馬勇　鄭偉濤

摘要：利用數(shù)值模擬方法對不同扣角和傾角下的升力系數(shù)、阻力系數(shù)、力矩系數(shù)以及帆翼底部流場進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)帆翼扣角以后帆翼升力系數(shù)、阻力系數(shù)都變小，垂直水平面上力系數(shù)增加很多，這個力增加可以減小船體阻力、有利于帆船行駛。另外，帆翼扣角以后帆翼力矩有不同程度的減小，這對于帆船行駛來說是有利的，可以減小帆船傾斜。單獨從升力來看傾角為—10°是有利的。

關(guān)鍵詞：帆翼；扣角；傾角；升力；阻力

中圖分類號： 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：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

帆船比賽過程中，運動員操控帆船時由于受風(fēng)、

收稿日期：2011—11—02

基金項目：國家自然科學(xué)基金（51009113）、國家科技支撐計劃（2012BAK23B05）、國家體育總局奧運會科研攻關(guān)項目（2011A025、09B030）、湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目（Q200933002）資助。

作者簡介：馬勇（1978— ），男，湖北孝感人，工學(xué)博士，副教授，研究方向體育工程學(xué)，計算流體力學(xué)。

作者單位：1.武漢體育學(xué)院體育工程與信息技術(shù)系，湖北 武漢 430079；2.國家體育總局體育工程重點實驗室，湖北 武漢 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、流的影響[1]，帆翼系統(tǒng)不可能完全垂直與海平面，運動員需要根據(jù)外界環(huán)境繞帆船船體縱中剖面調(diào)整帆翼平面與海平面之間夾角[2—5]。計算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法作為帆船帆翼空氣動力性能重要的研究方法之一[6—9]，本課題利用CFD方法對不同扣角下帆翼空氣動力性能之間差異進(jìn)行研究，旨在為運動員在帆船實際調(diào)帆中提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 計算模型與條件

計算的帆型為Sail1帆型，其基本尺寸是：展弦比=3.90、拱度比=11%、帆弦長。研究中，帆翼的表面形狀是實際帆船行駛時候的帆翼形狀，通過測繪得到，在弦長方向進(jìn)行了9點測繪，在帆翼的高度方向進(jìn)行了10點測繪。計算的雷諾數(shù)為。計算工況為攻角為60°下，扣角分別為—10°、0°、10°和傾角分別為—10°、0°、10°下的升力系數(shù)、阻力系數(shù)、力矩系數(shù)以及壓力中心。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同扣角下帆翼數(shù)值計算

在攻角為60°、扣角分別為—10°、0°、10°下的升力系數(shù)、阻力系數(shù)、力矩系數(shù)如圖1～圖3所示。為了了解帆翼扣角以后，帆翼周圍流場的變化情況，圖3顯示了在不同扣角下帆翼底部流場情況。

山東體育學(xué)院學(xué)報

第28卷第3期

2012年6月 馬 勇，等 不同扣角和傾角下帆船帆翼空氣動力特性的分析研究

No.3 2012從圖1可以看到，帆翼扣角以后帆翼升力系數(shù)、阻力系數(shù)都變小了，這與梯度風(fēng)下，扣角以后帆翼實際受風(fēng)面速度較低有關(guān)。同時可以發(fā)現(xiàn)，垂直水平面上力系數(shù)增加很多，這個力對于帆船行駛是十分有利的，可以將帆船適當(dāng)向上提升，這樣可以減小船體吃水面積，從而減小船體阻力，達(dá)到減小阻力增加船速的目的。

從圖2可以看到，帆翼扣角以后帆翼力矩有不同程度的減小，這對于帆船行駛來說是有利的，可以減小帆船傾斜。

從圖3可以看到，扣角為—10°帆翼底部流場與不扣角時流場沒有多大變化，而扣角為100時流場相對不扣角時流場來說，有較大變化。

2.2 不同傾角下帆翼數(shù)值計算

在攻角為60°、傾角分別為—10°、0°、10°下的升力系數(shù)、阻力系數(shù)、力矩系數(shù)以及壓力中心如圖4～圖5所示。從圖4—圖5可以看到，帆船傾角—10°時帆翼的升力系數(shù)、阻力系數(shù)和力矩系數(shù)都比0°傾角和10°傾角下的相應(yīng)系數(shù)大。說明單獨從升力來看傾角為—10°是有利的。

3 結(jié)論

本文對攻角為60°時扣角分別為—10°、0°、10°和傾角分別為—10°、0°、10°下的升力系數(shù)、阻力系數(shù)、力矩系數(shù)以及帆翼底部流場進(jìn)行了分析。研究發(fā)現(xiàn)，帆翼扣角以后帆翼升力系數(shù)、阻力系數(shù)都變小了，垂直水平面上力系數(shù)增加很多，這個力增加可以減小船體阻力、有利于帆船行駛。另外，帆翼扣角以后帆翼力矩有不同程度的減小，這對于帆船行駛來說是有利的，可以減小帆船傾斜。帆船傾角—10°時帆翼的升力系數(shù)、阻力系數(shù)和力矩系數(shù)都比0°傾角和10°傾角下的相應(yīng)系數(shù)大。說明單獨從升力來看傾角為—10°是有利的。

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山東體育學(xué)院學(xué)報Journal of Shandong Institute of Physical Education and Sports

Vol.28 No.3June 2012