帆船空氣動力學(xué)

帆船空氣動力學(xué)第一頁，共四十八頁，2022年，8月28日一、風(fēng)帆船的運動三個基本概念：真實風(fēng)V、相對風(fēng)W、航行風(fēng)v帆船運動航線風(fēng)帆帆與船的受力分析結(jié)論第二頁，共四十八頁，2022年，8月28日三個基本概念：真實風(fēng)V、相對風(fēng)W、航行風(fēng)v真實風(fēng)V——離開帆船所看到的風(fēng)速，也就是在岸上所觀測到的風(fēng)速。真實風(fēng)速V與船的中剖面之間的夾角為β。航行風(fēng)v——在艇上所感覺到與航行相反的風(fēng)。它的大小與帆船的航行速度相等，方向與航行的方向相反，它有時被叫做船風(fēng)。相對風(fēng)W——航行時的帆實際所受到的風(fēng)速。它是真實風(fēng)與航行風(fēng)的矢量合成。它的方向與帆船上高處的旗幟吹動的方向一致，所以相對風(fēng)又叫著旗幟風(fēng)或感覺風(fēng)。其風(fēng)向與帆船中剖面之間的夾角為θ。帆產(chǎn)生空氣動力的大小就是與相對風(fēng)速有關(guān)。帆在帆船航行時所遇到的風(fēng)是比較復(fù)雜的，是多種風(fēng)的合成，可以將風(fēng)分為三個部分。第三頁，共四十八頁，2022年，8月28日三個基本概念：真實風(fēng)V、相對風(fēng)W、航行風(fēng)v相對風(fēng)W——航行時的帆實際所受到的風(fēng)速。它是真實風(fēng)與航行風(fēng)的矢量合成。它的方向與帆船上高處的旗幟吹動的方向一致，所以相對風(fēng)又叫著旗幟風(fēng)或感覺風(fēng)。其風(fēng)向與帆船中剖面之間的夾角為θ。帆產(chǎn)生空氣動力的大小就是與相對風(fēng)速有關(guān)。相對風(fēng)是帆船所承受的實際風(fēng)，如果相對風(fēng)來自船艏，則稱為前側(cè)風(fēng)；如果垂直與船體，則稱為橫風(fēng)；如果來自于船艉，則稱為尾風(fēng)。當真實風(fēng)正好從船艉吹來時，也就是船順著風(fēng)向，則相對風(fēng)速等于真實風(fēng)與航行風(fēng)速之差。第四頁，共四十八頁，2022年，8月28日圖2-3-1風(fēng)帆船運動第五頁，共四十八頁，2022年，8月28日風(fēng)帆帆與船的受力分析圖2-3-2風(fēng)帆的受力第六頁，共四十八頁，2022年，8月28日風(fēng)帆帆與船的受力分析圖2-3-3風(fēng)帆船的受力第七頁，共四十八頁，2022年，8月28日結(jié)論對帆的作用力不是由真實風(fēng)所決定的，而是由相對風(fēng)速（旗幟風(fēng)）所決定的。實際中相對風(fēng)一般情況下都與船的中剖線（或者說航向）成銳角。相對風(fēng)在與航向成銳角的情況下，其大小總是大于真實風(fēng)的速度。而相對風(fēng)來自于船艉時要小于真實風(fēng)。雙體帆船所受到的作用力與單體帆船類似。在一般情況下，作用在風(fēng)帆船上的相對風(fēng)，對于單體帆船總是銳角，而雙體帆船總是前側(cè)風(fēng)。第八頁，共四十八頁，2022年，8月28日二、風(fēng)帆空氣動力基礎(chǔ)（一）升力的產(chǎn)生（二）環(huán)流理論（三）風(fēng)口效應(yīng)第九頁，共四十八頁，2022年，8月28日（一）升力的產(chǎn)生對于帆船帆板運動員和教練員來講，了解風(fēng)帆空氣動力的原理是十分重要的。因為如果不了解它，就無法正確地調(diào)整風(fēng)帆。缺乏一定的技術(shù)基礎(chǔ)，調(diào)整風(fēng)帆只能是盲目的，無法適應(yīng)條件的變化。第十頁，共四十八頁，2022年，8月28日（一）升力的產(chǎn)生物理模型：風(fēng)帆是一張很薄的薄膜，是一種沒有厚度只有拱度的機翼。實際上在氣流中一塊斜置的平板，也會產(chǎn)生升力，其升力足以使帆船在逆風(fēng)中前進，也能使飛機上天。研究方法考慮粘性：邊界層理論不考慮粘性：理想流體（升力理論）第十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日（一）升力的產(chǎn)生（a）

