国内外帆船运动流体力学研究进展

葛冯敏

摘要：帆船运动是一项难度较大的水上运动，其主要是靠流体作用于帆船的帆上产生力的作用才得以推动帆船的前进。为了帆船在体育运动方面有较大的进展，很多国家对帆船的推动力，即帆船运动流体力学进行研究，也取得了一定的研究成效。本文就国内外帆船运动流体力学相关研究的进展展开探讨，以期为帆船运动流体力学研究发展提供借鉴。

关键词：国内外;帆船运动;流体力学

一、国外对帆船运动流体力学的研究进展

帆船运动起始于荷兰，后来经过各国运动文化的交流与传播，使得其在各个国家地区都有发展。对于帆船的流体力学的研究也在各个国家由其体育协会的帆船分管部门和高校联合进行相关条件和材料的试验研究，主要从以下几个方面进行。

（一）帆船的拱度的风洞实验研究

在早期对于帆船的拱度的研究是相对较少的，由curry开始了早期的对帆船的拱度的研究，提出其最佳角度为0.03，而这一数据和现代化准确分析得到的帆船的拱度相差较大，现代研究表明最佳的拱度范围为0.1-0.18.之后有很多高校也开展了对于帆船的拱度的研究，但由于一些复杂性的效应因素的影响，如软帆的尺度效应，使得这些高校不得不终止实验，至今还未在这一方面得到很多实用的理论研究结果。还有一些对于风帆的气动性能的研究，如 Davidson 曾开展相关的研究，得出一些风帆气动性能的系数，这些系数至今还在帆船运动领域得到应用。

（二）帆船的水动力性能研究

对于帆船的水动力学方面的研究，需要依靠相关的实验帆船模型进行，在之前的研究主要采用1：13的比例制造帆船模型，而根据最新的研究结果表明，帆船模型的大小影响着帆船的水动力学性能的研究误差，一般来说，比例越大的帆船模型更能够真实地反映水动力学研究性能，此项研究结果发表之后，对于帆船的水动力学的研究帆船模型即变为了1：3。此外，对于帆船的水动力学的研究还从船速、帆船的横倾角，偏航角等进行测定分析，得出有关的帆船航行时的相关角度的控制力度。

（三）根据流体动力学开展帆船的船型设计实验研究

帆船的船型对于帆船的航行速度也有着较大的影响，在船型方面的研究也有很多，包括早期设计的水下线性帆船，对于降低帆船航行的阻力有着明显的效果，之后国外很多研究学家对于船身的材料进行研究，采用船体的表面粘贴开槽膜片的方法降低船体材料对航行时产生的阻力，在帆船船型方面，目前的研究表明有小翼的龙脊骨型船身对于减少帆船的航行阻力有着较大的作用。

二、国内对帆船运动流体力学的研究进展

（一）对于帆船的帆板的流体力学的研究

对于帆板的研究主要从目前出现的几种类型的帆板进行，包括圆底板、平底板以及NP板进行。对这三个板型进行对照实验，在相同的板倾状态、船速条件下进行多组对照实验，根据试验结果得出，在相同条件下，圆底板相对于平底板来说，其船身的线性更为流畅，在以相同的速度前行时会有较小的阻力。对于这两种板形来说，在航行时注意有一定的横倾角，有助于减小船体与水浪的接触面积，可以有助于降低摩擦阻力，提高航行速度。对于NP板来说，无论是哪种角度航行，都会产生一定的阻力，而其中较为有效的减小阻力的方法是，在帆船开启之后，收稳向板，尽可能地控制好稳向板的纵倾角，根据板型的大小来选择合适的纵倾角，一般来说，纵倾角小一些相对较好。

（二）帆船空气动力学的相关研究

对于帆船运动来说，主要靠空气对帆船的船翼产生推动力，促进帆船的前行。而在这一方面主要对帆船的翼进行相关的特性研究，包括阻力、推力、侧向力等特性进行研究，主要的研究围绕船型、拱度、船体的材料等进行。在船型方面，主要是制作帆船模型，利用帆船模型来模拟帆船运动，研究和测定相关的数据、信息等，这一方面的研究结果与国外的研究大致相同，得出的结论是，对于帆船与其模型的比例，一般来说，其数值越大越有助于真实反映帆船的运动特性的测定，降低试验的误差。在拱度方面的研究，围绕拱度提升，帆船的升力也有一定程度的提升，但最佳的拱度是14%，在这个拱度条件下，拥有最大的推力系数，使得帆船可以在一定程度上提高运行速度。在船身材料方面，国内的研究主要是采用软帆、船体材料主要是纯深沦膜，這样的帆船材料相对于其他的材料来说，其降低水浪阻力的性能较好，经济性能也相对较好。

三、帆船运动流体力学研究的发展方向

帆船运动在国内外都有着较大的发展，尤其在帆船性能的研究方面、技术人员以及运动员对于帆船的深入了解、船的航行倾角、帆船的船体、板体、帆船的桅杆等方面是帆船的未来主要研究方向。具体来说，对于帆船性能的研究将围绕CFD（计算流体力学）来进行，这一研究方法简单易行、经济性能较好，在未来的发展过程中也将会得到逐步的完善，从而使得帆船运动的流体力学性能研究得到更大的发展。在船的航行角度方面，主要是根据利用空气流体力学方面的研究结果，提出合适的航行角度。在对于帆船运动的基础和深入的知识的普及方面，主要是从帆船相关器材的精准调控方面进行，让相关的运动员能够深入地了解到帆船相关器材的科学调控方法以及精准地使用这些器材，对于帆船的船体、板体以及桅杆方面，未来主要将从帆船的前进角度、帆板在不同的风向条件下的相关性能进行研究。

四、结语

国内外在帆船运动方面的研究主要从水动力学性能、空气动力学性能进行研究，根据研究结果对帆船的船板、船身材料以及船型的大小等进行相关性能的优化和调控。在未来的研究发展方向也将从CFD流体力学研究帆船的运动、船体、船板等进行进一步的优化设计。

参考文献

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