Fluid-structure interaction of a triple-wingsail system
Responsible organisation
2026 (English)Conference paper, Oral presentation with published abstract (Other academic)
Abstract [sv]
Avkarboniseringen av sjöfarten har ökat intresset för vindassisterad fartygsframdrivning (WASP) som en möjlig väg att minska utsläppen av växthusgaser. Bland olika WASP-tekniker erbjuder rigida vingsegel hög aerodynamisk verkningsgrad, men deras integration i flersegelkonfigurationer medför utmaningar avseende aerodynamisk interferens, strukturell respons och övergripande framdrivningseffektivitet~\citep{ref1,ref2}. Denna studie presenterar en fluid--strukturinteraktionsanalys (FSI) av ett system med tre vingsegel med halvmåneformade profiler, utformat för stora kommersiella fartyg. Ett tvåvägskopplat simuleringsramverk utvecklades, där strömningsberäkningar (CFD) kombineras med finita elementanalyser (FEA). Det aerodynamiska strömningsfältet löstes med Improved Delayed Detached Eddy Simulation (IDDES), medan den strukturella responsen modellerades med en förenklad solid representation av vingseglet. Nätdeformation baserad på radiala basfunktioner (RBF) tillämpades inom ett arbiträrt Lagrange--Euler-ramverk (ALE) för att upprätthålla nätkvaliteten vid stora deformationer. Analysen fokuserade på tre skenbara vindvinklar (AWA = $60^\circ$, $90^\circ$ och $120^\circ$) vid en fast anfallsvinkel (AOA = $20^\circ$). Resultaten visar att den aerodynamiska lastfördelningen är starkt obalanserad mellan seglen. Det främre seglet utsätts konsekvent för högst lyftkraft, motstånd och kraftigast fladder på grund av ostört inflöde, medan nedströms segel verkar i dess vak och därmed genererar lägre dragkraft. Bland de studerade vindförhållandena ger AWA = $60^\circ$ högst total framdrivningseffektivitet, medan AWA = $120^\circ$ leder till betydande strömningsseparation och försämrad prestanda. FSI-kopplingen visar märkbara strukturella deformationer, där det främre seglet uppvisar störst böjning och högst von Mises-spänningar, vilket understryker behovet av förstärkning i konstruktionen. Vidare reducerar FSI-effekter nettodragkraften jämfört med rena CFD-prediktioner, vilket belyser vikten av att beakta aeroelasticitet i prestandabedömningar. Arbetet ger nya insikter i samspelet mellan aerodynamik och struktur i flersegelsystem. Resultaten bidrar till prestandaprognoser, optimering av arrangemang och strukturell säkerhet för WASP. Utöver kommersiell sjöfart är metodiken och slutsatserna direkt relevanta för högpresterande seglingsapplikationer där flera lyftgenererande ytor samverkar under ostationär aerodynamisk belastning.
Abstract [en]
The decarbonization of shipping has accelerated interest in wind-assisted ship propulsion (WASP) as a viable path to reduce greenhouse gas emissions. Among different WASP technologies, rigid wingsails offer high aerodynamic efficiency, but their integration in multi-sail configurations raises challenges regarding aerodynamic interference, structural response, and overall propulsion efficiency~\citep{ref1,ref2}. This study presents a fluid--structure interaction (FSI) analysis of a triple wingsail system with crescent-shaped profiles, designed for large commercial vessels. A two-way coupled simulation framework was developed, combining computational fluid dynamics (CFD) with finite element analysis (FEA). The aerodynamic flow field was resolved using the improved delayed detached eddy simulation (IDDES), while the structural response was captured with a simplified solid representation of the wingsail. Mesh morphing based on radial basis functions (RBF) was applied within an arbitrary Lagrangian--Eulerian (ALE) framework to maintain grid quality during large deformations. The analysis focused on three apparent wind angles (AWA = $60^\circ$, $90^\circ$, and $120^\circ$) at a fixed angle of attack (AOA = $20^\circ$). Results show that the aerodynamic load distribution is highly imbalanced across the sails. The forward sail consistently experiences the highest lift, drag, and strongest flutter due to undisturbed inflow, whereas downstream sails operate in its wake with reduced thrust. Among the studied wind conditions, at AWA = $60^\circ$, the system delivers the highest overall propulsive efficiency, while at $120^\circ$, significant flow separation reduces performance. FSI coupling revealed notable structural deflections, with the forward sail having the greatest bending and von Mises stresses, emphasizing the need for reinforcement in design. Moreover, FSI effects reduced net thrust compared to pure CFD predictions, highlighting the importance of considering aeroelasticity in performance assessments. This work provides new insight into the aerodynamic and structural interplay in multi-wingsail systems. The findings contribute to performance prediction, arrangement optimization, and structural safety of WASP. Beyond commercial shipping, the methodology and conclusions are directly relevant to high-performance sailing applications where multiple lifting surfaces interact under unsteady aerodynamic loading.
Place, publisher, year, edition, pages
Göteborg: 7th International Conference on Innovation in High Performance Sailing Yachts and Wind Assisted Ships. InnovSail 2026, Gothenburg, Sweden, 3-5 June 2026. , 2026.
Series
Trafikverkets forskningsportföljer
Keywords [sv]
Sjöfart, teknik, fartyg
National Category
Transport Systems and Logistics
Research subject
FOI-portföljer; FOI-portföljer, Sjöfartsområdet
Identifiers
URN: urn:nbn:se:trafikverket:diva-22265Archive number: TRV 2024/98491OAI: oai:DiVA.org:trafikverket-22265DiVA, id: diva2:2075158
Conference
7th International Conference on Innovation in High Performance Sailing Yachts and Wind Assisted Ships. InnovSail 2026, Gothenburg, Sweden, 3-5 June 2026.
Projects
Digital aerodynamisk prediktion och stabilitetssäkerhet för att stärka vingsegels integritet under dynamiska fartygsrörelser (SafeWinds)
Funder
Swedish Transport Administration, TRV 2024/984912026-06-182026-06-182026-06-18