帆船空气动力学

帆船空气动力学第一页，共四十八页，2022年，8月28日一、风帆船的运动三个基本概念：真实风V、相对风W、航行风v帆船运动航线风帆帆与船的受力分析结论第二页，共四十八页，2022年，8月28日三个基本概念：真实风V、相对风W、航行风v真实风V——离开帆船所看到的风速，也就是在岸上所观测到的风速。真实风速V与船的中剖面之间的夹角为β。航行风v——在艇上所感觉到与航行相反的风。它的大小与帆船的航行速度相等，方向与航行的方向相反，它有时被叫做船风。相对风W——航行时的帆实际所受到的风速。它是真实风与航行风的矢量合成。它的方向与帆船上高处的旗帜吹动的方向一致，所以相对风又叫着旗帜风或感觉风。其风向与帆船中剖面之间的夹角为θ。帆产生空气动力的大小就是与相对风速有关。帆在帆船航行时所遇到的风是比较复杂的，是多种风的合成，可以将风分为三个部分。第三页，共四十八页，2022年，8月28日三个基本概念：真实风V、相对风W、航行风v相对风W——航行时的帆实际所受到的风速。它是真实风与航行风的矢量合成。它的方向与帆船上高处的旗帜吹动的方向一致，所以相对风又叫着旗帜风或感觉风。其风向与帆船中剖面之间的夹角为θ。帆产生空气动力的大小就是与相对风速有关。相对风是帆船所承受的实际风，如果相对风来自船艏，则称为前侧风；如果垂直与船体，则称为横风；如果来自于船艉，则称为尾风。当真实风正好从船艉吹来时，也就是船顺着风向，则相对风速等于真实风与航行风速之差。第四页，共四十八页，2022年，8月28日图2-3-1风帆船运动第五页，共四十八页，2022年，8月28日风帆帆与船的受力分析图2-3-2风帆的受力第六页，共四十八页，2022年，8月28日风帆帆与船的受力分析图2-3-3风帆船的受力第七页，共四十八页，2022年，8月28日结论对帆的作用力不是由真实风所决定的，而是由相对风速（旗帜风）所决定的。实际中相对风一般情况下都与船的中剖线（或者说航向）成锐角。相对风在与航向成锐角的情况下，其大小总是大于真实风的速度。而相对风来自于船艉时要小于真实风。双体帆船所受到的作用力与单体帆船类似。在一般情况下，作用在风帆船上的相对风，对于单体帆船总是锐角，而双体帆船总是前侧风。第八页，共四十八页，2022年，8月28日二、风帆空气动力基础（一）升力的产生（二）环流理论（三）风口效应第九页，共四十八页，2022年，8月28日（一）升力的产生对于帆船帆板运动员和教练员来讲，了解风帆空气动力的原理是十分重要的。因为如果不了解它，就无法正确地调整风帆。缺乏一定的技术基础，调整风帆只能是盲目的，无法适应条件的变化。第十页，共四十八页，2022年，8月28日（一）升力的产生物理模型：风帆是一张很薄的薄膜，是一种没有厚度只有拱度的机翼。实际上在气流中一块斜置的平板，也会产生升力，其升力足以使帆船在逆风中前进，也能使飞机上天。研究方法考虑粘性：边界层理论不考虑粘性：理想流体（升力理论）第十一页，共四十八页，2022年，8月28日（一）升力的产生（a）

（b）（c）图3-5启动涡的产生第十二页，共四十八页，2022年，8月28日（二）环流理论（a）（b）图3-6速度环量第十三页，共四十八页，2022年，8月28日（三）风口效应双帆的干扰情况是比较复杂的。一般来讲，前帆与主帆的前缘有一部分重叠，它由两个用处：第一，它会使主帆上表面的气流得到加速，因而增加了主帆上表面的负压，提高了主帆的升力；第二，由于气流得到了加速，使得主帆边界层中的气流得到了更大的动能，有推迟分离的可能，升力不至于急剧下降，反而会有所上升。然而前帆与主帆重叠区域的大小和角度，是能否形成有利干扰的关键，如果安排不当也会造成主帆的失速。第十四页，共四十八页，2022年，8月28日三、风帆空气动力特性（一）帆翼的空气动力（二）风帆极图及其应用（三）空气动力的影响因素（四）海面梯度风第十五页，共四十八页，2022年，8月28日（一）帆翼的空气动力1、吸引力N2、摩擦阻力F一般来讲，摩擦阻力F比力N小得多，通常可以忽略不计。两者的合力为总的空气动力P。将其分解如下：第十六页，共四十八页，2022年，8月28日（一）帆翼的空气动力1、升力L2、迎面阻力D图2-3-7帆翼的受力第十七页，共四十八页，2022年，8月28日（一）帆翼的空气动力几个基本概念：2、零冲角(无升力角)α0图2-3-8帆翼的攻角1、攻角（冲角）α3、气动攻角

