在特定研究船型、相對風向約 20°的條件下， 船艏 Wind Shield 單獨降低的風壓阻力。 1
貨櫃船空氣動力技術 · REAY'S NOTE
船舶防風罩為何做得更大風阻反而更低？
大型船艏導風罩並不是單純增加一面迎風牆，而是為貨櫃堆疊建立 平順的空氣動力前緣。本文從風阻公式、風洞試驗、 實船營運大數據及造船廠技術報告，解析其真實效益與適用限制。
Wind Shield 的設計邏輯，是以一個較平順、可控制的曲面， 取代氣動外形很差的第一排垂直貨櫃牆； 即使投影面積可能略為增加，只要整體阻力係數下降得更多， 船舶總風阻仍可降低。
Wind Shield 是什麼？
船艏 Wind Shield 又可能稱為 Bow Wind Shield、Bow Wind-Shield、Windshield 或 Bow Wind Cover。它位於最前方甲板貨櫃之前， 作用類似大型導流罩，讓相對風較平順地向上及向兩舷流動。
現代大型貨櫃船的甲板貨櫃堆疊高、排列寬，第一排貨櫃面向來流時， 形成接近垂直的巨大鈍體。氣流撞擊貨櫃前壁後會產生 高壓停滯區、氣流分離、渦流及低壓尾流， 因而形成明顯的壓力阻力。
Wind Shield 將原本突然出現的貨櫃前壁，改造成具有曲率或斜度的 Leading Edge（前緣）。空氣不必在第一排貨櫃前方 突然停止，而能逐漸轉向，減少氣流分離與不規則壓力分布。
因此，Wind Shield 不應只被視為一個獨立構件，而應把它與 甲板貨櫃堆疊、上層建築及船體水面以上部分 視為同一個空氣動力系統。
Bluff Body｜鈍體
前緣較方正、氣流容易分離的物體；貨櫃堆疊即具有典型鈍體特性。
Streamlining｜流線化
透過外形平滑與連續化，降低壓力突變、流動分離及尾流規模。
Apparent Wind｜視風／相對風
船上實際感受到的風，由船速與自然風向量合成而成。
Pressure Drag｜壓力阻力
物體前後壓力分布不對稱所形成的阻力，是鈍體風阻的重要來源。
無導風罩與有導風罩的氣流差異
下圖是原理示意，不是特定船型的 CFD 結果。 實際流場會受到貨櫃堆高、貨櫃缺箱、風向角、船速及上層建築配置影響。
Wind Shield 的效益如何形成？
降低第一排貨櫃的直接撞風
將停滯高壓區由不規則的貨櫃端面，轉移到曲率較平順、 外形可控制的導風罩表面。
減少氣流分離與大型渦流
氣流較平順地越過貨櫃區，有助於縮小強烈分離、 不穩定尾流及貨櫃間隙中的亂流。
提供船艏綠水防護
MOL 的開發資料指出，該構件亦預期可在惡劣海象中， 保護船艏甲板免受 Green Water 大量上甲板影響。 6
造船工程如何確認 Wind Shield 有效？
單靠外觀看不出是否節能。專業設計通常需要經過 數值分析、模型試驗、結構與船級審查，以及實船營運驗證。
1
CFD 數值分析
比較不同曲率、高度、寬度、貨櫃排列及風向角下的壓力與流場。
2
風洞模型試驗
量測軸向風力、橫向力與偏航力矩，並觀察氣流分離及渦流。
3
結構與船級審查
確認構件可承受風載、波浪衝擊、振動、疲勞及甲板操作要求。
4
實船大數據驗證
排除海浪、船底污損、排水量、潮流及舵角等干擾後比較性能。
公開研究與造船廠資料整理
現有證據包含風洞模型、實船監測、超大型貨櫃船設計 AIP， 以及實際新造船的造船廠技術說明。不同資料的百分比基準不同， 不可直接混為同一種節能率。
← 可左右滑動查看完整資料 →
| 證據類型 | 對象與方法 | 公開結果 | 專業判讀 |
|---|---|---|---|
| 風洞模型 2015 年日本船舶海洋工學會 | 以 6,700 TEU 等級貨櫃船為對象，使用約 1/250 模型； 風洞設定風速 15 m/s，測試 0～180°相對風向， 每 10°量測一次。 | 相對風向約 20°時，船艏風防單獨使風壓阻力降低約 20%。 結合船尾貨櫃排列及頂層隅切約可達 30%； 再配合船側間隙風防可達約 50%。 1 | 20%、30%及50%指的是空氣風壓阻力，不是整艘船燃油消耗。研究估算於北太平洋、17 kn 航速下，船艏風防約可帶來全年約 2%燃油改善；全套措施可超過 5%。 |
| 實船營運 2016 論文／2017 MOL 公告 | 6,700 TEU 的 MOL MARVEL 安裝馬蹄形 Wind Shield， 使用每分鐘 Fleet Monitor 資料， 並與無風防同型姊妹船比較。 | 航路平均改善估計約 2%，與風洞及風況統計所得約 1.6% 的預估接近；MOL 官方並確認在約 17 kn 下， 平均 CO₂改善約 2%。 2 3 | 這是目前最具代表性的實船營運證據。 分析中特別處理波浪、排水量、潮流、舵角、 船底狀態及個船差異等干擾因素。 |
