基于实船实验和数值模拟的运动帆船操纵运动帆翼空气动力性能研究及应用

Fluid-structure interaction (FSI) of a sail wing with the wind is important because the sail wing is soft. The study on the FSI of sail wing will be carried out based on computational fluid dynamics (CFD) and computational structural dynamics (CSD). At the same time, the sail wing shape capture technology and full scale sail experiment method will be used to verify the results from the numerical simulation and to study the aerodynamic performance of sail wing. The method of coupling of CFD and CSD will forecast sail aerodynamics when the speed or the direction of wind changes, the sailboat gets round the marks and the sail is trimmed or pumped and so on. In order to reveal three-dimensional complex flow phenomenon and the aerodynamic interaction mechanism of sail wing when FSI is considered, pressure distribution, aerodynamics of sail wing and their rules will be analyzed systematically. Especially, the flow details around areas where are prone to flow separation will be analyzed, for example, the sail top, the sail bottom, the leech and so on. A set of appropriate scheme of trimming and pumping will be presented based on the results of numerical simulation and experiment when the sailboat sails during leg of the windward, running, leeward and round the marks or the sail is pumped. The scheme will improve the skills of the sailing athletes in the fierce competition. It also services for civil sports.

运动帆船帆翼作为软帆，外界环境变化或调整帆翼时帆翼与风的流固耦合效应不可忽略。本项目拟基于计算流体动力学和计算结构动力学开展帆翼与风的流固耦合问题的数值计算研究，同时利用无线压力传感测试系统和帆翼外形捕捉系统进行全尺度帆翼实船实验开展相关研究和数值计算结果验证。拟预报在风况改变、调帆、摇帆、换舷、绕过航标等过程中帆翼的空气动力性能，分析帆翼迎风面和背风面的压力分布、整体空气动力及其变化规律，以期揭示考虑流固相互影响的运动帆船帆翼的三维复杂绕流现象和空气动力作用机理，特别是容易发生流动分离和帆翼发生卷曲处的流动细节，如帆翼顶部、帆翼底部、桅杆与帆翼之间部分以及帆翼后帆边。基于数值模拟和全尺度帆翼实船实验结果，全面分析帆翼动力特性，提出帆船在风况改变、迎风航行、横风航行、顺风航行、绕航标和帆板摇帆等过程中帆船运动员操作帆翼的基本原则，提高帆船比赛中运动员操作帆船的技术水平，服务于我国体育事业。

奥运会帆板比赛中常见比赛线路包含迎风、横风和顺风等多个赛段。根据规则帆板比赛中允许全程摇帆，另外比赛中还存在风况（风力、风向）改变、换舷、绕过航标等过程。由于帆板帆翼是软帆，这些过程中帆翼的形状随着受风情况的不同而改变，同时变化的帆翼形状又影响帆翼周围的空气流动分布。所以，帆板帆翼空气动力性能分析时，帆翼流固耦合（Fluid-Structure Interaction，FSI）效应不可忽视，而已有的研究帆翼都被假设为刚体，没有考虑帆翼的变形以及相应的流固耦合问题。.本项目通过研究帆翼动力非线性响应，建立了运动帆船帆翼与风耦合的三维粘性绕流的定解问题，通过帆翼实验验证运动帆翼空气动力性能的数值模拟结果，数值模拟了风力改变、攻角改变（调帆、换舷、绕过航标）和帆翼有规律振动（摇帆）等情况是帆翼的空气动力性能，系统分析帆船在不同航段运动员操作帆船的基本原则。.在运动帆船帆翼与风耦合的三维粘性绕流的定解问题方面，研究帆翼动力非线性响应，建立的控制方程为连续性方程和基于有限体积离散任意拉格朗日欧拉（Arbitrary Lagrangian-Eulerian， ALE）格式的RANS方程以及帆翼结构的非线性动力响应的运动方程。.在帆翼实验方面，通过西北工业大学低湍流度风洞和改装成熟的扑翼测控系统开展帆板帆翼摇帆试验研究，模拟了实际比赛中帆翼在迎风航段时滑行以及不同频率、不同幅度正弦运动的帆翼运动，得到了摇帆时摇帆角度、升力、推力等随时间变化规律。通过数值模拟与实验结果对比，确定帆板帆翼摇帆数值模拟可靠性。.数值模拟了风力改变、攻角改变（调帆、换舷、绕过航标）和帆翼有规律振动（摇帆）等情况是帆翼的空气动力性能，分析了帆翼迎风面和背风面压力分布、帆翼整体空气动力及其变化规律。.基于实验和数值模拟结果，系统分析帆船在风况改变、迎风航行、横风航行、顺风航行、绕航标（迎风-横风航标、迎风-顺风航标、横风-顺风航标、顺风-迎风航标）和帆板摇帆等过程中帆翼空气动力性能规律，确定了运动员在不同航段中摇帆频率和幅度搭配的推进效果，促进教练员和运动员更加全面了解帆板摇帆动作特点和推进效果，提高运动员帆板帆翼操控能力，将为运动员提高技战术水平从而取得优异比赛成绩打下基础。