αa

（流体动力攻角）4、相对拱度f第十八页，共四十八页，2022年，8月28日(一)帆翼的空气动力零冲角(无升力角)α0与相对拱度f关系：图2-3-8帆翼的攻角帆翼的零攻角主要与帆翼的相对拱度有关，相对拱度f越大，零攻角α0的绝对值也越大。很多翼型α0，在数值上约等于f大小的百分数，即：α0=-f%第十九页，共四十八页，2022年，8月28日（二）风帆极图及其利用基本概念：2、阻力系数CD1、升力系数CL3、极图:系数CL和CD与攻角关系曲线称为极图。4、升阻比K:5、偏航力CN6、推力系数CT第二十页，共四十八页，2022年，8月28日（二）风帆极图及其应用图2-3-9帆的极图第二十一页，共四十八页，2022年，8月28日推力系数CT、偏航力CN系数与升力系数CL、阻力系数CD存在如下关系：CT=CL

sinθ-CdcosθCN=CL

cosθ+CDsinθ从上式可以看出，当航向角小于90°时，升力将产生正的推力而阻力将产生负的推力，当航向角大于90°时，升力和阻力都将产生正的推力。第二十二页，共四十八页，2022年，8月28日（二）风帆极图及其应用在已知帆的安装角φ和相对风的风向角θ后(图2-3-3)，那么攻角α为：α=θ-φ图2-3-3风帆船的受力第二十三页，共四十八页，2022年，8月28日（二）风帆极图及其应用图2-3-9帆的极图将O点和C点连结起来，C点就是帆的攻角α，OC就是帆的风压力系数CP、OC线段与合力的方向是一致的，由C点作射线OA的垂线CD，线段OD等于推力系数CT，而线段CD则等于偏航力系数CN。第二十四页，共四十八页，2022年，8月28日图2-3-9帆的极图根据帆的极图曲线可以确定最佳帆装角，在射线OA上作垂线并与曲线相切，这时线段OA就是在该航向上的最大推力Ctmax，相应的攻角就是帆的最佳攻角αopt，这样就可以换算出最佳帆装角φopt，由于偏航力的存在，可以保持一定的舵角来平衡船体和维持航向，这样可以保证帆能提供最大的推力。第二十五页，共四十八页，2022年，8月28日（三）空气动力的影响因素2、风帆拱度f1、展弦比λ3、帆的平面形式4、阻力：摩擦阻力；形状阻力5、诱导阻力6、桅杆和索具的影响第二十六页，共四十八页，2022年，8月28日（三）空气动力的影响因素1、展弦比λ帆翼的展弦比λ对于风帆的空气动力性能有较大的影响。对于风帆其展弦比λ的定义为:式中：Ln——风帆前缘的长度；

