帆船空氣動(dòng)力學(xué)

帆船空氣動(dòng)力學(xué)第一頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日一、風(fēng)帆船的運(yùn)動(dòng)三個(gè)基本概念：真實(shí)風(fēng)V、相對(duì)風(fēng)W、航行風(fēng)v帆船運(yùn)動(dòng)航線風(fēng)帆帆與船的受力分析結(jié)論第二頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日三個(gè)基本概念：真實(shí)風(fēng)V、相對(duì)風(fēng)W、航行風(fēng)v真實(shí)風(fēng)V——離開(kāi)帆船所看到的風(fēng)速，也就是在岸上所觀測(cè)到的風(fēng)速。真實(shí)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(jué)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(shí)被叫做船風(fēng)。相對(duì)風(fēng)W——航行時(shí)的帆實(shí)際所受到的風(fēng)速。它是真實(shí)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(dòng)的方向一致，所以相對(duì)風(fēng)又叫著旗幟風(fēng)或感覺(jué)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(dòng)力的大小就是與相對(duì)風(fēng)速有關(guān)。帆在帆船航行時(shí)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(gè)部分。第三頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日三個(gè)基本概念：真實(shí)風(fēng)V、相對(duì)風(fēng)W、航行風(fēng)v相對(duì)風(fēng)W——航行時(shí)的帆實(shí)際所受到的風(fēng)速。它是真實(shí)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(dòng)的方向一致，所以相對(duì)風(fēng)又叫著旗幟風(fēng)或感覺(jué)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(dòng)力的大小就是與相對(duì)風(fēng)速有關(guān)。相對(duì)風(fēng)是帆船所承受的實(shí)際風(fēng)，如果相對(duì)風(fēng)來(lái)自船艏，則稱(chēng)為前側(cè)風(fēng)；如果垂直與船體，則稱(chēng)為橫風(fēng)；如果來(lái)自于船艉，則稱(chēng)為尾風(fēng)。當(dāng)真實(shí)風(fēng)正好從船艉吹來(lái)時(shí)，也就是船順著風(fēng)向，則相對(duì)風(fēng)速等于真實(shí)風(fēng)與航行風(fēng)速之差。第四頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D2-3-1風(fēng)帆船運(yùn)動(dòng)第五頁(yè)，共四十八頁(yè)，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(yè)，共四十八頁(yè)，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(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日結(jié)論對(duì)帆的作用力不是由真實(shí)風(fēng)所決定的，而是由相對(duì)風(fēng)速（旗幟風(fēng)）所決定的。實(shí)際中相對(duì)風(fēng)一般情況下都與船的中剖線（或者說(shuō)航向）成銳角。相對(duì)風(fēng)在與航向成銳角的情況下，其大小總是大于真實(shí)風(fēng)的速度。而相對(duì)風(fēng)來(lái)自于船艉時(shí)要小于真實(shí)風(fēng)。雙體帆船所受到的作用力與單體帆船類(lèi)似。在一般情況下，作用在風(fēng)帆船上的相對(duì)風(fēng)，對(duì)于單體帆船總是銳角，而雙體帆船總是前側(cè)風(fēng)。第八頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日二、風(fēng)帆空氣動(dòng)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(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日（一）升力的產(chǎn)生對(duì)于帆船帆板運(yùn)動(dòng)員和教練員來(lái)講，了解風(fēng)帆空氣動(dòng)力的原理是十分重要的。因?yàn)槿绻涣私馑?，就無(wú)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(wú)法適應(yīng)條件的變化。第十頁(yè)，共四十八頁(yè)，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(méi)有厚度只有拱度的機(jī)翼。實(shí)際上在氣流中一塊斜置的平板，也會(huì)產(chǎn)生升力，其升力足以使帆船在逆風(fēng)中前進(jìn)，也能使飛機(jī)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(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日（一）升力的產(chǎn)生（a）

（b）（c）圖3-5啟動(dòng)渦的產(chǎn)生第十二頁(yè)，共四十八頁(yè)，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(yè)，共四十八頁(yè)，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(lái)講，前帆與主帆的前緣有一部分重疊，它由兩個(gè)用處：第一，它會(huì)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(fù)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(dòng)能，有推遲分離的可能，升力不至于急劇下降，反而會(huì)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(dāng)也會(huì)造成主帆的失速。第十四頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日三、風(fēng)帆空氣動(dòng)力特性（一）帆翼的空氣動(dòng)力（二）風(fēng)帆極圖及其應(yīng)用（三）空氣動(dòng)力的影響因素（四）海面梯度風(fēng)第十五頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日（一）帆翼的空氣動(dòng)力1、吸引力N2、摩擦阻力F一般來(lái)講，摩擦阻力F比力N小得多，通?？梢院雎圆挥?jì)。兩者的合力為總的空氣動(dòng)力P。將其分解如下：第十六頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日（一）帆翼的空氣動(dòng)力1、升力L2、迎面阻力D圖2-3-7帆翼的受力第十七頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日（一）帆翼的空氣動(dòng)力幾個(gè)基本概念：2、零沖角(無(wú)升力角)α0圖2-3-8帆翼的攻角1、攻角（沖角）α3、氣動(dòng)攻角

