帆型對帆船帆翼空氣動力特性影響研究

馬 勇 鄭偉濤

(武漢體育學(xué)院體育工程與信息技術(shù)學(xué)院，國家體育總局體育工程重點實驗室，湖北武漢 430079)

1 前言

帆船比賽是水、風(fēng)、船、人四者的完美結(jié)合［1-2］。奧運會帆船比賽中包含了迎風(fēng)、橫風(fēng)和順風(fēng)等多個賽段，不同賽段對帆船的操作都有不同的要求［1-3］。帆船比賽場地環(huán)境情況復(fù)雜，條件惡劣，風(fēng)速通常在3～6級且風(fēng)向還在不停的變化。對競賽帆船而言，盡管絕大部分組別的比賽均使用規(guī)定的船型和帆，但是帆船運動員還是可以通過調(diào)整相關(guān)的繩索達到調(diào)整帆船帆翼的目的，而帆型的調(diào)節(jié)將影響整條船的航行性能，這些都涉及到帆船流體動力性能的問題［1］。而利用計算流體動力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)方法進行數(shù)值模擬因其費用少、周期短的優(yōu)點以及在某種意義上比理論和試驗對流體的運動過程認(rèn)識得更為深刻、更為細致，正日益受到重視。目前已有學(xué)者通過求解雷諾平均納維爾-斯托克斯方程(Reynolds-Averaged Navier-Stokes E-quations，RANSE)計算均流/梯度風(fēng)中繞帆翼流場和空氣動力［4-9］。

本文利用CFD方法選取兩種不同帆型作計算，其目的是為了比較同一面帆翼其帆型不同時帆翼空氣動力性能的差異。同時比較了在攻角0-180°情況下無桅桿梯度風(fēng)下兩種不同帆型的空氣動力特性，為雙帆或多帆帆船前帆調(diào)整提供指導(dǎo)。本論文研究為運動員比賽操作帆船過程中根據(jù)不同風(fēng)況進行有利航行的帆翼調(diào)整提供了科學(xué)依據(jù)。

2 計算模型與條件

計算的帆型為Sail1和Sail2帆型。Sail1帆型的基本尺寸是:展弦比=3.90、拱度比=11%、帆弦長l=2600cm;Sail2帆型的基本尺寸是:展弦比、拱度比=17%、帆弦長l=2570cm。研究中，帆翼的表面形狀是實際帆船行駛時候的帆翼形狀，通過測繪得到，在弦長方向進行了9點測繪，在帆翼的高度方向進行了10點測繪。計算的雷諾數(shù)為Re=1.40×106。

數(shù)值模擬的控制方程為雷諾平均N-S方程和連續(xù)性方程。在本研究中，入口邊界條件采用Dirichlet條件，入口處的速度按照計算要求給定。出口條件采用Neumann條件，出口處速度滿足流動充分發(fā)展。帆翼表面滿足流體將粘附在帆翼表面，即滿足無滑移條件。整個CFD計算的網(wǎng)格系統(tǒng)用Gambit軟件生成。整個計算網(wǎng)格數(shù)為1，098，630。帆翼表面到第一個鄰近網(wǎng)格的距離調(diào)節(jié)為y+=50-230。

3 結(jié)果分析與討論

無桅桿情況下，兩種帆型空氣動力性能比較如圖1所示;水滴型桅桿情況下，兩種帆型空氣動力性能比較如圖2所示。無桅桿和水滴型桅情況下兩種帆型的壓力中心隨攻角變化關(guān)系如圖3所示。為了更加進一步比較兩種不同帆船空氣動力性能特性差異，比較了無桅桿情況下兩個典型攻角:90°、150°時帆翼表面的壓力分布，如圖4-圖5所示;比較了水滴型桅桿情況下兩個典型攻角:30°、90°時帆翼表面的壓力分布，如圖6-圖7所示。從圖2-圖4可以看到，無論是否有桅桿，兩種帆型空氣動力特性有較大差異。從圖4-圖7可以看到，Sail2帆型壓力整體分布情況與sail1帆型整體分布情況大不相同。

