Experimental studies of wind and aerodynamics for wind-powered commercial ships

The wind is emerging again as a viable source of energy to propel commercial ships. This renewal is partially driven by new regulations aiming at cutting down the greenhouse gas emissions from the shipping industry, and partially by some actors who are willing to take a step towards this paradigm shift. Many different technological solutions have been developed or are under development since the past few years, some aiming at assisting the engines with extra wind energy and others aiming at vessels fully wind-powered. Although sailing has existed since a long time, transitioning from a tall ship or a leisure yacht to a sailing commercial vessel is complex. Some aspects of the physics of sailing are not fully understood yet, at least not when applied to ships that are so different from existing sailing ships. Large cargo vessels will require several sails or wings, to ensure enough propulsive force. The interaction effects between lifting surfaces placed so close to each other are only partially understood, and have only been little studied when it comes to arrays of wings. The impact of the hull on the flow is something rarely studied, partly because conventional sailing boats do not have such large hulls, and partly because it only matters for fast racing yachts. The interaction effects, both wing-wing and wing-hull are studied in this thesis with different methods: a potential flow numerical code, wind tunnel experiments and with a free-sailing 7 meter long model equipped with different types of sensors. Another question arises from the heights that wind propulsion devices reach above sea level, which are higher than any existing sailing boat, with the exception of few leisure super-yachts. The wind at these heights is partially unknown, at least offshore where ships operate. Both the evolution of wind with height and its unsteadiness have rarely been measured at heights relevant for wind propulsion. This thesis presents unique wind measurements of the Atmospher
Vind som energikälla för kommersiella lastfartyg är på frammarsch. Utvecklingen är delvis driven av nya föreskrifter som siktar att minska växthusgasutsläpp från sjöfartsindustrin, och delvis av aktörer som är villiga att ta ett steg mot det här paradigmskiftet. Olika tekniska lösningar utvecklas parallellt, några med syftet att stötta maskinen med extra vindkraft, och andra som syftar att driva fartyget uteslutande med vindkraft. Seglingskonsten är gammal, men att ta steget från en fullriggare eller en "vanlig" segelbåt till ett effektivt kommersiellt fartyg är komplext. Samtliga fysiska fenomen är inte helt utredda idag, i alla fall inte gällande fartyg som avsevärt skiljer sig från de traditionella. Stora fartyg har exempelvis behov av flera samverkande segel (eller vingar) för att få tillräckligt med drivkraft. Interaktionseffekter mellan dessa vingar, placerade nära varandra är bara delvis utredda och har ännu inte studerats fullt ut. Hur skrovet över vattenytan påverkar flödet runt vingarna är inte heller tillräckligt studerat. Detta delvis eftersom effekten är stor bara för kappseglingsbåtar men marginell för vanliga segelbåtar som också inte har så stora skrov som kommersiella fartyg. Interaktionseffekterna, vinge-vinge och skrovet-vinge är därför en del av den här avhandlingen, där de studeras med olika metoder: numeriskt med friktionsfri strömning i simulering, i vindtunnelförsök samt i segling med en friseglande nerskalad modell utrustad med en uppsjö sensorer. En annan relevant aspekt som studerats är effekten av att dessa fartyg är avsevär högre än existerande segelbåtar, med undantag för några få lyxjakter. Vindförhållanden vid dessa höjder över öppet hav är faktiskt inte helt känd. Varken hur vindhastighet och riktning utvecklas med höjden eller hur vindbyar utvecklas på dessa höjder har sällan studerats i literaturen. Avhandlingen presenterar unika vindmätningar av atmosfärens markgränsskikt över Nordatlanten utförda med vind-lidar monterad på et
QC240909