风帆效率
帆船航行的最基本原理就是利用「帆」的装置将风力转化为航行力,当风向改变时,帆的角度也要改变将风向改变的风力变成航行力以维持前进的方向。理論上这个角度是介於0 ~180 度之间,在这个角度差異下,帆船驾驶操作方式基本上可分为迎风航行、侧风航行及顺风航行等三种。
航向、风向与帆船操作方式示意图
帆如果缺乏了压力差,帆船就无法借力使力,也就无法前进。当船与真风夹角为0度时,船帆的兩面无法形成正负压力区,帆面也无法张起,只会如旗布般飘动。
只有当航向与风向形成超过45度角时,帆面才会应压力差鼓起,船才可以前进。
帆船在行驶上有分为顺风行驶、侧风行驶、与迎风行驶,正顺行驶就是顺者风向与风夹角180度而航行。一般人以为正顺行驶是最有效率的,其实不然。以下图来说视风(scheinbarer Wind,带动船只前进的力量) =真风(wahrer Wind,即自然风) -运动风(Fahrtwind,与真风相反的风)。正顺行驶时产生运动风的现象更为明显,视风力量被抵消更大。如果船只为多桅杆,正顺行驶也会因为后桅挡到前桅或主桅,变成只有风力作用到后桅的情况,都会影响风帆的效率。
帆船正顺行驶中的风力向量关系
侧风航行是指风从帆船航行路线的侧面來驱动船体前进,夹角为45度角时,属於近风行驶;夹角为60度角时,属於近侧行驶;夹角为90度角时,属於正侧行驶;夹角为135度角时,属於后侧行驶。
而逆风行驶(夹角0~45度角)是最没效率的;一般来说,要靠船只行左右近风行驶交替,以之字形的路线前进。综合以上所说,行驶效率是后侧行驶、正侧行驶>顺风行驶>近侧行驶>近风行驶>逆风行驶(0~45度角)。所以以多桅帆船来说,侧风航行的能力最为重要,而最佳的侧风角度则因帆装不同而有所变化。
风帆获得风力的公式为1/2 * 空气密度 * 风速^2 * 风帆面积 * 帆升力系数。如果帆吃风的效率好帆升力系数高,或风帆面积面积大则可以获得更大的推力,船速提升将更容易。
哥德堡号是一条三桅帆船,其帆装如下图:
1 斜杠帆 12 三角帆
2 四角斜桁帆 13 主桅支索帆
3 前桅主横帆 14 主中桅支索帆
4 前桅帆 15 主上桅支索帆
5 前上桅帆 16 后桅支索帆
6 主横帆 17 后中桅支索帆
7 主帆
8 主上桅帆
9 后桅纵帆
10 后桅中帆
11 前中桅支索帆
以下为哥德堡号模型进行风洞测试所得到的风帆综合升/阻力系数关系图,Y轴为升力系数,X轴为阻力系数:
风洞测试风向与风帆夹角示意图
哥德堡号风向夹角与风帆升/阻力系数关系图
下列是哥德堡号风帆获得最大帆升力系数与风向、风帆夹角关系表
而福船部份,因尚未有学者进行风帆升阻力测试研究,但我们可以利用其它的测试资料进行推演。日本人曾对一艘横挂典型中密杆梯形纵帆的2桅北前船进行风帆测试,以下是北前船的风帆综合升力/阻力系数:
两桅北前船风帆的升/阻力系数关系图
由以上的图可知,中密杆梯形纵帆的综合升力系数可以接近1.5,而哥德堡号的风帆其综合升力系数最高为0.82,且中密杆梯形纵帆其迎风时的风帆综合升阻比(升力系数/阻力系数)最高为4.2,也优於哥德堡号的1.75,符合其大家的认知-中式风帆综合效率优於西式风帆。但论文<<风帆空气动力学特性研究试验>>指出同一形状下其软帆的效率好於硬帆,且横木条越多效率越差。所以我认为中式风帆综合效率优於西式风帆不是在於材质,而是在於更优良的型状。
中式风帆虽然综合效率较优,但无法做大,因为以帆布制成的哥德堡号风帆,平均为每平方公尺一公斤重,其总重约为1.9吨。如果中式风帆要做成面积一样或较小,材质为竹篾编且有横木条的中式帆其总重会更惊人。所以我认为中式风帆适合使用在小船上,大船使用西式软帆。