帆板摇帆的空气动力性能数值模拟

摘要

本文以夏季奥运会女子级别的NP帆板帆翼作为研究对象，利用数值模拟方法对NP帆翼在定常和非定常状态下的空气动力性能进行研究，运用理论流体力学、计算流体力学对帆翼空气动力特性进行了较为全面的分析，为运动员根据不同外界条件摇帆提供科学依据。
　　 研究首先采用STAR CCM+软件对文献资料中的帆翼SAIL1进行了定常状态下的数值计算，其计算结果与试验结果能较好吻合，验证了文献资料中采用的计算方法及STAR CCM+软件的适用性。NP帆翼的计算区域是以帆翼底边弦长为基准的前面8倍、上面8倍、左右8倍、后面16倍的长方体区域，采用6面体核心网格划分计算区域及其内部的帆翼。对NP帆翼定常状态下的数值模拟根据实际帆板竞赛所需最小风速条件，选取2 m/s和3m/s风速作为入口边界条件，计算并对比了NP帆翼在不同风速、不同攻角下的升力系数和阻力系数，分析了NP帆翼的压力分布、流线分布及速度矢量分布在不同攻角下的变化情况。
　　 对NP帆翼非定常状态下的数值模拟根据运动员摇帆时帆翼的运动状态，将需要模拟研究的帆翼运动简化为三种运动方式：1、帆翼绕帆面展向方向来回转动；2、帆翼绕帆面弦向方向来回转动；3、帆翼沿垂直于帆面的方向来回振动。非定常状态下的计算区域内部构建了新的区域，以有效减小网格变形区域、避免计算量过大，同时保证数值计算的精度。数值模拟首先针对不同来流攻角下的NP帆翼绕展向方向来回转动的运动方式进行，得到了不同攻角下摇帆的升力系数、阻力系数和升阻比并进行了分析；针对NP帆翼绕展向方向转动时的最大升力系数及升阻比对应的攻角，模拟了不同运动方式下NP帆翼随幅度和频率变化的空气动力，得到了在不同状态下摇帆时的升力系数、阻力系数和升阻比，根据模拟结果研究了绕帆面弦向和绕帆面展向方向摇帆过程中帆翼面上的压力分布变化，分析讨论了NP帆翼在不同状态下的空气动力性能随幅度和频率的变化关系。研究数据表明摇帆能有效提高其空气动力性能，沿帆面展向方向来回转动摇帆时能较好保证航行状态的稳定性，一定转角下沿帆面弦向方向来回转动摇帆采用较大频率时能获得较高的升阻比。
　　 本论文较为系统的开展了帆板摇帆的空气动力性能研究，为帆板摇帆的科学化训练打下了理论基础。该研究部分成果在备战2008年北京奥运会期间应用到中国国家帆板队训练、比赛实践中，为我国帆板项目夺得首枚奥运会金牌做出了贡献。本论文研究工作只是对帆板摇帆的简单运动方式进行了初步数值模拟，后续还需对帆板摇帆的实际运动方式进行深入研究。