帆船空氣動力學

1、第三講 帆船空氣動力學一、風帆船的運動二、風帆空氣動力基礎三、風帆空氣動力特性四、最佳帆角圖及速度極圖一、風帆船的運動三個基本概念：真實風三個基本概念：真實風V 、相對風、相對風W 、航行風航行風v帆船運動航線帆船運動航線風帆帆與船的受力分析風帆帆與船的受力分析結論結論三個基本概念：真實風三個基本概念：真實風V 、相對風、相對風W 、航行風、航行風v真實風真實風V離開帆船所看到的風速，也就是在岸上所觀測到的風速。真實風速V與船的中剖面之間的夾角為。航行風航行風v在艇上所感覺到與航行相反的風。它的大小與帆船的航行速度相等，方向與航行的方向相反，它有時被叫做船風。相對風相對風W航行時的帆實際所受到

2、的風速。它是真實風與航行風的矢量合成。它的方向與帆船上高處的旗幟吹動的方向一致，所以相對風又叫著旗幟風或感覺風。其風向與帆船中剖面之間的夾角為。帆產(chǎn)生空氣動力的大小就是與相對風速有關。帆在帆船航行時所遇到的風是比較復雜的，是多種風的合成，可以將風分為三個部分。三個基本概念：真實風三個基本概念：真實風V 、相對風、相對風W 、航行風、航行風v相對風相對風W航行時的帆實際所受到的風速。它是真實風與航行風的矢量合成。它的方向與帆船上高處的旗幟吹動的方向一致，所以相對風又叫著旗幟風或感覺風。其風向與帆船中剖面之間的夾角為。帆產(chǎn)生空氣動力的大小就是與相對風速有關。相對風是帆船所承受的實際風，如果相對風來

3、自船艏，則稱為前側風；如果垂直與船體，則稱為橫風；如果來自于船艉，則稱為尾風。當真實風正好從船艉吹來時，也就是船順著風向，則相對風速等于真實風與航行風速之差。CABTNPTNPABBCVVV圖2-3-1 風帆船運動風帆帆與船的受力分析風帆帆與船的受力分析圖圖2-3-2 風帆的受力風帆的受力PT1N1BAae風帆帆與船的受力分析風帆帆與船的受力分析圖圖2-3-3 風帆船的受力風帆船的受力PTRRxNRyvVW結論結論對帆的作用力不是由真實風所決定的，而是由相對風速（旗幟風）所決定的。實際中相對風一般情況下都與船的中剖線（或者說航向）成銳角。相對風在與航向成銳角的情況下，其大小總是大于真實風的速度

4、。而相對風來自于船艉時要小于真實風。雙體帆船所受到的作用力與單體帆船類似。在一般情況下，作用在風帆船上的相對風，對于單體帆船總是銳角，而雙體帆船總是前側風。二、風帆空氣動力基礎（一）升力的產(chǎn)生（二）環(huán)流理論（三）風口效應（一）升力的產(chǎn)生對于帆船帆板運動員和教練員來講，了解風帆空氣動力的原理是十分重要的。因為如果不了解它，就無法正確地調(diào)整風帆。缺乏一定的技術基礎，調(diào)整風帆只能是盲目的，無法適應條件的變化。（一）升力的產(chǎn)生物理模型：風帆是一張很薄的薄膜，是一種沒有厚度只有拱度的機翼。實際上在氣流中一塊斜置的平板，也會產(chǎn)生升力，其升力足以使帆船在逆風中前進，也能使飛機上天。研究方法考慮粘性：邊界層理

5、論不考慮粘性：理想流體（升力理論）（一）升力的產(chǎn)生（a）v （b）起 動 渦后駐點流線前駐點流線庫塔條件（c）圖3-5 啟動渦的產(chǎn)生（二）環(huán)流理論=0v 0-啟 動啟 動（a）（b）圖3-6 速度環(huán)量（三）風口效應雙帆的干擾情況是比較復雜的。一般來講，前帆與主帆的前緣有一部分重疊，它由兩個用處：第一，它會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能，有推遲分離的可能，升力不至于急劇下降，反而會有所上升。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鍵，如果安排不當也會造成主帆的失速。三、風

