Fluid Structure Interactions of Symmetrically Cambered Wing Sail withSimplified Structure
Responsible organisation
2026 (Swedish)Conference paper, Published paper (Other academic)
Abstract [sv]
Moderna rigida vingsegel har fått ökad uppmärksamhet under de senaste åren på grund av deras potential att minska fartygs bränsleförbrukning. Medan de flesta analyser fokuserar på vingseglens aerodynamiska prestanda, har relativt lite forskning behandlat deras strukturella respons på aerodynamiska laster. Denna studie syftar till att adressera denna kunskapslucka genom att genomföra en fluid–struktur-interaktionssimulering (FSI) av ett symmetriskt kamrat vingsegel med en förenklad struktur. Målet är att analysera den globala deformationen och spänningstillståndet i strukturen vid en anfallsvinkel på $15^\circ$. Studien bygger vidare på tidigare arbete med en tvådimensionell profil, som här utvidgas till tre dimensioner. Det fullskaliga vingseglet är 72 meter högt och avsmalnar från en kordlängd på 14 meter vid roten till 7 meter vid spetsen. Fokus på global deformation möjliggör användning av en förenklad struktur bestående av tre huvudkomponenter: masten, fem spryglar samt en beklädnad som omsluter spryglarna och bildar den aerodynamiska ytan. FSI-simuleringen genomförs som en samsimulering mellan STAR-CCM+ och Abaqus. Luftströmningen har ett Reynolds-tal på $10^7$ och antas vara inkompressibel. Turbulensen modelleras med en $k$--$\omega$ SST-baserad Improved Delayed Detached Eddy Simulation-metod. Preliminära FSI-resultat visar att strömningen inducerar en ökning av den effektiva anfallsvinkeln, vilket leder till motsvarande ökning av lyft- och motståndskraft. Frekvensanalys visar ingen resonans mellan de ostationära aerodynamiska lasterna och de tio första egenmoderna, med minimal inducerad deformation.
Abstract [en]
Modern rigid wing sails have received increasing attention in recent years due to their potential to reduce ship fuel consumption. While most analyses focus on the aerodynamic performance of wing sails, little research has been conducted on their structural response to aerodynamic forces. This paper seeks to address this gap by performing a fluid-structure interaction (FSI) simulation of a symmetrically cambered wing sail with a simplified structure. The goal is to analyse the global deformation and stress state of the structure at a $15^\circ$ angle of attack. The study builds upon previous work on a two-dimensional aerofoil shape, extended to three dimensions. The full wing sail is 72 meters tall and tapers from a chord length of 14 meters at the root to 7 meters at the tip. The focus on global deformation allows the use of a simplified structure comprising three main components: the mast, five ribs, and the skin that wraps around the ribs to form the aerodynamic surface. The FSI simulation is set up as a co-simulation between STAR-CCM+ and Abaqus. The airflow has a Reynolds number of $10^7$ and is assumed to be incompressible. Turbulence is modelled using the $k$--$\omega$ SST-informed Improved Delayed Detached Eddy Simulation approach. Preliminary FSI simulation results indicate the flow induces an increase in effective angle of attack, leading to a corresponding increase in lift and drag. Frequency analysis shows no resonance between the unsteady aerodynamic loads and the first ten structural modes, with minimal induced deflection.
Place, publisher, year, edition, pages
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-22267Archive number: TRV 2023/32107OAI: oai:DiVA.org:trafikverket-22267DiVA, id: diva2:2075194
Conference
7th International Conference on Innovation in High Performance Sailing Yachts and Wind Assisted Ships. InnovSail 2026, Gothenburg, Sweden, 3-5 June 2026.
Projects
GEneric Multidiscaplinary optimization for sail INstallation on wInd-assisted ships (GEMINI)
Funder
Swedish Transport Administration, TRV 2023/321072026-06-182026-06-182026-06-18