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Neil Pryde RS:X级别帆板帆翼空气动力性能的数值模拟

罗晓川  
【摘要】:为提高帆船帆板运动员对帆翼周围空气流场流动情况的认识,提高我国帆板整体竞赛水平,本文利用Pro/ENGINEER Wildfire5.0中造型和曲面功能对奥运会Neil PrydeRS:X(NP)级别帆翼测绘数据进行逆向建模,最后利用软件FLUENT13.0进行了帆翼的数值模拟和分析。 为了选取较合适的湍流模式,本文对5°攻角NACA0012帆翼周围空气流动的数值模拟,讨论了不同湍流模型对计算结果的影响,对比实验发现,Realizable k模型数据误差较小,故采用这种湍流模式对NP帆翼的18种工况进行数值模拟。并对10°、50°、90°三种典型工况下帆翼绕流情况进行了较详细的分析。主要成果如下: 三种工况的共同点:帆的迎风面压力较大,背风面则为负压区;迎风面为速度较小,背风面速度较大。三种工况桅杆附近压力较为复杂,对于帆形有一定的影响,迎风面桅杆后部一般会出现压力增加的区域,在桅杆的附近出现不同程度的漩涡。 三种工况的主要差异: 压力方面:迎风面上,10°的上部压力较大,而50°则在迎风面整个桅杆后部有一个压力较大的区域,90°桅杆区域后部高压区域很小。背风面上,10°在帆的后缘压力较高,50°在帆的中后缘压力较高,而90°的较高压力则出现在帆的中部区域。桅杆后出现一个很小的高压区,但影响不是很大,尤其是在大攻角情况下,10°桅杆相对于50°和90°桅杆影响较大。 速度大小方面:整个绕流场中,10°帆外围流场速度大小基本上和来流接近,流动没有大的分离;50°背风面后方有较大低速区,并且有流动分离现象;90°的三个平面流场复杂,下游区域有个低速区,产生分离漩涡,较中间部位平面的漩涡更加复杂一些,涡流影响区域较大。 速度矢量和流线:10°帆迎风面的主体上部位比较顺畅,流线顺着帆的表面流向后缘,在帆的下缘部位,由迎风面和背风面的来流互相缠绕着流向后方,来流绕过上下缘流向后方;背风面主体上部位流场与迎风面相似,主体帆的下部拱度比较大的地方并未出现明显的漩涡。50°迎风面在帆的主体部位比较顺畅,流线顺着帆的表面流线后缘,在帆的上下缘部位,有迎风面绕过上下缘流线后方。来流经过90°桅杆后,绕过桅杆后流线流向背风面方向,流线比较顺畅。但背风面后部的流动更加复杂,出现一对的较大的漩涡。 在0-180°范围内,NP帆板的升阻力系数显示:NP帆的动力系数与三角帆具有一致性。相对于三角帆,NP帆的最大升力系数较大。NP帆阻力系数较三角帆偏大。NP帆的最佳攻角范围在20-30°范围内。 本研究为帮助运动员认识帆翼空气动力特性,服务于我国体育事业,对我国运动员筹备奥运会提供技术支持。


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