运动帆翼空气动力性能数值模拟与试验研究

摘要

本文以夏季奥运会级别帆船帆翼作为研究对象，利用数值模拟与试验方法对帆翼空气动力性能进行研究，对帆翼空气动力特性进行了全面分析，为运动员根据不同外界条件调帆提供科学依据。 首先讨论了帆翼模型进行数值计算时计算区域的大小以及网格类型对于计算精度的影响，确定了帆翼远场前、左右、上取6倍帆翼底边弦长，远场后取10倍帆翼底边弦长，底部采用实际距离海平面距离；采用混合网格进行网格划分，能够得到既节省计算时间、又精度较高的模拟结果。讨论了数值计算时来流处理方式不同对于计算结果的影响，确定本论文采用来流不变而转动帆翼，重新生成网格的方法来模拟不同攻角的帆翼周围流场。讨论了不同湍流模型对于计算结果的影响，根据分析以及与试验结果比较，确定了帆翼数值模拟采用Realizableκ-ε模型。讨论了均匀风和梯度风情况下帆翼周围流场的差异，发现梯度风帆翼周围流场与均匀风差异不大，为了更加接近实际比赛情况，在数值模拟中宜采用梯度风进行数值模拟。 本文对帆翼两种不同帆型的空气动力性能进行了全面讨论。通过比较，发现桅杆对于帆翼空气动力特性影响较大，在比赛中尽量选用可调整的流线型的桅杆。讨论了不同扣角和倾角对于帆翼空气动力特性影响。研究发现向内扣角尽管升力系数也相应减小，但是其垂直水平面向上的力会增加很大，这对于减小船体阻力，提高帆船速度有利。帆翼后倾有利于提高帆翼的升力系数，对于提高帆船速度有利。讨论了两种不同帆型的空气动力特性，发现拱度较大的帆翼其升力系数较大，对于提高帆船速度有利，但是其倾斜力矩增加了，其压力中心也增加了。所以，综合考虑帆船整体行驶性能情况下，一般大风用拱度较小的帆翼，小风中使用拱度较大的帆翼。 本文利用风洞试验进行了帆翼空气动力性能研究，通过改变帆翼的攻角，得到在不同航向角帆翼的空气动力性能数据及曲线，其结果与实际基本吻合。 根据计算与试验结果，比较了两种不同帆型在不同航向角下推力系数、侧向力系数，得到了不同帆型在不同航向角下帆翼的最佳攻角范围。讨论了两种不同帆翼推力系数和侧向力系数在不同航向角下随攻角变化情况。分析了不同航向角下最大推力系数以及对应的侧向力系数，得到了帆翼在所有航向角下最大的推力系数以及对应的操帆角。同时讨论了两种帆型不同航向角下第二大推力系数及对应的侧向力系数。最后，根据数值模拟和试验方法得到的帆翼空气动力性能特点，详细系统介绍了在起航航段、迎风航段、横风和侧顺风航段、尾风航段、终点线前航段和各标旁附近帆翼调整方法。运动员应该掌握各航段上调帆的基本原则并应用于实践中，最终的目的是战胜对手，取得优异的成绩。 本论文研究成果在备战2008年北京奥运会期间应用到中国国家帆船队训练、比赛实践中，为我国帆船夺得一枚宝贵的铜牌、实现我国帆船项目奥运会奖牌零的突破做出了贡献。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 引 言

1.1 选题背景与意义

1.2 帆船运动国内外发展基本概况

1.2.1 帆船运动项目

1.2.2 帆船分类

1.2.3 我国帆船运动

1.2.4 奥运帆船

1.2.5 比赛规则

1.3 运动帆翼受力分析

1.4 国内外帆翼空气动力特性相关研究动态

1.4.1 国外有关帆翼空气动力理论与计算研究

1.4.2 我国帆船帆翼空气动力性能研究

1.5 本文研究中的主要工作

1.5.1 运动帆翼空气动力性能数值模拟

1.5.2 运动帆翼空气动力性能试验研究

1.5.3 帆船帆翼空气动力特性分析

1.6 小结

第2章 帆翼空气动力性能数值模拟方法

2.1 计算模型

2.2 控制方程

2.3 湍流模式

2.4 边界条件

2.4.1 入流边界条件

2.4.2 出流边界条件

2.4.3 帆翼表面边界条件

2.5 数值离散

2.5.1 有限差分法

2.5.2 有限元法

2.5.3 有限分析法

2.5.4 有限体积法

2.6 求解算法

2.7 小结

第3章 数值计算影响因素研究

3.1 计算区域的处理方式对数值模拟结果的影响

3.1.1 计算模型与条件

3.1.2 计算结果

3.2 来流方式的处理对数值模拟结果的影响

3.2.1 计算模型与条件

3.2.2 计算结果

3.3 湍流模型对数值模拟结果的影响

3.3.1 计算模型与条件

3.3.2 计算结果

3.4 梯度风对数值模拟结果的影响

3.4.1 计算模型与条件

3.4.2 计算结果

3.5 小结

第4章 帆船帆翼流场模拟及空气动力计算

4.1 桅杆对帆翼周围流场影响

4.1.1 计算模型与条件

4.1.2 计算结果

4.2 不同扣角下帆翼数值计算

4.2.1 计算模型与条件

4.2.2 计算结果

4.3 不同倾角下帆翼数值计算

4.3.1 计算模型与条件

4.3.2 计算结果

4.4 Sail2 帆型帆翼数值计算

4.4.1 计算模型与条件

4.4.2 计算结果

4.5 帆型对帆翼空气动力特性影响

4.5.1 结果比较

4.5.2 结果分析

4.6 小结

第5章 帆翼空气动力性能试验研究

5.1 试验模型

5.2 试验设备和试验方法

5.3 试验结果

5.3.1 帆翼极图

5.3.2 推力曲线

5.3.3 侧向力曲线

5.3.4 最大推力曲线

5.4 试验结果分析

5.4.1 死角区

5.4.2 最大推力系数及相应的侧向力系数

5.4.3 最佳操帆角

5.4.4 第二佳操帆角

5.5 小结

第6章 帆船帆翼空气动力性能分析

6.1 Saill 帆型帆翼的推力系数与侧向力系数

6.1.1 推力曲线

6.1.2 侧向力曲线

6.1.3 最佳操帆角

6.1.4 计算结果分析

6.2 Sail2 帆型帆翼的推力系数与侧向力系数

6.2.1 推力曲线

6.2.2 侧向力曲线

6.2.3 最佳操帆角

6.2.4 计算结果分析

6.3 帆船调帆探讨

6.3.1 帆船起航阶段调帆分析

6.3.2 帆船迎风航段调帆分析

6.3.3 帆船横风和侧顺风航段调帆分析

6.3.4 帆船尾风航段调帆分析

6.3.5 帆船终点线前航段调帆分析

6.3.6 帆船标旁调帆分析

6.4 小结

第7章 结论与展望

7.1 结论

7.1.1 本文的主要工作和结论

7.1.2 本文研究工作创新点

7.2 展望

参考文献

致谢

附录