论文摘要
研究目的:帆翼是帆板的动力来源,为使帆板获得更快的航行速度,需要对帆板帆翼的空气动力性能及其周围的空气流场充分理解。比赛过程中帆翼与来流夹角发生变化,但目前人们对于帆翼空气动力性能的研究绝大部分将其定义为刚性帆,不同攻角下帆翼空气动力对帆翼结构变形还不明确,因此需要对不同攻角下帆翼流固耦合作用进行研究,以促进教练员和运动员对帆翼气动特性的理解,为帆翼操控提供理论支持。研究方法:本文基于计算流体动力学（Computational Fluid Dynamic,CFD）和计算结构动力学（Computational Structural Dynamic,CSD）,引入任意拉格朗日（Arbitrary Lagrangian-Eulerian,ALE）坐标系,采用雷诺平均纳维尔-斯托克斯方程（Reynoldsaveraged Navier-Stokes Equation）,Realizable湍流模型对奥运会比赛女子Neil Pryde RS:X帆板帆翼在风速为6m/s,攻角为20°-50°、80°-100°,角度间隔为5°时的工况进行单向流固耦合计算,以期找到不同航段帆翼的气动特性及结构特性变化规律。研究结果:通过计算发现:当攻角处于20°-25°范围内时,升力系数随着攻角的增加逐渐增大,25°攻角时升力系数达到最大值;当攻角处于25°-90°范围时,帆翼的升力系数随着攻角的增大而减小,因此对于女子Neil Pryde RS:X帆板帆翼而言,其失速角位于25°-30°之间;当攻角大于90°时,升力系数变为负值,说明攻角为90°时帆翼拱度发生改变,导致升力系数变为反向,此时升力变成阻止帆板前进的力,随着攻角的继续增加,升力系数逐渐增大,其阻碍帆板前进的作用显著增加。在所研究的攻角范围内,随着攻角的增加,阻力系数逐渐增大,迎风及横风航段（攻角为20°-50°）,由于流动分离使帆翼上压差阻力迅速增大,导致阻力系数变化较为明显;而顺风航行阶段（攻角为80°-100°）阻力系数变化曲线较为平缓。由升阻比变化曲线可以看出,在本文所计算的攻角范围内,升阻比随攻角的增大逐渐减小。对于迎风、横风航行阶段属于典型的升力型航段,为获取更快的航行速度,需要使帆翼上的升力尽可能大而阻力尽量小,所以最佳攻角为20°,此时升阻比最大,为4.6左右。顺风航行阶段,升阻比随攻角的增大而减小,此时应减小攻角,保证航行速度。将流体域计算结果作为初始载荷传递到结构场,为了更加真实模拟帆翼的运动,将桅杆、桅杆底以及帆翼底部设置为固定约束。从变形云图可以看出不同攻角下帆翼发生形变的位置基本一致,最大变形均发生在帆顶角处,这是由于帆顶角处与流体相对运动速度较高,并且到桅杆以及帆翼底面距离最大,所以最容易发生变形,且变形最大。帆翼最大变形符合帆面上升阻力变化规律,迎风及横风航段,当攻角小于失速角（25°-30°之间）时,随着攻角的增加升力迅速增大,而此时阻力较小,所以攻角为20°-25°时,最大变形量随攻角逐渐增大,且增大幅度较为明显;当攻角达到失速角之后,升力突然减小,阻力继续增大,此时最大变形迅速减小;当攻角继续增大,升力缓慢减小,阻力小幅度增大,此时作用于帆翼面上的升力仍大于阻力,所以帆翼最大变形仍继续增加,但幅度变小;顺风航段,当攻角小于90°时,作用于帆翼上的升力逐渐减小,阻力基本无变化,但此时阻力大于升力,所以帆翼的最大变形量逐渐减小;当攻角大于90°时,帆翼拱度发生转向,阻力成为构成帆板前进的推进力的一部分,而升力成为阻碍帆板前进的力,此时尽管阻力远大于升力,但是升力随攻角不断增加,所以最大变形与之前相比有明显增大,但其趋势为逐渐减小。从应力应变云图可以看出帆翼表面的等效应力分布不均匀,存在着应力集中的现象,桅杆顶端与帆上角连接处等效应力的数值最大,应力分布最为集中,此外帆翼后帆边也存在较大的等效应力,而桅杆中下部以及帆翼底部等效应力较小。可见在本研究所涉及的攻角范围内,帆板帆翼的主要受风区域位于桅杆中上部和后帆边的中下部,以及两者之间的区域。研究结论:对于奥运会比赛中女子Neil Pryde RS:X帆板帆翼而言,其失速角位于25°-30°之间,迎风及横风航段最佳攻角为20°,顺风航段为保证航行速度应尽量减小攻角;整个航段中帆翼背风面均为负压,而迎风面上最大压力区域随攻角的增加而增大。不同攻角下帆翼最大变形位置基本相同,都出现在帆顶角处,帆翼变形与作用于帆面上升阻力的变化有关;帆翼表面的等效应力分布不均匀,存在应力集中的现象,桅杆顶端与帆上角连接处以及帆翼后帆边等效应力的数值最大,而桅杆中下部以及帆翼底部等效应力较小。
论文目录
文章来源
类型: 国内会议
作者: 贺阳映,马勇,蔺世杰,张松
关键词: 帆板帆翼,数值模拟,单向流固耦合,空气动力,变形
来源: 第十一届全国体育科学大会 2019-11-01
年度: 2019
分类: 基础科学,社会科学Ⅱ辑
专业: 力学,体育
单位: 武汉体育学院体育工程与信息技术学院武汉体育学院研究生院
分类号: G861.4;O353.4
DOI: 10.26914/c.cnkihy.2019.032703
页码: 8121-8122
总页数: 2
文件大小: 1594k
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