论文摘要
研究目的:帆板运动的主要动力来源于风作用于帆翼上的空气动力,在奥运会帆船帆板比赛中,风速通常在2m/s到12m/s之间。由于帆板帆翼是软帆,在实际航行中,帆翼周围空气的流动对帆翼产生的作用力促使帆翼发生一定程度的形变,同时帆翼形状的变化又会影响帆翼周围的空气流动分布。为了真实的模拟风速对帆翼变形影响以及帆翼空气动力性能,必须要考虑帆翼与流场间存在的作用,即考虑外界环境变化与帆翼的流固耦合（Fluid-Structure Interaction,FSI）作用。研究方法:采用商用软件ANSYSWorkbench对不同风速下奥运会女子级别的NP帆板帆翼空气动力性能进行单向流固耦合数值分析,NP帆翼外形通过测绘得到,并在建模软件DesignModeler进行帆翼模型和流动区域的构建,得到的三维模型。采用Realizable k-ε模型来计算湍流度,流动方程、k方程和ε方程的离散均选择一阶精度,在近壁区使用壁面函数法进行处理。计算域入口边界条件采用速度入口,入口速度分别设置2m/s,4m/s,6m/s,8m/s,10m/s和12m/s。出口条件采用自由流出,出口处速度满足流动充分发展。帆翼表面满足流体粘附在帆翼表面,即满足无滑移条件。研究结果:帆翼的整个迎风面为正压区,迎风面整体区域压力变化趋势稳定,在靠近桅杆部分压力较大为高压区,压力最高点在桅杆中下部附近;帆翼尾缘为低压区,从迎风缘到尾缘压力变化趋势较平顺,随着风速的增大相应的所受到的最大压力值从2Pa增加到80Pa。帆翼背风面为负压区,整体压力变化趋势稳定,靠近桅杆中上部和帆后边中上部低压较高且压力梯度变化较大,其位置变化不明显,靠近帆底边区域和帆后边上部区域低压较低;随着风速的增加,背风面整体受到的负压值逐渐增大。在背风面桅杆附近和帆翼尾缘后边的下游区域处产生明显分离漩涡,且风速越大回流漩涡范围越大。帆翼变形变化趋势整体较平顺,集中位于帆翼后缘中上部,且最大变形量在此区域内靠近帆翼后缘中上部处。在各风速下,帆翼桅杆顶部附近和帆翼尾缘右下方产生应变较大,应变变化趋势整体较大。帆翼表面应力最大区域在帆翼尾缘下方和桅杆附近上部,也靠近固定约束面。风速的增加使帆翼应力区增大,由桅杆上部附近区域到帆翼尾缘下方区域逐渐相连形成最大应力区域,呈现从应力集中到全帆承受应力,同时也会影响全帆流场,因此考虑帆翼与流场的耦合作用非常有必要。研究结论:研究发现在风速为2m/s时升阻力系数和升阻比最大,随着风速的增加升阻比值逐渐减小,且变化差异很小。通过对比分析不同风速下z=1.6m位置处帆翼横截面的压力分布和速度矢量分布变化情况,发现帆翼迎风面和背风面压力大小比较一致,靠近桅杆部分所受压力较大,随着速度的增大迎风面受到的压力也逐渐增大。在背风面桅杆附近和帆翼尾缘后边的下游区域处产生明显分离漩涡,且风速越大回流漩涡范围越大。通过单向流固耦合将流场载荷施加到NP帆翼结构,得到了其总变形、应力和应变的情况。发现帆翼表面在帆翼尾缘下方区域和桅杆附近上部区域应力最大,应力最大的区域也靠近固定约束面。随着风速的逐渐增大,应力逐渐增大;风速的增加使帆翼应力区增大,呈现出应力集中到整个帆翼承受应力,且全帆的应变也逐步增加,这样也会影响整个帆翼流场,因此非常有必要考虑帆翼与流场的耦合作用。为运动员在训练和实际比赛中调节NP帆板帆翼提供参考,从而进一步提高我国帆板运动科学化训练水平。
论文目录
文章来源
类型: 国内会议
作者: 雷晓珊,马勇,蔺世杰
关键词: 帆板帆翼,风速,流固耦合,数值模拟,空气动力性能
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
分类号: G861.4;O353.4
DOI: 10.26914/c.cnkihy.2019.029864
页码: 2456-2458
总页数: 3
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