论文题目: 帆板流体动力性能与最佳航线的研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 流体力学
作者: 柏开祥
导师: 王德恂,韩久瑞
关键词: 流体动力性能,风洞实验,水槽实验,涡环栅格法,最佳航线
文献来源: 武汉理工大学
发表年度: 2005
论文摘要: 近年来，各国对于水上运动项目流体力学研究十分重视。随着水上运动竞争的加剧，各国教练员、运动员与科研人员紧密配合试图通过改进流体动力的性能促使运动员的运动成绩有所提高与突破。为实现我国亚运、奥运双突破的梦想，在帆板训练中，我们必须加大科研的力度，以科研促训练，全面提高帆板运动训练水平和帆板运动成绩。 帆板的运动是运动员通过娴熟的操帆驾板技术使帆板处于最佳的受力状态即获得最大的空气推力从而获得最大的船速，因此在给定器材的情况下如何获得最佳的流体动力性能以创造最佳的运动成绩，这是帆板运动项目必须面对的问题，流体力学的研究是解决这一问题的基础和金钥匙，本文针对帆板运动实践急需解决的几个问题展开研究。 1．帆翼的空气动力性能的研究，主要从两个方面进行：风洞试验测试与空气动力学的数值模拟。 本文主要对帆翼的风洞试验数据进行分析与处理，分别探讨帆翼拱度对空气动力性能的影响、帆翼攻角0°～360°变化时空气动力性能的变化以及前倾后倾、正扣反扣组合对帆翼的空气动力性能的影响，为运动员调帆提供理论依据。对大量的试验数据进行了回归，分别得到了升力、诱导阻力关于攻角的三次多项式以及各个航向角下的推力、横向力关于攻角的关系式，计算了不同航向角下的最大推力系数值。 在帆翼的空气动力学数值计算中，本文分别运用了商业软件FLUENT与自己编写的涡环栅格法的计算程序对平板、圆弧帆、三角帆以及梯型帆在各种不同攻角下时升力与诱导阻力进行了计算，两种计算方法共计算了179种算例。以上计算分别将海平面作为固壁边条，分别利用平板、圆弧帆作为有限控制体积的取舍、湍流模式的选择以及壁函数的调整进行效验的计算，在此基础上又进行梯型帆(实际比赛用帆)均匀来风、梯度风作用下压力、升力与阻力的计算。 2．板体水动力性能的研究，主要从两个方面进行：板体的水动力学试验与板体各种阻力成分的经验公式计算。 我们在船池中对比赛的“米”式平底板进行了纵倾0°、2.5°、4.4°；横倾0°、11°、15.5°九种组合状态下阻力、横向力、实际纵倾角、板体实际升沉的测试，并将测试结果与“LASER”圆底板进行了综合分析，寻找出不同船速下阻力与横向力随纵倾与横倾变化的规律，并对阻力、横向力随船速变化关系进行了三次多项式回归。在试验测试总阻力的基础上，本文运用ITTC—57摩擦阻力计算公式对于各种状态下板体粘性阻力进行了计算，分析了在不同船速下各种阻力成分的比例。
论文目录:
中文摘要
Abstract
第一章 前言
1.1 本文研究的目的意义
1.2 帆板研究现状及存在的主要问题
1.2.1 训练与比赛测试器材的研究
1.2.2 帆板运动的流体动力性能的研究
1.2.2.1 帆翼空气动力性能的研究
1.2.2.2 板体水动力性能的研究
1.2.2.3 帆板VPP的研究和最佳航线的研究
1.3 本文拟研究的主要目标、内容、解决的关键问题及创新点
1.3.1 本文研究的主要目标
1.3.2 本文研究的主要内容
1.3.3 本文的关键技术
1.3.4 本文的创新点
第二章 帆板运动简介
2.1 帆板运动的格局
2.2 帆板的结构
2.2.1 帆板的分类
2.2.2 我国开展的主要板型介绍
2.2.2.1 当前有影响的三种板型介绍
2.2.2.2 全运会帆板项目的设置
2.2.2.3 我国参加亚运会、奥运会级别项目
2.2.3 帆板器材
2.3 帆板的竞赛规则简介
2.4 帆板运动的力学分析
2.4.1 作用于帆板上的力与力矩的分析
2.4.2 帆板运动的基本条件
2.4.3 帆翼推进力产生的空气动力学原理
2.4.4 帆板运动的推进力学
第三章 帆的空气动力性能的试验研究
3.1 帆翼的空气动力学概述
3.2 帆翼的空气动力学试验内容
3.3 试验结果的分析与说明
3.3.1 拱度对于风帆空气动力学影响的试验结果
3.3.2 风向角0—360度间空气动力特性试验
3.3.3 前后倾、正反扣七种组合的对比试验
