帆船空气动力学课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三讲 帆船空气动力学,第三讲 帆船空气动力学,1,一、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,一、风帆船的运动三个基本概念：真实风V、相对风W、航行风,2,三个基本概念：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,。,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,。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。,三个基本概念：真实风V、相对风W、航行风v真实风V离,3,三个基本概念：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,。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。,三个基本概念：真实风V、相对风W、航行风v相对风W航,4,图,2-3-1,风帆船运动,图2-3-1 风帆船运动,5,风帆帆与船的受力分析,图,2-3-2 风帆的受力,风帆帆与船的受力分析,6,风帆帆与船的受力分析,图2-3-3 风帆船的受力,风帆帆与船的受力分析,7,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。,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,8,二、风帆空气动力基础,（一）升力的产生,（二）环流理论,（三）风口效应,二、风帆空气动力基础（一）升力的产生,9,（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。,（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,10,（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）,（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,11,（一）升力的产生,（,a）,（,b）,（,c）,图,3-5 启动涡的产生,（一）升力的产生 （c）图3-5 启动涡的产生,12,（二）环流理论,（,a）,（,b）,图,3-6,速度环量,（二）环流理论图3-6 速度环量,13,（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。,（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,14,三、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,三、风帆空气动力特性（一）帆翼的空气动力,15,（一）帆翼的空气动力,1,、吸引力,N,2,、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：,（一）帆翼的空气动力 1、吸引力N,16,（一）帆翼的空气动力,1,、升力,L,2,、迎面阻力,D,图,2-3-7 帆翼的受力,（一）帆翼的空气动力 1、升力L,17,（一）帆翼的空气动力,几个基本概念：,2,、零冲角,(,无升力角,),0,图,2-3-8 帆翼的攻角,1,、攻角（冲角）,3,、气动攻角,a,（流体动力攻角）,4,、相对拱度,f,（一）帆翼的空气动力几个基本概念：2、零冲角,18,(,一,),帆翼的空气动力,零冲角,(,无升力角,),0,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,0,的绝对值也越大。很多翼型,0,，在数值上约等于,f,大小的百分数，即：,0,=-,f,%,(一)帆翼的空气动力零冲角(无升力角)0与相对拱度f 关系,19,（二）风帆极图及其利用,基本概念：,2,、阻力系数,C,D,1,、升力系数,C,L,3,、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,C,N,6,、推力系数,C,T,（二）风帆极图及其利用基本概念：2、阻力系数,20,（二）风帆极图及其应用,图,2-3-9,帆的极图,（二）风帆极图及其应用图2-3-9 帆的极图,21,推力系数,C,T,、偏航力,C,N,系数与升力系数,C,L,、阻力系数,C,D,存在如下关系：,C,T,=,C,L,sin,-,C,d,cos,C,N,=,C,L,cos,+,C,D,sin,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。,推力系数CT、偏航力CN系数与升力系数CL、阻力系数CD存在,22,（二）风帆极图及其应用,在已知帆的安装角,和相对风的风向角,后,(,图,2-3-3),，那么攻角,为：,=,-,图,2-3-3,风帆船的受力,（二）风帆极图及其应用在已知帆的安装角和相对风的风向角后,23,（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,，,OC,就是帆的风压力系数,C,P,、,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,C,T,，而线段,CD,则等于偏航力系数,C,N,。,（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,24,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,C,tmax,，相应的攻角就是帆的最佳攻角,opt,，这样就可以换算出最佳帆装角,opt,，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。,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,25,（三）空气动力的影响因素,2,、风帆拱度,f,1,、展弦比,3,、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,（三）空气动力的影响因素 2、风帆拱度f,26,（三）空气动力的影响因素,1,、展弦比,帆翼的展弦比,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,的定义为,:,式中：,L,n,风帆前缘的长度；,S,风帆面积。,（三）空气动力的影响因素 1、展弦比帆翼的展,27,（三）空气动力的影响因素,1,、展弦比,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,(,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。,（三）空气动力的影响因素 1、展弦比影响一般,28,（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,（三）空气动力的影响因素 2、风帆拱度f图2-,29,（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。,（三）空气动力的影响因素 2、风帆拱度f影响一,30,（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。,（三）空气动力的影响因素 3、帆的平面形式较好的,31,（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。,（三）空气动力的影响因素 4、阻力：摩擦阻力；形状,32,（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,。,（三）空气动力的影响因素 5、诱导阻力帆的诱导阻力,33,（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,（三）空气动力的影响因素 6、桅杆和索具的影响图,34,（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。,（三）空气动力的影响因素 6、桅杆和索具的影响桅,35,（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。,（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,36,（四）海面梯度风,图,2-3-12,风速影响系数,（四）海面梯度风图2-3-12 风速影响系数,37,（