入了一個新的階段。
2010年風能發電公司愛納康（Enercon）推出了一艘名為E-ship 1號的弗萊特納動力貨船并投入使用，見圖三。
圖三 E-ship 1號
在E-ship 1號上，弗萊特納轉子用于輔助柴油發動機為船體提供推力。如愛納康公司技術報告所述，由于裝有弗萊特納轉子裝置，燃油消耗減少了30%。
E-ship 1號目前正在使用中，據報道，到目前為止17000多海里的航程中，沒有提到關于弗萊特納轉子的特殊問題。
2014年Traut等人在CFD（計算流體動力學）仿真弗萊特納轉子氣動性能的研究基礎上，提出了一種性能模型，模擬了弗萊特納轉子的功率節約，他們的研究中指出，一艘裝有三個弗萊特納轉子的5500噸貨船可節省主機所需功率的50%。
2018年，世界第一艘液化天然氣/風能推進混合動力郵輪“M/S Viking Grace”號誕生，該船安裝了一個高24米、直徑4米的風力助推轉子，由于風力助推轉子技術的應用，這艘郵輪年平均節省液化天然氣可達300噸左右，年平均減少二氧化碳排放量約900噸。
國內目前也有對弗萊特納轉子的研究，例如702所和中船節能技術發展有限公司設計出了直徑1.5米，高度超過10米，設計轉速達550rpm的轉子。該風力助推轉子有望幫助大型散貨船和油船等實現低于IMO基線40%的四階段要求，具有潛在的應用價值。
三、助推轉子的優化
Thom在1934年曾提出，在弗萊特納轉子的頂部增加一個圓盤，可以顯著增加標準化轉速可達到的升力系數，減小阻力，提高節能效率。
目前，Thom盤對于弗萊特納轉子所提供的動力增強的效果是肯定的，但是對于這種增強效果還沒有一個準確的定量的分析和結論。
Clayton在1985年對增加了Thom盤的弗萊特納轉子進行了分析，數據肯定了增強效應的存在，但增強效果沒有Thom在1934年的報告中那么強。隨后Craft等研究人員在2011年使用URANS模型進行了模擬分析，模擬結果顯示，Thom盤對升力系數的增強效果不超過10%。
后有學者采用CFD軟件對帶Thom盤轉子的空氣流場進行模擬，采用與Thom當年實驗一致的參數，隨后得出結論為，大尺寸 Thom 盤對 弗萊特納轉子的動力表現有不利影響。圖四即為Craft在2011年的分析報告中，帶有和不帶有Thom盤的弗萊特納轉子繞流的Q基準等值面的截圖。
圖四 | 帶有和不帶有Thom盤的弗萊特納轉子繞流的Q基準等值面的截圖
四、小結
弗萊特納轉子已被證實可以為船舶提供助推力，有效的減少船舶的能耗，符合節能減排的國際發展趨勢，也是目前國內外研究的熱點。對于帶Thom盤弗萊特納轉子的模擬實驗這一部分相對較為缺失，尤其缺少大量的實驗數據支撐，其難點在于邊界條件的確定等，因此仍具有非常大的研究空間和研究價值。
參考文獻：
【1】Craft, Timothy J., et al. “Back to the future: Flettner-Thom rotors for maritime propulsion?.” THMT-12. Proceedings of the Seventh International Symposium On Turbulence Heat and Mass Transfer. Begel House Inc., 2012.【2】Lu, Ruihua, and Jonas W. Ringsberg. “Ship energy performance study of three wind-assisted ship propulsion technologies including a parametric study of the Flettner rotor technology.” Ships and Offshore Structures 15.3 (2020): 249-258.【3】Craft, Timothy J., Hector Iacovides, and Brian E. Launder. “Dynamic performance of Flettner rotors with and without Thom discs.” Seventh International Symposium on Turbulence and Shear Flow Phenomena. Begel House Inc., 2011.【4】Thom, A., 1934, Effects of discs on the air forces on a rotating cylinder, Aero. Res. Counc. R&M 1623.【5】張 靖，江友鈿，許偉明，胡 捷. 帶 Thom 盤的 Flettner 轉子的 CFD 模擬研究[J]. 機械研究與應用，2014.
