帆板流体动力性能与最佳航线的研究

近年来，各国对于水上运动项目流体力学研究十分重视。随着水上运动竞争的加剧，各国教练员、运动员与科研人员紧密配合试图通过改进流体动力的性能促使运动员的运动成绩有所提高与突破。为实现我国亚运、奥运双突破的梦想，在帆板训练中，我们必须加大科研的力度，以科研促训练，全面提高帆板运动训练水平和帆板运动成绩。 帆板的运动是运动员通过娴熟的操帆驾板技术使帆板处于最佳的受力状态即获得最大的空气推力从而获得最大的船速，因此在给定器材的情况下如何获得最佳的流体动力性能以创造最佳的运动成绩，这是帆板运动项目必须面对的问题，流体力学的研究是解决这一问题的基础和金钥匙，本文针对帆板运动实践急需解决的几个问题展开研究。 1．帆翼的空气动力性能的研究，主要从两个方面进行：风洞试验测试与空气动力学的数值模拟。 本文主要对帆翼的风洞试验数据进行分析与处理，分别探讨帆翼拱度对空气动力性能的影响、帆翼攻角0°～360°变化时空气动力性能的变化以及前倾后倾、正扣反扣组合对帆翼的空气动力性能的影响，为运动员调帆提供理论依据。对大量的试验数据进行了回归，分别得到了升力、诱导阻力关于攻角的三次多项式以及各个航向角下的推力、横向力关于攻角的关系式，计算了不同航向角下的最大推力系数值。 在帆翼的空气动力学数值计算中，本文分别运用了商业软件FLUENT与自己编写的涡环栅格法的计算程序对平板、圆弧帆、三角帆以及梯型帆在各种不同攻角下时升力与诱导阻力进行了计算，两种计算方法共计算了179种算例。以上计算分别将海平面作为固壁边条，分别利用平板、圆弧帆作为有限控制体积的取舍、湍流模式的选择以及壁函数的调整进行效验的计算，在此基础上又进行梯型帆(实际比赛用帆)均匀来风、梯度风作用下压力、升力与阻力的计算。 2．板体水动力性能的研究，主要从两个方面进行：板体的水动力学试验与板体各种阻力成分的经验公式计算。 我们在船池中对比赛的“米”式平底板进行了纵倾0°、2.5°、4.4°；横倾0°、11°、15.5°九种组合状态下阻力、横向力、实际纵倾角、板体实际升沉的测试，并将测试结果与“LASER”圆底板进行了综合分析，寻找出不同船速下阻力与横向力随纵倾与横倾变化的规律，并对阻力、横向力随船速变化关系进行了三次多项式回归。在试验测试总阻力的基础上，本文运用ITTC—57摩擦阻力计算公式对于各种状态下板体粘性阻力进行了计算，分析了在不同船速下各种阻力成分的比例。