S——风帆面积。第二十七页，共四十八页，2022年，8月28日（三）空气动力的影响因素1、展弦比λ影响一般来讲，展弦比增加，空气动力系数都会增加，升力系数会增加的更快些。因此为了获得较大的推力，应该选用较大展弦比的风帆。特别是前侧风时(θ＜90°)，大展弦比的风帆是比较有利的。但随着帆展弦比的增大，风压中心会增高，偏航力也会增加，就会引起帆艇倾斜角的增加，这就会影响帆艇的航行性能和艇的平衡。一般在风帆设计时，要综合考虑这两点来选择风帆，保证达到好的推力性能但又不会有大的侧斜角。几乎所有的帆艇帆的展弦比都在3.6～6.0之间。对于主帆，展弦比平均为3～4.5，对三角帆展弦比不大于3.5～6，选择展弦比超过这个值是不适宜的。第二十八页，共四十八页，2022年，8月28日（三）空气动力的影响因素2、风帆拱度f图2-3-10拱度对空气动力性能的影响第二十九页，共四十八页，2022年，8月28日（三）空气动力的影响因素2、风帆拱度f影响一般来讲，拱度f愈大，帆升力L也愈大。但帆的拱度的增加大，同样也会大大增加阻力D。所以在增加帆的拱度的时候，在增加升力同时，不仅只增大了推力，而且还增大了偏航力。可见具有大拱度的风帆，获得的不仅仅是大的推力，而且也获得了大的倾斜和偏航力。因此，帆的拱度在7%-13%之间为好。在弱风倾斜力矩不大时，为了获得大的推力，可以采用大的拱度；在强风时，为了维持艇的平衡，力求采用小的拱度。第三十页，共四十八页，2022年，8月28日（三）空气动力的影响因素3、帆的平面形式较好的帆的平面形式是椭园形或者是导园角的梯形。制造这样的帆和桅并且操作它将是很复杂的任务。第三十一页，共四十八页，2022年，8月28日（三）空气动力的影响因素4、阻力：摩擦阻力；形状阻力帆的阻力由摩擦阻力和形状阻力的组成。帆的形状阻力在很大程度上取决于空气绕过风帆的流动，在帆的后部边界层发生分离，产生漩涡，压力降低，因而抵消不了帆的前部的压力，形成帆的前后压力差，从而形成帆的形状阻力。第三十二页，共四十八页，2022年，8月28日（三）空气动力的影响因素5、诱导阻力帆的诱导阻力也是迎面阻力的一部分。它是由于在风帆端部，空气从高压区绕过端部向低压区绕流而引起的。要减小诱导阻力，一来可以增加风帆的长度，风帆愈长诱导阻力愈小，二来可以将帆的底部拉近船体，减小船体与帆的距离，这样可以有效地减少气流从高压区绕过端部进入低压区。如果在锐角航向时，减小诱导阻力就会增加帆的推力。第三十三页，共四十八页，2022年，8月28日（三）空气动力的影响因素6、桅杆和索具的影响图2-3-11桅杆对空气动力性能的影响第三十四页，共四十八页，2022年，8月28日（三）空气动力的影响因素6、桅杆和索具的影响桅杆和帆的不同部件的相互影响，称做干扰，桅、驶风杆和其它部件影响帆，使其升力减少，这种是不利干扰，对于圆柱形桅杆，空气的绕流就不顺利了，在背风面方向出现分离，产生旋涡，这些旋涡大大恶化了风帆的工作，也就减小了它的升力。为了减小旋涡的形成，可以做成流线型的桅，竞赛帆艇经常具有可转动截面流线型的桅。另外桅杆位置对风帆空气力的影响，完全类同于拱度比的影响，当桅杆移近帆面时，犹如减小有效拱度一样的效果，最大升力和最大阻力都随着桅杆向帆面不断靠近而减小。第三十五页，共四十八页，2022年，8月28日（四）海面梯度风假定在海平面上的同一个高度风速是常数，由于摩擦力阻止了气流的运动，因此风速在海平面上随高度的降低而下降。第三十六页，共四十八页，2022年，8月28日（四）海面梯度风图2-3-12风速影响系数第三十七页，共四十八页，2022年，8月28日（四）海面梯度风在任何高度处相对风速W值是通过不断变化的真实风速度V和帆艇的行进速度v组成的速度三角形得到的。从图中可见帆艇的帆愈高在风帆上的风压愈大上面的风速比下面大到1.5～2倍。由于沿着高度的风速是变化的也引起了推力和偏航力的变化。帆艇的倾斜也影响帆的推力和偏航力，首先减少了在海平面风帆高度。也就引起在风帆上的压力减少，倾斜也减小风帆攻角α。也同样降低了风压力。同时看到，由于帆艇倾斜使风帆空气动力性质变坏并降低了帆艇行驶速度。在通常情况下倾斜角很少大于8～10°，因此可以忽略倾斜对风帆工作的不利影响。第三十八页，共四十八页，2022年，8月28日三、最佳帆角图及速度极图（一）最佳帆角图（二）帆船速度极图及其应用1.两种风速情况下的速度极图2.迎风行驶3.顺风行驶4.横风行驶5.速度极图的绘制方法6.“12米帆板”速度极图7.帆板速度极图第三十九页，共四十八页，2022年，8月28日三、最佳帆角图及速度极图（一）最佳帆角图第四十页，共四