不同扣角和倾角下帆船帆翼空气动力特性的分析研究

马勇　郑伟涛

摘要:利用数值模拟方法对不同扣角和倾角下的升力系数、阻力系数、力矩系数以及帆翼底部流场进行分析,发现帆翼扣角以后帆翼升力系数、阻力系数都变小,垂直水平面上力系数增加很多,这个力增加可以减小船体阻力、有利于帆船行驶。另外,帆翼扣角以后帆翼力矩有不同程度的减小,这对于帆船行驶来说是有利的,可以减小帆船倾斜。单独从升力来看倾角为-10°是有利的。

关键词:帆船;帆翼;扣角;倾角;升力;阻力

中图分类号:G861.7 文献标识码:A文章编号:1006-2076(2012)05-0052-03

帆船比赛过程中,运动员操控帆船时由于受风、浪、流的影响[1],帆翼系统不可能完全垂直与海平面,运动员需要根据外界环境绕帆船船体纵中剖面调整帆翼平面与海平面之间夹角[2-5]。计算流体动力学

1 计算模型与条件

2 结果与讨论

No.5 2012从图1行驶是十分有利的,可以将帆船适当向上提升,这样可以减小船体吃水面积,从而减小船体阻力,达到减小阻力增加船速的目的。

3 结论

本研究对攻角为60°时扣角分别为-10°、0°、10°和倾角分别为-10°、0°、10°下的升力系数、阻力系数、力矩系数以及帆翼底部流场进行了分析。研究发现,帆翼扣角以后帆翼升力系数、阻力系数都变小了,垂直水平面上力系数增加很多,这个力增加可以减小船体阻力,有利于帆船行驶。另外,帆翼扣角以后帆翼力矩有不同程度的减小,这对于帆船行驶来说是有利的,可以减小帆船倾斜。帆船倾角-10°时帆翼的升力系数、阻力系数和力矩系数都比0°倾角和10°倾角下的相应系数大,说明单独从升力来看倾角为-10°是有利的。

参考文献:

[1]郑伟涛,李全海,马勇,石清.帆船帆板运动项目特征与制胜规律的研究[J].武汉体育学院学报,2008,42(6):44-47.

[2]石清.激光雷迪尔级帆船船体水动力性能研究及应用[D]∥武汉:武汉体育学院,2007.

[3]胡文蓉,祖洪彪,丁祖荣,等.风帆在梯度风中空气动力性能的数值研究[J]. 上海交通大学学报,2008,42(11): 1900-1903.

[4]马勇,郑伟涛.国内外帆船运动流体力学研究进展[J].南京体育学院学报,2007,6(4): 10-13.

[5]葛艳,孟庆春,魏振钢,等. 帆船直线航行比赛最优路径动态规划方法研究[J]. 控制与决策,2005,(12): 1360-1364.

[6]Nicola Parolini, Alfio Quarteroni. Mathematical models and numerical simulations for the Americas Cup [J]. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering,2005,194(911): 1001-1026.

[7]William C. Lasher and James R. Sonnenmeier.. An analysis of practical RANS simulations for spinnaker aerodynamics [J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2008,196(2): 143-165.

[8]Jaehoon Yoo and Hyoung Tae Kim.. Computational and experimental study on performance of sails of a yacht [J]. Ocean Engineering,2006,33(10): 1322-1342.