3.4 本章小结以及今后须进一步改进的方面
第四章 帆翼空气动力学的数值计算
4.1 FLUENT对于帆翼空气动力性能的数值计算
4.1.1 N—S方程数值模拟粘性流场的基本理论
4.1.1.1 N—S本构方程的建立
4.1.1.2 雷诺平均方程
4.1.1.3 湍流模型及其应用
4.1.1.4 数值离散求解方程组
4.1.2 FLUENT的概述
4.1.2.1 FLUENT主要模拟计算功能
4.1.2.2 FLUENT主要应用的领域
4.1.2.3 FLUENT计算的主要程序模块
4.1.2.4 FLUENT计算确定的内容
4.1.3 FLUENT求解N—S方程的过程
4.1.4 FLUENT计算结果的可视化显示
4.2 涡环栅格法对于帆翼升力与诱导阻力的理论计算
4.2.1 涡环栅格模型
4.2.2 定常涡环栅格法基本方程组
4.2.3 边界条件
4.2.4 马蹄涡影响系数的计算
4.2.5 帆翼三维曲面的构建及网格生成
4.2.6 梯度风的计算
4.2.7 高斯消元求解基元马蹄涡强的过程
4.2.8 帆翼的升力、诱导阻力的计算
4.2.9 物面上压力分布的计算
4.2.10 计算模块说明
4.3 FLUENT与涡环栅格法的计算结果与讨论
4.3.1 λ=1平板矩形帆翼计算结果
4.3.2 λ=4平板矩形帆翼计算结果
4.3.3 λ=1圆弧形帆翼计算结果
4.3.4 λ=2圆弧形帆翼计算结果
4.3.5 三角形帆翼计算结果
4.3.6 均匀风与梯度风梯形帆翼计算结果
4.4 本章小结以及今后须进一步改进的方面
第五章 板体水动力性能的研究
5.1 水动力学试验
5.1.1 试验介绍
5.1.2 试验结果
5.2 试验结果曲线
5.3 试验结果分析
5.3.1 阻力分析
5.3.2 横向力的分析
5.3.3 航行时实际纵倾角随静态纵倾角、船速与横倾角的变化规律
5.3.4 船体升沉值随静态纵倾角、船速与横倾角的变化规律
5.4 经验计算公式计算验证
5.4.1 粘性阻力的计算
5.4.1.1 板体湿面积的计算
5.4.1.2 附件湿面积的计算
5.4.1.3 粘性阻力的计算结果
5.4.2 兴波阻力计算
5.4.3 随着船速的变化粘性阻力与兴波阻力的比例
5.5 本章小结以及今后须进一步改进的方面
第六章 VPP的结构与实现
6.1 VPP综述
6.2 VPP结构模式
6.2.1 帆板运动的平衡方程式
6.2.2 四种VPP计算模式概述
6.2.3 帆翼的空气动力模型和板体的水动力模型的建立
6.2.4 最大推力系数和横向力系数的计算
6.2.5 变量说明
6.3 VPP四种计算方法的建立与实现
6.3.1 最小阻力分析法计算模型的建立与实现过程
6.3.2 最大推力分析法计算模型的建立与实现过程
6.3.3 泛函数分析法计算模型的建立与实现过程
6.3.4 角度分析法预测航速
6.4 本章小结及今后须进一步开展的研究
第七章 最佳航线的分析
7.1 帆船、帆板航行时间
7.2 逆风航行的航线计算
7.2.1 等腰三角形走法的讨论
7.2.2 直角三角形走法的讨论
7.2.3 任意三角形最佳航线的计算
7.2.4 等腰三角形、直角三角形、任意三角形计算结果的对比分析
7.3 左弦风、右弦风走法的对比分析
7.4 水流对于航线影响的定性分析
7.6 横风、顺风航行时的最佳航向
7.7 本章小结及今后须进一步开展的研究工作
第八章 结论与建议
8.1 帆翼空气的试验研究
8.1.1 五种拱度的对比试验
8.1.2 帆翼0—360度空气动力性能试验
8.1.3 七种前后倾、正反扣组合试验
8.2 帆翼数值计算结果与主要结论
8.3 板体阻力研究的主要结论
8.3.1 板体阻力的分析
8.3.2 横向力的分析
8.3.3 航行时实际纵倾角随静态纵倾角、船速与横倾角的变化规律
8.3.4 船体升沉值随静态纵倾角、船速与横倾角的变化规律
8.3.5 阻力成分的计算
8.4 VPP研究的主要结论
8.5 最佳航线计算的主要结论
8.6 帆板研究须进一步改进的方面
参考文献
致谢
发布时间: 2006-11-09
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