基于力学分析的470级帆船转舵应用研究

帆船船体及附体的水动力性能对运动成绩具有重要影响,而舵是470级帆船运动时调整航向和平衡帆船的重要附体。为了得到470级帆船舵的水动力特性,基于计算流体力学方法(Computational Fluid Dynamics,CFD),采用雷诺平均纳维尔-斯托克斯方程(Reynolds-averaged Navier-Stokes Equations,RANSE)对470级帆船船舵组合体的粘性流场进行了模拟。研究表明,在排水量为280 kg、航速为2 m/s^8 m/s时,舵的失速角为30°;随着航速的增加,船体尾流将影响舵体有效面积和展弦比,当航速为10 m/s时船舵组合体舵失速角为35°;舵角在10°~25°时舵体升阻比较高。帆船比赛中如果要进行较大角度转向,建议舵角为30°~35°;当帆船比赛中接受绕圈判罚时,可以提高帆船速度,同时采用升力系数较大的舵角进行回转,这样可以有效地节约处罚所耗费的时间。结合帆船运动规则和帆船航行路线,基于数值模拟结果探索了舵在帆船转向、绕标和挣脱判罚时的应用规律。

基于单向流固耦合的不同攻角下奥运会帆板帆翼空气动力特性数值模拟

目的:探讨奥运会级别Neil Pryde RS:X帆板帆翼空气动力性能随攻角变化的规律,为帆板运动员合理调整帆翼攻角提供指导。方法:通过求解雷诺时均方程(Reynolds Averaged Navier-Stokes Equations,RANSE),基于单向流固耦合对风速为6 m/s、攻角为20°~50°及80°~100°、间隔为5°时的工况进行数值仿真,获取帆板帆翼单向流固耦合时粘性流场、结构场的变化情况。结果:攻角为20°~25°时帆翼升力系数随攻角的增加而增加;超过25°后,升力系数逐渐减小,帆翼失速角处于25°附近;当攻角>90°时,随着攻角的继续增加,升力系数和阻力系数均随攻角的增加而增大。帆翼最大变形发生在帆顶角处,迎风航段攻角为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,攻角继续增大时,帆翼最大变形仍继续增加,但幅度变小。顺风航段攻角<90°时,随着攻角的增加,帆翼的最大变形量减小;攻角>90°时,最大变形与之前相比有明显增大。帆翼表面存在应力集中的现象,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,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,帆板帆翼的主要受风区域位于桅杆中上部,后帆边的中下部,以及两者之间的区域。结论:帆翼的失速角位于25°附近,迎风及横风航段最佳攻角为20°左右,顺风航段应尽量减小攻角;帆翼的最大变形发生在帆顶角处,帆面存在等效应力集中现象。

湍流模型对470级帆船船体水动力性能的影响研究

470级帆船是奥运会比赛项目,其船体水动力性能对运动员成绩具有重要影响,为了得到适合470级帆船船体水动力数值计算的湍流模型,利用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)方法,通过求解雷诺平均纳维尔-斯托克斯方程(Reynolds-averaged Navier-Stokes Equations,RANSE)对470级帆船船体在不同湍流模型下的周围黏性绕流场进行了数值模拟研究。计算网格采用结构化网格,自由液面采用VOF(volume of fluid,VOF)的方法进行处理。讨论SST k-ω模型、Standard k-ω模型、Standard k-ω模型、Realizable k-ω模型、RNG k-ω模型5种湍流模型对帆船水动力性能数值模拟计算结果的影响与原因,根据计算结果与经验公式估算结果比较分析,确定了470级帆船船体数值模拟采用RNG k-ω模型与经验公式更为接近。研究结果为下一步数值模拟帆船船体水动力性能打下了基础。