帆板帆翼的空气动力性能研究方法

帆板帆翼的空气动力性能研究方法

贺阳映

（武汉体育学院研究生院，武汉430079）

1研究背景

帆板运动在20世纪60年代末开始出现，当时的帆板是在冲浪板上加帆，直到1967年，在美国出现一种装有能够自由转动桅杆的加长冲浪板，标志着帆板的形成。熟练掌握其空气动力性能可以使运动员更加高效地完成技术动作，从而取得更加优异的成绩。

计算机技术和计算方法的不断发展，使数值模拟技术不再是奢望。与理论分析和试验研究相比，数值模拟不仅可以获得帆翼整体的流体动力性能，而且帆翼周围流动的细节也可以得到，所以数值模拟技术在体育领域越来越受到人们关注。

但是目前我国在应用计算流体力学方法来计算帆板帆翼的空气动力性能方面还处于起步阶段。本文通过文献综述的方法，对流体动力性能研究方法的发展进行研究，为帆板帆翼空气动力性能的进一步研究提供理论依据。

2势流

1962年，随着计算机硬件的迅速升级和操作系统软件的出现，Hess和Smith基于计算机首次研究了不含自由表面无升力势流的“Douglas”方法，它是现代带自由面势流方法的基础，标志着船舶CFD向高精度发展迈出了第一步。

Dawson方法是历史上有名的弱非线性行波理论，该方法的发现可以称为船兴波问题计算的一大突破性进展，它第一个特点为以船体的的叠模绕流为基本流动，相对于这个叠模绕流，船舶的兴波流动很小；另一特点是它的基本源（又称Rankine源）除了是拉普拉斯的基本解外，不满足任何特定的条件。正是这一点使得基本源的应用十分广泛，控制方程只要是拉普拉斯方程，无论是线性问题还是非线性问题、定常问题或非定常问题都可以用它。当今在势流框架下的兴波理论计算，已基本统一在Dawson型算法的基础上了。

1986年前后，人们将Dawson的线性方法加以发展，用完全非线性的自由面条件去求解兴波阻力问题。

上述势流方法均对流场及船型作了各种假设与简化，近年来，研究人员改进现有的简单理论方法，直接采用三维势流和粘性流方法进行计算。目前三维势流方法成功地应用于船舶兴波阻力计算、波浪载荷计算以及运动预报。

3粘性流

理论流体力学的进一步发展实自1821年开始，纳维等人开始考虑将分子间的作用力加入到欧拉方程中去。1845年斯托克斯将这个分子间的作用力用粘性系数μ表示，并正式完成了纳维-斯托克斯方程(即N-S方程)，最终建立了粘性流体力学的基本方程，奠定了近代粘性流体力学的基础。

3.1在船舶快速性方面

粘性是流体本身一种属性，刚开始人们把流体当作理想流体，即当作无粘流体采用势流方法来计算，势流理论可以精确地计算船舶的兴波阻力。

由于流体存在粘性，船体在流体中运动，吃水线以下的船体表面会受到与船体运动方向相反的摩擦力，同时船体首尾两端产生漩涡，使得此处船体表面的压力减小，造成船体表面压力重新分布，产生粘压阻力，另一方面船体在航行过程中，波浪作用在船体表面，形成船体兴波，造成船体首尾压力差产生兴波阻力。

对于表面船来说，粘性对于船体周边薄边界层和船后伴流是非常重要的。从船舯到船艉，船体横截面面积及形状都在发生变化，边界层也随之增厚。在艉部，容易出现流线的聚散和流线曲率较剧烈的变化，从而对整个船体的各种水动力性能产生巨大的影响。因此如何模拟船体周围的粘性流场并精确地预报阻力成为船舶水动力学领域的研究热点。

3.2在船舶操纵性方面

操纵运动船体受到的水动力本质是由粘性引起的。对于以较大的横向速度、较大的回转角速度运动的船体，势流方法已失效，为精确预报这些运动情况下的船体受力，必须采用粘性流方法。