6、帆空氣動力特性（一）帆翼的空氣動力（二）風帆極圖及其應用（三）空氣動力的影響因素（四）海面梯度風（一）帆翼的空氣動力 1、吸引力N 2、摩擦阻力FDLPNFWBA一般來講，摩擦阻力F比力N小得多，通?？梢院雎圆挥嫛烧叩暮狭榭偟目諝鈩恿。將其分解如下：（一）帆翼的空氣動力 1、升力L 2、迎面阻力D DLPNFWBA圖圖2-3-7 帆翼的受力帆翼的受力（一）帆翼的空氣動力幾個基本概念： 2、零沖角(無升力角)0圖圖2-3-8 帆翼的攻角帆翼的攻角 1、攻角（沖角） 3、氣動攻角 a （流體動力攻角） 4、相對拱度f WBA0a(一)帆翼的空氣動力零沖角(無升力角)0與相對拱度f 關系：圖圖

7、2-3-8 帆翼的攻角帆翼的攻角WBA0a帆翼的零攻角主要與帆翼的相對拱度有關，相對拱度f越大，零攻角0的絕對值也越大。很多翼型0，在數(shù)值上約等于f大小的百分數(shù)，即：0=-f%（二）風帆極圖及其利用基本概念： 2、阻力系數(shù)CD 1、升力系數(shù)CL 3、極圖:系數(shù)CL和CD與攻角關系曲線稱為極圖。 4、升阻比K:DLCCK 5、偏航力CN 6、推力系數(shù)CT（二）風帆極圖及其應用00.20.40.60.811.21.40.20.40.60.811.21.4810111320304050607590LDPWWBACTCNCPCCTmaxODECLCD圖圖2-3-9 帆的極圖帆的極圖推力系數(shù)CT、偏航力

8、CN系數(shù)與升力系數(shù)CL、阻力系數(shù)CD存在如下關系：CT= CL sin-CdcosCN= CL cos+CDsin從上式可以看出，當航向角小于90時，升力將產(chǎn)生正的推力而阻力將產(chǎn)生負的推力，當航向角大于90時，升力和阻力都將產(chǎn)生正的推力。（二）風帆極圖及其應用在已知帆的安裝角和相對風的風向角后(圖2-3-3)，那么攻角為：=-PTRRxNRyvVW圖圖2-3-3 風帆船的受力風帆船的受力（二）風帆極圖及其應用00.20.40.60.811.21.40.20.40.60.811.21.4810111320304050607590LDPWWBACTCNCPCCTmaxODECLCD圖圖2-3-9

9、帆的極圖帆的極圖將O點和C點連結起來，C點就是帆的攻角，OC就是帆的風壓力系數(shù)CP、OC線段與合力的方向是一致的，由C點作射線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。00.20.40.60.811.21.40.20.40.60.811.21.4810111320304050607590LDPWWBACTCNCPCCTmaxODECLCD圖圖2-3-9 帆的極圖帆的極圖根據(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，這時線段OA就是在該航向上的最大推力Ctmax，相應的攻角就是帆的最佳攻角opt，這樣就可以換算出最佳帆裝角opt，由于偏航力的

10、存在，可以保持一定的舵角來平衡船體和維持航向，這樣可以保證帆能提供最大的推力。（三）空氣動力的影響因素 2、風帆拱度f 1、展弦比 3、帆的平面形式 4、阻力：摩擦阻力；形狀阻力 5、誘導阻力 6、桅桿和索具的影響（三）空氣動力的影響因素 1、展弦比帆翼的展弦比對于風帆的空氣動力性能有較大的影響。對于風帆其展弦比的定義為:SLn2式中：Ln風帆前緣的長度； S風帆面積。（三）空氣動力的影響因素 1、展弦比影響一般來講，展弦比增加，空氣動力系數(shù)都會增加，升力系數(shù)會增加的更快些。因此為了獲得較大的推力，應該選用較大展弦比的風帆。特別是前側風時(90)，大展弦比的風帆是比較有利的。但隨著帆展弦比的增

11、大，風壓中心會增高，偏航力也會增加，就會引起帆艇傾斜角的增加，這就會影響帆艇的航行性能和艇的平衡。一般在風帆設計時，要綜合考慮這兩點來選擇風帆，保證達到好的推力性能但又不會有大的側斜角。幾乎所有的帆艇帆的展弦比都在3.66.0之間。對于主帆，展弦比平均為34.5，對三角帆展弦比不大于3.56，選擇展弦比超過這個值是不適宜的。（三）空氣動力的影響因素 2、風帆拱度f00 .20 .40 .60 .811 .21 .40 .20 .40 .60 .811 .21 .49 0 8 1 0 1 1 1 3 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 5 CNCPC8 1 0 1 1 1 5 2 0 3