αa

（流體動(dòng)力攻角）4、相對(duì)拱度f(wàn)第十八頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日(一)帆翼的空氣動(dòng)力零沖角(無(wú)升力角)α0與相對(duì)拱度f(wàn)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(duì)拱度有關(guān)，相對(duì)拱度f(wàn)越大，零攻角α0的絕對(duì)值也越大。很多翼型α0，在數(shù)值上約等于f大小的百分?jǐn)?shù)，即：α0=-f%第十九頁(yè)，共四十八頁(yè)，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(chēng)為極圖。4、升阻比K:5、偏航力CN6、推力系數(shù)CT第二十頁(yè)，共四十八頁(yè)，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(yè)，共四十八頁(yè)，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(dāng)航向角小于90°時(shí)，升力將產(chǎn)生正的推力而阻力將產(chǎn)生負(fù)的推力，當(dāng)航向角大于90°時(shí)，升力和阻力都將產(chǎn)生正的推力。第二十二頁(yè)，共四十八頁(yè)，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(duì)風(fēng)的風(fēng)向角θ后(圖2-3-3)，那么攻角α為：α=θ-φ?qǐng)D2-3-3風(fēng)帆船的受力第二十三頁(yè)，共四十八頁(yè)，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(diǎn)和C點(diǎn)連結(jié)起來(lái)，C點(diǎn)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(diǎn)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(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D2-3-9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(shí)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(lái)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(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日（三）空氣動(dòng)力的影響因素2、風(fēng)帆拱度f(wàn)1、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(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日（三）空氣動(dòng)力的影響因素1、展弦比λ帆翼的展弦比λ對(duì)于風(fēng)帆的空氣動(dòng)力性能有較大的影響。對(duì)于風(fēng)帆其展弦比λ的定義為:式中：Ln——風(fēng)帆前緣的長(zhǎng)度；

S——風(fēng)帆面積。第二十七頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日（三）空氣動(dòng)力的影響因素1、展弦比λ影響一般來(lái)講，展弦比增加，空氣動(dòng)力系數(shù)都會(huì)增加，升力系數(shù)會(huì)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(shí)(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(huì)增高，偏航力也會(huì)增加，就會(huì)引起帆艇傾斜角的增加，這就會(huì)影響帆艇的航行性能和艇的平衡。一般在風(fēng)帆設(shè)計(jì)時(shí)，要綜合考慮這兩點(diǎn)來(lái)選擇風(fēng)帆，保證達(dá)到好的推力性能但又不會(huì)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(duì)于主帆，展弦比平均為3～4.5，對(duì)三角帆展弦比不大于3.5～6，選擇展弦比超過(guò)這個(gè)值是不適宜的。第二十八頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日（三）空氣動(dòng)力的影響因素2、風(fēng)帆拱度f(wàn)圖2-3-10拱度對(duì)空氣動(dòng)力性能的影響第二十九頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日（三）空氣動(dòng)力的影響因素2、風(fēng)帆拱度f(wàn)影響一般來(lái)講，拱度f(wàn)愈大，帆升力L也愈大。但帆的拱度的增加大，同樣也會(huì)大大增加阻力D。所以在增加帆的拱度的時(shí)候，在增加升力同時(shí)，不僅只增大了推力，而且還增大了偏航力?？梢?jiàn)具有大拱度的風(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(shí)，為了獲得大的推力，可以采用大的拱度；在強(qiáng)風(fēng)時(shí)，為了維持艇的平衡，力求采用小的拱度。第三十頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日（三）空氣動(dòng)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(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日（三）空氣動(dòng)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(guò)風(fēng)帆的流動(dòng)，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(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日（三）空氣動(dòng)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(guò)端部向低壓區(qū)繞流而引起的。要減小誘導(dǎo)阻力，一來(lái)可以增加風(fēng)帆的長(zhǎng)度，風(fēng)帆愈長(zhǎng)誘導(dǎo)阻力愈小，二來(lái)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(guò)端部進(jìn)入低壓區(qū)。如果在銳角航向時(shí)，減小誘導(dǎo)阻力就會(huì)增加帆的推力。第三十三頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日（三）空氣動(dòng)力的影響因素6、桅桿和索具的影響圖2-3-11桅桿對(duì)空氣動(dòng)力性能的影響第三十四頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日（三）空氣動(dòng)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(chēng)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(duì)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(jìng)賽帆艇經(jīng)常具有可轉(zhuǎn)動(dòng)截面流線型的桅。另外桅桿位置對(duì)風(fēng)帆空氣力的影響，完全類(lèi)同于拱度比的影響，當(dāng)桅桿移近帆面時(shí)，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(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日（四）海面梯度風(fēng)假定在海平面上的同一個(gè)高度風(fēng)速是常數(shù)，由于摩擦力阻止了氣流的運(yùn)動(dòng)，因此風(fēng)速在海平面上隨高度的降低而下降。第三十六頁(yè)，共四十八頁(yè)，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(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日（四）海面梯度風(fēng)在任何高度處相對(duì)風(fēng)速W值是通過(guò)不斷變化的真實(shí)風(fēng)速度V和帆艇的行進(jìn)速度v組成的速度三角形得到的。從圖中可見(jiàn)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(shí)看到，由于帆艇傾斜使風(fēng)帆空氣動(dòng)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?xún)A斜對(duì)風(fēng)帆工作的不利影響。第三十八頁(yè)，共四十八頁(yè)，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(yè)，共四十八頁(yè)，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(yè)，共四