20世纪九十年代以来国际上船舶CFD的研究重点已经转向船舶粘性流计算。

国内方面，1994年高秋新用三维不定常RANS方程求解船尾绕流、1996年沈奇心等采用通量差分分裂上风差分格式求解船舶粘性流动，中国船舶科学研究中心是我国较早进行粘性流研究的单位，目前基本与国际先进水平保持同步发展，并且部分方面有所创新。

目前国际领先的船舶粘性流计算技术能够准确地捕捉复杂的流动形态及结构(如舭涡等)，对船艉附近复杂的湍流流场也能比较精确地做出预报；对流动区域平均物理量(速度及压力)和固壁边界的水动力系数(摩擦阻力系数及压阻力系数)的预报已达较高的精度，与试验结果一般都比较吻合；能够处理完全非线性自由面流动；对波形的预报也达到了一定的精度，打破了造船界长期将粘性流场和波场分割孤立研究的状况，把两者作为一个整体来研究，从而能够计算船舶的总阻力，使得数值计算和试验的目标相一致，计算结果的可比性大大增强；在高雷诺数计算方面，可以达到实船雷诺数109量级，可望用于实船性能预报，为解决长期困扰造船界的船模-实船相关问题提供强有力的于段。在实用方面，已能够考虑船-桨-舵的相互干扰，并与计算机辅助设计(Computer-AidedDesign，CAD)技术相结合，在参数化船体设计、优化船型包括圆舭和方艉船艉部线型优化等许多方面得到了实际应用。可以说船舶粘性流数值计算研究的成功已为其实用化奠定了坚实的基础。

粘流问题的数学模型即著名的纳维-斯托克斯(Navier-Stokes)方程，数值求解这一方程的方法有三大类：直接数值模拟方法(DNS)、大尺度涡动模拟方法(LES)、雷诺平均方法(RANS)，

3.3大涡模拟（LES）

目前普通的研究者尚无法实现DNS，而雷诺时均的过程抹平了紊流运动的若干微小细节，模型模化过程带有很多人为因素。而介于DNS和RANS之间的LES，由于其较雷诺时均理论更为精细且在常规的计算机上即可实现，因而已在计算流体力学界逐渐兴起并发展成为最有发展潜力的紊流数值求解方法。

1963年Smagorinsky首次提出了大涡模拟模型，1970年气象学家Dcardorff第一次用大涡模拟解决工程水流问题，70年代，Ferziger参考RANS中的湍动能和耗散率概念，考虑涡尺度对涡粘性系数的影响，修正了Smagorinsky的计算公式。1995年，Ghosal针对模型中非均匀各项同性应用中数学不一致的问题，提出了动态局部模型。

我国在这方面起步较晚，在1986年由苏铭德提出了大涡模拟中的代数应力模型并对弯曲槽道内的湍流流动进行了计算，计算结果与实验结果相符，证明了此模型的合理性，随后越来越多的学者开始从事大涡模拟方面的研究。

与DNS和RANS相比，大涡模拟在层流到湍流转换、非定常湍流以及高速湍流的预测方面显示其优越性，但是在复杂湍流预测方面还存在很多的问题，因为大涡模拟中网格节点的划分极其细密，这对计算机存储能力要求极高；另一方面由于实际湍流极其复杂，需要高速数值处理能力。但总的来说，大涡模拟法由于其计算的有效性和适用性，是目前解决实际工程中紊流问题的最有效方法之一。

4结论

通过上述总结分析发现，如今CFD已经告别单纯理论研究的阶段，逐渐具有实用性。与传统模型试验相比其具有花费少、效率高、不会出现尺度效应的优势，是代替船模试验，为船舶水动力性能设计提供一个全雷诺数的数值模拟工具。利用CFD技术选择合适的模型能够较为精确地模拟出帆翼在粘性流中的的运动细节，为帆翼空气动力性能预报提供强有力的工具，也为中国帆板运动取得优异成绩提供强有力的科学理论支持。

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