（b）（c）圖3-5啟動渦的產(chǎn)生第十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日（二）環(huán)流理論（a）（b）圖3-6速度環(huán)量第十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日（三）風(fēng)口效應(yīng)雙帆的干擾情況是比較復(fù)雜的。一般來講，前帆與主帆的前緣有一部分重疊，它由兩個用處：第一，它會使主帆上表面的氣流得到加速，因而增加了主帆上表面的負壓，提高了主帆的升力；第二，由于氣流得到了加速，使得主帆邊界層中的氣流得到了更大的動能，有推遲分離的可能，升力不至于急劇下降，反而會有所上升。然而前帆與主帆重疊區(qū)域的大小和角度，是能否形成有利干擾的關(guān)鍵，如果安排不當也會造成主帆的失速。第十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日三、風(fēng)帆空氣動力特性（一）帆翼的空氣動力（二）風(fēng)帆極圖及其應(yīng)用（三）空氣動力的影響因素（四）海面梯度風(fēng)第十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日（一）帆翼的空氣動力1、吸引力N2、摩擦阻力F一般來講，摩擦阻力F比力N小得多，通常可以忽略不計。兩者的合力為總的空氣動力P。將其分解如下：第十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日（一）帆翼的空氣動力1、升力L2、迎面阻力D圖2-3-7帆翼的受力第十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日（一）帆翼的空氣動力幾個基本概念：2、零沖角(無升力角)α0圖2-3-8帆翼的攻角1、攻角（沖角）α3、氣動攻角

αa

（流體動力攻角）4、相對拱度f第十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日(一)帆翼的空氣動力零沖角(無升力角)α0與相對拱度f關(guān)系：圖2-3-8帆翼的攻角帆翼的零攻角主要與帆翼的相對拱度有關(guān)，相對拱度f越大，零攻角α0的絕對值也越大。很多翼型α0，在數(shù)值上約等于f大小的百分數(shù)，即：α0=-f%第十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日（二）風(fēng)帆極圖及其利用基本概念：2、阻力系數(shù)CD1、升力系數(shù)CL3、極圖:系數(shù)CL和CD與攻角關(guān)系曲線稱為極圖。4、升阻比K:5、偏航力CN6、推力系數(shù)CT第二十頁，共四十八頁，2022年，8月28日（二）風(fēng)帆極圖及其應(yīng)用圖2-3-9帆的極圖第二十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日推力系數(shù)CT、偏航力CN系數(shù)與升力系數(shù)CL、阻力系數(shù)CD存在如下關(guān)系：CT=CL

sinθ-CdcosθCN=CL

cosθ+CDsinθ從上式可以看出，當航向角小于90°時，升力將產(chǎn)生正的推力而阻力將產(chǎn)生負的推力，當航向角大于90°時，升力和阻力都將產(chǎn)生正的推力。第二十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日（二）風(fēng)帆極圖及其應(yīng)用在已知帆的安裝角φ和相對風(fēng)的風(fēng)向角θ后(圖2-3-3)，那么攻角α為：α=θ-φ圖2-3-3風(fēng)帆船的受力第二十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日（二）風(fēng)帆極圖及其應(yīng)用圖2-3-9帆的極圖將O點和C點連結(jié)起來，C點就是帆的攻角α，OC就是帆的風(fēng)壓力系數(shù)CP、OC線段與合力的方向是一致的，由C點作射線OA的垂線CD，線段OD等于推力系數(shù)CT，而線段CD則等于偏航力系數(shù)CN。第二十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日圖2-3-9帆的極圖根據(jù)帆的極圖曲線可以確定最佳帆裝角，在射線OA上作垂線并與曲線相切，這時線段OA就是在該航向上的最大推力Ctmax，相應(yīng)的攻角就是帆的最佳攻角αopt，這樣就可以換算出最佳帆裝角φopt，由于偏航力的存在，可以保持一定的舵角來平衡船體和維持航向，這樣可以保證帆能提供最大的推力。第二十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日（三）空氣動力的影響因素2、風(fēng)帆拱度f1、展弦比λ3、帆的平面形式4、阻力：摩擦阻力；形狀阻力5、誘導(dǎo)阻力6、桅桿和索具的影響第二十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日（三）空氣動力的影響因素1、展弦比λ帆翼的展弦比λ對于風(fēng)帆的空氣動力性能有較大的影響。對于風(fēng)帆其展弦比λ的定義為:式中：Ln——風(fēng)帆前緣的長度；