| AIP 設計 2019 MOL／Samsung Heavy Industries | 針對 Ultra-Large Container Carrier， 共同開發最佳化 Bow Wind-Shield， 並由當時的 DNV GL 核發 AIP（Approval in Principle，原則性認可）。 | 官方資料預期，針對超大型貨櫃船最佳化後， CO₂減排效果約為 2～4%。 4 | 此數字屬於設計階段預估，不等同所有航線及海況下的 實船保證值。AIP 表示概念與基本設計原則獲得認可， 並非完整建造與營運性能保證。 |
| 造船廠技術報告 2024 JMU 24,000 TEU | JMU 於 ONE INNOVATION 技術介紹中， 說明船艏設有 Bow Wind Cover。 該系列船由今治造船與 JMU 共同設計及建造。 | 造船廠明確說明其用途為降低風壓阻力， 同時使船艏係泊甲板上方也能配置貨櫃， 改善裝載性能。 5 | 這證明新世代大型導風罩不只追求節能， 也可能是風阻、係泊甲板保護與貨櫃裝載配置 的整合設計。該報告沒有公布風罩單獨的節能百分比。 |
注意：各研究的船型、貨櫃配置、風向分布、航線、航速與分析基準不同， 數字應在原研究條件內理解，不宜直接套用至其他船舶。
不可把整船 EEDI 改善全部歸因於 Wind Shield
JMU 同一份 24,000 TEU 技術資料亦說明該船整體 EEDI 較基準線降低超過 60%，但那是水下船型、主機、 推進器周圍節能裝置、運航速度最佳化等多項設計的綜合成果， 不能視為 Wind Shield 單獨貢獻。 5
為什麼研究同時出現 20%與2%？
因為兩個百分比的分母不同： 20%通常是空氣風阻本身的降低率， 而2%通常是整船推進功率、燃油或 CO₂的改善率。
簡化關係式
ΔRT / RT
≈
(Rair / RT)
×
(ΔRair / Rair)
假設某一航行條件下，空氣阻力占整體阻力的 10%， 而 Wind Shield 將空氣阻力降低 20%，則：
10% × 20% = 2%
在維持相同航速且阻力變化不大的條件下， 整船功率與燃油改善量可能約為 2%。 這只是用來解釋比例關係的示例，並非所有船舶的固定阻力分配。
風越強，效益越容易被量測
風阻與相對風速平方成正比。 實船研究亦指出，在較高相對風速時， Wind Shield 的節能效果較容易從波浪及其他干擾中辨識。 2
除節能之外，還有哪些實務效益？
惡劣海象下的船艏防護
MOL 開發案的風防依波浪衝擊壓力要求設計， 並預期可降低 Green Water 對船艏甲板機械、 前部貨櫃及相關設備的直接影響。 1 6
改善貨櫃裝載配置
JMU 的 24,000 TEU 船型將 Bow Wind Cover 與船艏空間配置整合，使係泊甲板上方亦能配置貨櫃， 增加可利用裝載空間。 5
改善強逆風下的航速維持能力
風洞研究指出，大型貨櫃船在強烈艏斜風下， 風壓阻力可能占無風平水總阻力的明顯比例； 降低此部分阻力，有助於燃油控制與航班時程維持。 1
可能降低前排貨櫃局部風壓，但不能直接免除繫固計算
從流場機理判斷，導風罩會遮蔽最前排貨櫃並改變局部壓力分布； 然而貨櫃、Twistlock、Lashing Rod 及角柱受力仍須依實際裝載狀態、 設計風載及最新船級規範正式計算，不可僅因裝有 Wind Shield 就任意折減繫固設計載荷。
Wind Shield 並不是越大越好
導風罩尺寸必須在氣動效益、結構重量、波浪衝擊、 操縱安全、視線、裝卸與係泊操作之間取得平衡。
結構強度與波浪衝擊
船艏是上浪與衝擊壓力較敏感的區域。 導風罩需評估板厚、扶強材、支撐結構、局部屈曲、 疲勞及 Green Water 衝擊載荷。
重量與重心
大型高位結構會增加空船重量並影響垂向重心。 2015 年研究比較封閉圓頂式與馬蹄形開放式設計， 發現兩者風阻差異不大，因此可利用開放式結構降低重量。 1
側風力與偏航力矩
該風洞研究的特定構型未顯示橫向力及偏航力矩發生大幅改變； 但這不代表所有船型皆相同。新設計仍須測試多個風向角， 特別是靠離港與低速操縱條件。 1
貨櫃配置敏感性
導風罩通常依典型貨櫃堆高與排列最佳化。 當實際航次出現缺箱、前低後高、左右不對稱或特殊貨櫃時， 氣動效益可能與設計狀態不同。
船橋視線與設備配置
設計必須兼顧駕駛台視線、航行燈、雷達及感測器視域， 並避免妨礙錨機、絞纜機、導纜孔、通道與緊急操作空間。
生命週期維護
需考慮腐蝕防護、排水、檢查通道、焊縫疲勞、 風致振動、噪音及塗裝維修。節油收益應與建造及維護成本共同評估。
常見誤解與正確判讀
「迎風面積增加，風阻一定增加」
不完整。阻力同時受投影面積與阻力係數影響。 若流線化使阻力係數下降幅度大於面積增加幅度， 總風阻仍可下降。
「風阻降低20%，燃油就降低20%」