圖1 無桅桿梯度風(fēng)情況下Sail1、Sail2空氣動力系數(shù)隨攻角變化關(guān)系

圖2 水滴型桅桿梯度風(fēng)情況下Sail1、Sail2空氣動力隨攻角變化關(guān)系

圖3 梯度風(fēng)情況下Sail1、Sail2壓力中心隨攻角變化關(guān)系

圖4 攻角為150°無桅桿梯度風(fēng)情況下兩種帆型背風(fēng)面壓力云圖

圖5 攻角為90°無桅桿梯度風(fēng)情況下兩種帆型背風(fēng)面壓力云圖

圖6 攻角為30°無桅桿梯度風(fēng)情況下兩種帆型背風(fēng)面壓力云圖

3.1 帆翼展弦比的影響

空氣動力學(xué)用λ表示機翼的展弦比，而帆翼的展弦比λ可用下式表達:

圖7 攻角為90°水滴型桅桿梯度風(fēng)情況下兩種帆型迎風(fēng)面壓力云圖

式中:Ln為風(fēng)帆前緣的長度，S為風(fēng)帆面積。

對于矩形帆，展弦比等于高、寬之比，而對于三角帆的展弦比大約等于帆高與底寬之比的2倍。隨展弦比的增加，帆的誘導(dǎo)阻力減小，這對改善帆船帆翼性能是很有利的。對現(xiàn)代帆船在穩(wěn)定性允許情況下，盡量選展弦比大一點的風(fēng)帆，不難確認(rèn)，設(shè)置帆翼端板的效果與增加展弦比是一致的。

風(fēng)帆展弦比的增大，風(fēng)壓中心改變了，這就會引起傾斜角的增加，一般在風(fēng)帆設(shè)計時要進行協(xié)調(diào)解決選擇風(fēng)帆展弦比，保證達到好的推力性能和不大的側(cè)斜角，幾乎所有的帆船帆翼的展弦比都在3.6-6.0之間，對于主帆展弦比平均為3-4.5，對于三角帆帆翼的展弦比不大于3.5-6，展弦比超過此范圍是不適宜的。Sail1展弦比為3.90，Sail2的展弦比為3.8，兩種帆型的展弦比都能夠保證帆翼具有較好的推力性能和不大的傾斜角。由于這兩種帆型展弦比相差不大，在考慮其他影響因素對于帆翼空氣動力特性影響時候可以認(rèn)為這兩種帆型的展弦比近似相同。

3.2 帆拱度的影響

一般來說，有曲度帆翼空氣動力高于平面帆空氣動力，帆翼拱度稱做“帆腹”，由與帆弦之比來確定。Sail1帆翼的拱度為11%，Sail2帆翼拱度為17%。由于這兩種帆翼帆型其他因素都相同，這兩種帆型動力特性差別主要就是由拱度不同所導(dǎo)致的。

從圖1和圖2可以看到，在攻角小于20度時，無論是否有桅桿，Sail1的升力系數(shù)都比Sail2升力系數(shù)大，在攻角20-90度時，無論是否有桅桿，Sail2的升力系數(shù)都比Sail1升力系數(shù)大;Sail2最大升力系數(shù)比Sail1最大升力系數(shù)大，Sail1的壓力中心比Sail2的壓力中心提高。壓力中心高，這樣導(dǎo)致帆翼的傾斜力矩較大，有時因為傾斜力矩過大不得不調(diào)整拱度，使傾斜力矩變小，其升力系數(shù)也相應(yīng)變小。

可見，有大拱度的帆翼，獲得的不僅僅是大的推力，而且也獲得了大的傾斜和偏航力。因此帆腹拱度一般應(yīng)在7-13%之間。在弱風(fēng)傾斜力矩不大時，可以采用大的拱度，在強風(fēng)時力求利用小拱度的帆翼。

4 結(jié)論

考慮這兩種帆型展弦比相差不大，在考慮其他影響因素對于帆翼空氣動力特性影響時候可以認(rèn)為這兩種帆型的展弦比近似相同。研究發(fā)現(xiàn)，拱度較大的帆翼其升力系數(shù)較大，對于提高帆船速度有利，但是其壓力中心增加，其傾斜力矩也增加了。所以，綜合考慮帆船整體行駛性能情況下，一般大風(fēng)時使用拱度較小的帆翼，小風(fēng)時使用拱度較大的帆翼。本論文研究為運動員比賽操作帆船過程中根據(jù)不同風(fēng)況進行有利航行的帆翼調(diào)整提供了科學(xué)依據(jù)，為雙帆或多帆帆船前帆調(diào)整提供指導(dǎo)。

［1］鄭偉濤，李全海，馬勇，等.帆船帆板運動項目特征與制勝規(guī)律的研究［J］.武漢體育學(xué)院學(xué)報，2008，42(6):44-47.

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