S——風(fēng)帆面積。第二十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日（三）空氣動力的影響因素1、展弦比λ影響一般來講，展弦比增加，空氣動力系數(shù)都會增加，升力系數(shù)會增加的更快些。因此為了獲得較大的推力，應(yīng)該選用較大展弦比的風(fēng)帆。特別是前側(cè)風(fēng)時(θ＜90°)，大展弦比的風(fēng)帆是比較有利的。但隨著帆展弦比的增大，風(fēng)壓中心會增高，偏航力也會增加，就會引起帆艇傾斜角的增加，這就會影響帆艇的航行性能和艇的平衡。一般在風(fēng)帆設(shè)計時，要綜合考慮這兩點來選擇風(fēng)帆，保證達到好的推力性能但又不會有大的側(cè)斜角。幾乎所有的帆艇帆的展弦比都在3.6～6.0之間。對于主帆，展弦比平均為3～4.5，對三角帆展弦比不大于3.5～6，選擇展弦比超過這個值是不適宜的。第二十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日（三）空氣動力的影響因素2、風(fēng)帆拱度f圖2-3-10拱度對空氣動力性能的影響第二十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日（三）空氣動力的影響因素2、風(fēng)帆拱度f影響一般來講，拱度f愈大，帆升力L也愈大。但帆的拱度的增加大，同樣也會大大增加阻力D。所以在增加帆的拱度的時候，在增加升力同時，不僅只增大了推力，而且還增大了偏航力?？梢娋哂写蠊岸鹊娘L(fēng)帆，獲得的不僅僅是大的推力，而且也獲得了大的傾斜和偏航力。因此，帆的拱度在7%-13%之間為好。在弱風(fēng)傾斜力矩不大時，為了獲得大的推力，可以采用大的拱度；在強風(fēng)時，為了維持艇的平衡，力求采用小的拱度。第三十頁，共四十八頁，2022年，8月28日（三）空氣動力的影響因素3、帆的平面形式較好的帆的平面形式是橢園形或者是導(dǎo)園角的梯形。制造這樣的帆和桅并且操作它將是很復(fù)雜的任務(wù)。第三十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日（三）空氣動力的影響因素4、阻力：摩擦阻力；形狀阻力帆的阻力由摩擦阻力和形狀阻力的組成。帆的形狀阻力在很大程度上取決于空氣繞過風(fēng)帆的流動，在帆的后部邊界層發(fā)生分離，產(chǎn)生漩渦，壓力降低，因而抵消不了帆的前部的壓力，形成帆的前后壓力差，從而形成帆的形狀阻力。第三十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日（三）空氣動力的影響因素5、誘導(dǎo)阻力帆的誘導(dǎo)阻力也是迎面阻力的一部分。它是由于在風(fēng)帆端部，空氣從高壓區(qū)繞過端部向低壓區(qū)繞流而引起的。要減小誘導(dǎo)阻力，一來可以增加風(fēng)帆的長度，風(fēng)帆愈長誘導(dǎo)阻力愈小，二來可以將帆的底部拉近船體，減小船體與帆的距離，這樣可以有效地減少氣流從高壓區(qū)繞過端部進入低壓區(qū)。如果在銳角航向時，減小誘導(dǎo)阻力就會增加帆的推力。第三十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日（三）空氣動力的影響因素6、桅桿和索具的影響圖2-3-11桅桿對空氣動力性能的影響第三十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日（三）空氣動力的影響因素6、桅桿和索具的影響桅桿和帆的不同部件的相互影響，稱做干擾，桅、駛風(fēng)桿和其它部件影響帆，使其升力減少，這種是不利干擾，對于圓柱形桅桿，空氣的繞流就不順利了，在背風(fēng)面方向出現(xiàn)分離，產(chǎn)生旋渦，這些旋渦大大惡化了風(fēng)帆的工作，也就減小了它的升力。為了減小旋渦的形成，可以做成流線型的桅，競賽帆艇經(jīng)常具有可轉(zhuǎn)動截面流線型的桅。另外桅桿位置對風(fēng)帆空氣力的影響，完全類同于拱度比的影響，當桅桿移近帆面時，猶如減小有效拱度一樣的效果，最大升力和最大阻力都隨著桅桿向帆面不斷靠近而減小。第三十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日（四）海面梯度風(fēng)假定在海平面上的同一個高度風(fēng)速是常數(shù)，由于摩擦力阻止了氣流的運動，因此風(fēng)速在海平面上隨高度的降低而下降。第三十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日（四）海面梯度風(fēng)圖2-3-12風(fēng)速影響系數(shù)第三十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日（四）海面梯度風(fēng)在任何高度處相對風(fēng)速W值是通過不斷變化的真實風(fēng)速度V和帆艇的行進速度v組成的速度三角形得到的。從圖中可見帆艇的帆愈高在風(fēng)帆上的風(fēng)壓愈大上面的風(fēng)速比下面大到1.5～2倍。由于沿著高度的風(fēng)速是變化的也引起了推力和偏航力的變化。帆艇的傾斜也影響帆的推力和偏航力，首先減少了在海平面風(fēng)帆高度。也就引起在風(fēng)帆上的壓力減少，傾斜也減小風(fēng)帆攻角α。也同樣降低了風(fēng)壓力。同時看到，由于帆艇傾斜使風(fēng)帆空氣動力性質(zhì)變壞并降低了帆艇行駛速度。在通常情況下傾斜角很少大于8～10°，因此可以忽略傾斜對風(fēng)帆工作的不利影響。第三十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日三、最佳帆角圖及速度極圖（一）最佳帆角圖（二）帆船速度極圖及其應(yīng)用1.兩種風(fēng)速情況下的速度極圖2.迎風(fēng)行駛3.順風(fēng)行駛4.橫風(fēng)行駛5.速度極圖的繪制方法6.“12米帆板”速度極圖7.帆板速度極圖第三十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日三、最佳帆角圖及速度極圖（一）最佳帆角圖第四十頁，共四