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 Atmospheric Boundary Layer over the North-Atlantic Ocean, performed from a commercial ship in operation with a wind lidar, in an attempt to provide better knowledge of the wind conditions at sea.  

In order to ensure that sailing ships will be operated in an efficient and safe manner, automation systems and control algorithms need to be developed, both for the wings and the whole vessel. These control systems will need to be able to account for all interaction effects and the unsteadiness of the wind. This thesis presents results from tests performed at sea, in real conditions, on a 7 m long scale model wind-powered car carrier, and highlights the effects of unsteadiness. The results presented in this thesis pave the way towards the development of these efficient control systems.

Throughout the thesis, different methods, with varying complexity and fidelity have been used. The results and the discussions presented in this thesis showcase the importance of mixing and combining different methods, experimental and numerical, with low and high fidelity, in order to fully understand the new questions raised by the development of sailing cargo vessels.

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 ett kommersiellt fartyg i ordinarie tjänst.  

För att säkerställa att seglande kommersiella fartyg används på ett effektivt och säkert sätt ökar behovet av automatiska styr-/reglersystem samt algoritmer för trimning av vingarna samt hela fartygen. Dessa regleralgoritmer behöver sannolikt hantera, kompensera för, och effektivt utnyttja interaktionseffekter,  instationära vindförhållanden och sjöförhållanden. I den här avhandlingen presenteras resultat från experiment utförda till sjöss i äkta vindförhållanden men en nedskalad 7 m lång modell av ett vinddrivet biltransportfartyg. Resultaten banar bland annat vägen för ökad förståelse för ingående fenomen samt för effektiva reglerlösningar.  

Avhandlingen innehåller alltså en rad olika frågeställningar och metoder med varierande komplexitet och noggrannhet. Diskussionen och resultat visar också hur viktigt det är att i dessa tvärdisciplinära frågeställningar  blanda och kombinera metoder, experimentella och numeriska, med låg och hög noggrannhet för att få svar på frågorna som utvecklingen av seglande lastfartyg kräver svar på.