12、 0 4 0 5 0 6 0 7 5 Bff= 5 %f= 1 4 %圖圖2-3-10 拱度對空氣動力性能的影響拱度對空氣動力性能的影響（三）空氣動力的影響因素 2、風帆拱度f影響一般來講，拱度f愈大，帆升力L也愈大。但帆的拱度的增加大，同樣也會大大增加阻力D。所以在增加帆的拱度的時候，在增加升力同時，不僅只增大了推力，而且還增大了偏航力?？梢娋哂写蠊岸鹊娘L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。在弱風傾斜力矩不大時，為了獲得大的推力，可以采用大的拱度；在強風時，為了維持艇的平衡，力求采用小的拱度。（三）空氣動力的影響因素 3、帆的平面形

13、式較好的帆的平面形式是橢園形或者是導園角的梯形。制造這樣的帆和桅并且操作它將是很復雜的任務。（三）空氣動力的影響因素 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風帆的流動，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。（三）空氣動力的影響因素 5、誘導阻力帆的誘導阻力也是迎面阻力的一部分。它是由于在風帆端部，空氣從高壓區(qū)繞過端部向低壓區(qū)繞流而引起的。要減小誘導阻力，一來可以增加風帆的長度，風帆愈長誘導阻力愈小，二來可以將帆的底部拉近船體，減小船體與帆的距離，這樣可以

14、有效地減少氣流從高壓區(qū)繞過端部進入低壓區(qū)。如果在銳角航向時，減小誘導阻力就會增加帆的推力。（三）空氣動力的影響因素 6、桅桿和索具的影響00 .20 .40 .60 .20 .40 .60 .811 .21 .48 1 0 1 1 1 3 2 0 CLCD8 1 0 1 1 1 5 2 0 3 0 三 角 帆帶 桅 桿 主 帆圖圖2-3-11 桅桿對空氣動力性能的影響桅桿對空氣動力性能的影響（三）空氣動力的影響因素 6、桅桿和索具的影響桅桿和帆的不同部件的相互影響，稱做干擾，桅、駛風桿和其它部件影響帆，使其升力減少，這種是不利干擾，對于圓柱形桅桿，空氣的繞流就不順利了，在背風面方向出現(xiàn)分離，產(chǎn)

15、生旋渦，這些旋渦大大惡化了風帆的工作，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，競賽帆艇經(jīng)常具有可轉動截面流線型的桅。另外桅桿位置對風帆空氣力的影響，完全類同于拱度比的影響，當桅桿移近帆面時，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。（四）海面梯度風假定在海平面上的同一個高度風速是常數(shù)，由于摩擦力阻止了氣流的運動，因此風速在海平面上隨高度的降低而下降。（四）海面梯度風00.511.5202468101214KhvvvvWTVTWVWVWV圖圖2-3-12 風速影響系數(shù)風速影響系數(shù)（四）海面梯度風在任何高度處相對風速W值是通過不斷變化的真實風

16、速度V和帆艇的行進速度v組成的速度三角形得到的。從圖中可見帆艇的帆愈高在風帆上的風壓愈大上面的風速比下面大到1.52倍。由于沿著高度的風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帆高度。也就引起在風帆上的壓力減少，傾斜也減小風帆攻角。也同樣降低了風壓力。同時看到，由于帆艇傾斜使風帆空氣動力性質(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810，因此可以忽略傾斜對風帆工作的不利影響。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用1. 1.兩種風速情況下的速度極圖兩種風速情況下的速度極圖2. 2.迎風行駛迎風行駛3. 3.順風行駛順風行駛4. 4.橫風行駛橫風行駛5. 5.速度極圖的繪制方法速度極圖的繪制方法6. 6.“1212米帆板米帆板”速度極圖速度極圖7. 7.帆板速度極圖帆板速度極圖三、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用1. 1.兩種風速情況下的速度極圖兩種風速情況下的速度極圖（二）帆船速度極圖及其應用2. 2.迎風行駛迎風行駛（二）帆船速度極圖及其應用3. 3.順風行駛順風行駛（二）帆船速度極圖及其應用4. 4.橫風行駛橫風行駛（二）帆船速度極圖及其應用5. 5.速度極圖的繪制方法速度極圖的繪制方法速度極圖是描述一條帆船（帆板）的特性，包括帆的特性曲線和船體的特性曲線。