不同扣角和倾角下帆船帆翼空气动力特性的分析研究

摘要：利用数值模拟方法对不同扣角和倾角下的升力系数、阻力系数、力矩系数以及帆翼底部流场进行分析，发现帆翼扣角以后帆翼升力系数、阻力系数都变小，垂直水平面上力系数增加很多，这个力增加可以减小船体阻力、有利于帆船行驶。另外，帆翼扣角以后帆翼力矩有不同程度的减小，这对于帆船行驶来说是有利的，可以减小帆船倾斜。单独从升力来看倾角为—10°是有利的。

关键词：帆翼；扣角；倾角；升力；阻力

中图分类号： 文献标识码：A 文章编号：1006—2076（2012）03—00—00

Abstract：The lift coefficient， drag coefficient， moment coefficient and flow field of the sail bottom were analyzed when there were different pitch angles. If the sail was pitched with the direction of the athlete， the lift coefficient would decrease， but the upward force coefficient would enhance awfully. So， it would be propitious to decrease the resistance of the hull and enhance the speed of the sailing. The pitch with the direction of the stern would enhance the lift coefficient of the sails and the speed of the sailing. The research would be contributed to trimming the sails during the sailing.

Key words：sail； pitch angle with the direction athlete； pitch angle with the direction stern； lift force； drag force

帆船比赛过程中，运动员操控帆船时由于受风、

收稿日期：2011—11—02

基金项目：国家自然科学基金（51009113）、国家科技支撑计划（2012BAK23B05）、国家体育总局奥运会科研攻关项目（2011A025、09B030）、湖北省教育厅科学技术研究项目（Q200933002）资助。

作者简介：马勇（1978— ），男，湖北孝感人，工学博士，副教授，研究方向体育工程学，计算流体力学。

作者单位：1.武汉体育学院体育工程与信息技术系，湖北 武汉 430079；2.国家体育总局体育工程重点实验室，湖北 武汉 430079

1.Department of Sports Engineering and Information Technology， Wuhan Institute of Physical Education， Key Laboratory of Sports Engineering of General Administration of Sport of China， Wuhan， 430079， P.R. China；

2.Key Lab of Sports Engineering，Natunal Sports General Administration，Wuhan 430079，China

浪、流的影响[1]，帆翼系统不可能完全垂直与海平面，运动员需要根据外界环境绕帆船船体纵中剖面调整帆翼平面与海平面之间夹角[2—5]。计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法作为帆船帆翼空气动力性能重要的研究方法之一[6—9]，本课题利用CFD方法对不同扣角下帆翼空气动力性能之间差异进行研究，旨在为运动员在帆船实际调帆中提供科学指导。

1 计算模型与条件

计算的帆型为Sail1帆型，其基本尺寸是：展弦比=3.90、拱度比=11%、帆弦长。研究中，帆翼的表面形状是实际帆船行驶时候的帆翼形状，通过测绘得到，在弦长方向进行了9点测绘，在帆翼的高度方向进行了10点测绘。计算的雷诺数为。计算工况为攻角为60°下，扣角分别为—10°、0°、10°和倾角分别为—10°、0°、10°下的升力系数、阻力系数、力矩系数以及压力中心。

2 结果与讨论

2.1 不同扣角下帆翼数值计算

在攻角为60°、扣角分别为—10°、0°、10°下的升力系数、阻力系数、力矩系数如图1～图3所示。为了了解帆翼扣角以后，帆翼周围流场的变化情况，图3显示了在不同扣角下帆翼底部流场情况。

山东体育学院学报

第28卷第3期

2012年6月 马 勇，等 不同扣角和倾角下帆船帆翼空气动力特性的分析研究

No.3 2012从图1可以看到，帆翼扣角以后帆翼升力系数、阻力系数都变小了，这与梯度风下，扣角以后帆翼实际受风面速度较低有关。同时可以发现，垂直水平面上力系数增加很多，这个力对于帆船行驶是十分有利的，可以将帆船适当向上提升，这样可以减小船体吃水面积，从而减小船体阻力，达到减小阻力增加船速的目的。

从图2可以看到，帆翼扣角以后帆翼力矩有不同程度的减小，这对于帆船行驶来说是有利的，可以减小帆船倾斜。

从图3可以看到，扣角为—10°帆翼底部流场与不扣角时流场没有多大变化，而扣角为100时流场相对不扣角时流场来说，有较大变化。

2.2 不同倾角下帆翼数值计算

在攻角为60°、倾角分别为—10°、0°、10°下的升力系数、阻力系数、力矩系数以及压力中心如图4～图5所示。从图4—图5可以看到，帆船倾角—10°时帆翼的升力系数、阻力系数和力矩系数都比0°倾角和10°倾角下的相应系数大。说明单独从升力来看倾角为—10°是有利的。