錯誤。20%通常只針對空氣阻力； 主機仍需克服水下摩擦阻力、興波阻力、 附體阻力及波浪附加阻力。
「AIP 等於實船節能保證」
錯誤。AIP 是原則性認可， 表示概念設計在特定審查範圍內具可行性， 並不取代完整船級審查或實船性能驗證。
重要術語
- AWA｜Apparent Wind Angle
- 視風角／相對風向角。通常以船艏方向為基準， 表示船上感受到的來風方向。
- AWS｜Apparent Wind Speed
- 視風速／相對風速，由自然風與船速向量合成， 是風壓計算的重要輸入。
- CFD｜Computational Fluid Dynamics
- 計算流體力學，利用數值方法分析船體周圍的速度、 壓力、分離與渦流。
- CX／CFX
- 船舶前進方向的無因次風力或風阻係數； 不同研究的符號與正負方向定義可能不同。
- AIP｜Approval in Principle
- 原則性認可。船級協會對新概念或基本設計進行初步技術審查， 不等於完整船級核准。
- Green Water
- 大量實體海水越過船艏或舷牆進入露天甲板， 可能對設備、結構及貨物造成衝擊。
- EEDI｜Energy Efficiency Design Index
- 船舶能效設計指數，用於衡量新船設計階段的理論 CO₂運輸效率。
- ULCV｜Ultra-Large Container Vessel
- 超大型貨櫃船。實務上並非只有單一全球統一的 TEU 分界， 通常泛指現代最大級遠洋貨櫃船。
Engineering conclusion
Wind Shield 不是額外增加的「風牆」， 而是貨櫃船水面以上外形的空氣動力前緣。
目前公開資料最合理的綜合判讀是： 在特定風向下，船艏 Wind Shield 可使空氣風壓阻力降低約 20%； 對整艘船而言，已有 6,700 TEU 實船於約 17 kn 下確認 平均 CO₂改善約 2%。針對超大型貨櫃船最佳化的設計， 官方預估約為 2～4%，但仍須依航線風況、貨櫃配置及實船條件驗證。
≈20%
特定風洞條件下的空氣風壓阻力降低率
≈2%
MOL MARVEL 實船平均 CO₂改善結果
2～4%
超大型貨櫃船最佳化設計的官方預估值
研究報告與官方資料
以下以學術論文、船公司官方發布及造船廠技術報告為主， 方便進一步核對原始條件與研究方法。
-
Development of Energy-saving Windshield for Large Container Ship
／大型コンテナ船の省エネ船首風防の開発
日本船舶海洋工學會講演會論文集，第21號，2015， pp.159–162。包含風洞模型、風向角比較、 風阻降低率與北太平洋航線節能估算。
開啟 J-STAGE／DOI -
Big Data Analysis Methods for Proving Energy-Saving Effects
of Windshield on a Container Ship
／コンテナ船船首風防の実海域省エネ効果解析
日本船舶海洋工學會講演會論文集，第23號，2016， pp.433–436。利用 MOL MARVEL 與姊妹船的每分鐘營運資料， 分析船艏風防的實海域效益。
開啟 J-STAGE／DOI -
MOL Confirms 2% in Average CO₂ Reduction
with Windshield Installed on Bow of Containership
Mitsui O.S.K. Lines 官方新聞稿，2017年5月30日。 說明實船於約17 kn航行時，平均 CO₂排放改善約2%。
開啟 MOL 官方資料 -
MOL Earns AIP for Design of Bow Wind-Shield,
Ultra-large Containership
MOL 與 Samsung Heavy Industries 共同開發， 2019年取得 DNV GL AIP；官方預估超大型貨櫃船 CO₂減排約2～4%。
開啟 MOL 官方資料 -
JMU Technical Review No.15：
24,000 TEU Container Ship — ONE INNOVATION
Japan Marine United，2024年2月。 說明 Bow Wind Cover 用於降低風壓阻力， 並使船艏係泊甲板上方得以配置貨櫃。
開啟 JMU 技術報告 PDF -
New Energy-saving Windshield Installed on
Containership MOL MARVEL for Demonstration Test
MOL 官方新聞稿，2015年9月3日。 說明馬蹄形設計、合作研究單位、結構強度要求、 年平均節能預估及 Green Water 防護目的。
開啟 MOL 官方資料