基于数值模拟的多帆运动帆船帆翼空气动力性能研究及应用

应用现代CFD技术开发一种粘性流RANSE 求解器，对梯度风中多帆运动帆船相互影响的帆翼的三维粘性流动的进行数值模拟，计算在迎风、横风和顺风等各阶段计及桅杆影响的作用在多帆翼上的空气压力分布和空气动力。通过计算、分析和比较，选择合适的离散方法和湍流模式，解决桅杆与主帆、多帆翼之间干扰的计算网格生成等关键技术问题；通过求解RANSE对绕多帆翼的空气流动进行数值模拟，从而实现利用数值方法对梯度风中多帆运动帆船相互影响的帆翼空气动力性能进行理论预报，进而研究提出可用于指导我国健儿参加帆船比赛的调帆方案。通过本项目的研究，可望开发得到我国具有自主知识产权的计算梯度风中多帆运动帆船相互影响的帆翼空气动力的数值方法及相应的软件系统，为我国帆船健儿在世界大赛上取得佳绩提供技术支持，为我国体育部门利用现代先进技术辅助运动员训练、比赛提供一种高效、便利的工具，使我国在帆船空气动力性能研究方面进入国际先列。

本项目利用数值模拟与试验方法对帆翼空气动力性能进行研究，综合运用计算流体动力学、运动生物力学、运动训练学等交叉学科优势，对帆翼空气动力特性进行了全面分析，为运动员根据不同外界条件调帆提供科学依据。.本项目首先讨论了五种湍流模型（S-A模型、standard 模型、RNG 模型、Realizable 模型、SST 模型）对于帆翼空气动力性能计算结果的影响，根据与试验结果比较分析，确定了帆翼数值模拟采用Realizable 模型。本项目利用风洞试验进行了帆翼空气动力性能研究，通过改变帆翼的攻角，得到在不同航向角帆翼的空气动力性能数据及曲线，其结果与实际基本吻合。研究结果为下一步数值模拟帆船帆翼空气动力性能打下了基础。.本项目利用数值模拟方法对不同扣角和倾角下的升力系数、阻力系数、力矩系数以及帆翼底部流场进行了分析。研究发现，帆翼扣角以后帆翼升力系数、阻力系数都变小了，垂直水平面上力系数增加很多，这个力增加可以减小船体阻力、有利于帆船行驶。.为了比较帆船比赛中不同帆型时帆翼推进能力，利用数值模拟方法对同一面帆翼两种典型的帆型的帆翼空气动力进行了比较。研究发现：拱度较大的帆翼其升力系数较大，对于提高帆船速度有利，但是其压力中心增加，其倾斜力矩也增加了。所以，综合考虑帆船整体行驶性能情况下，一般大风时使用拱度较小的帆翼，小风时使用拱度较大的帆翼。研究结果为运动员比赛操作帆船过程中根据不同风况进行有利航行的帆翼调整提供了科学依据，为双帆或多帆帆船前帆调整提供指导。.根据计算与试验结果，比较了两种不同帆型在不同航向角下推力系数、侧向力系数，得到了不同帆型在不同航向角下帆翼的最佳攻角范围。讨论了两种不同帆翼推力系数和侧向力系数在不同航向角下随攻角变化情况。分析了不同航向角下最大推力系数以及对应的侧向力系数，得到了帆翼在所有航向角下最大的推力系数以及对应的操帆角。最后，根据数值模拟和试验方法得到的帆翼空气动力性能特点，详细系统介绍了在起航航段、迎风航段、横风和侧顺风航段、尾风航段、终点线前航段和各标旁附近帆翼调整方法。.本论文研究成果在备战2012年伦敦奥运会期间应用到中国国家帆船队训练、比赛实践中，为我国帆船夺得一枚宝贵的金牌、实现我国帆船项目奥运会金牌零的突破做出了贡献。