基于CFD的龍舟訓練器關(guān)鍵技術(shù)研究

劉榮輝，劉承波，侯棟梁，張自通，陳 晨

( 1.吉林農(nóng)業(yè)科技學院 機械與土木工程學院，吉林 吉林 132101；2.北華大學 機械工程學院，吉林 吉林 132021)

龍舟賽作為中國傳統(tǒng)的民俗賽事，現(xiàn)在已經(jīng)逐漸流傳到世界各地，美國、俄羅斯、加拿大和韓國等國家相繼開展.2010年，龍舟賽被列為亞運會和東亞運動會的正式比賽項目.由于龍舟運動的訓練受天氣、環(huán)境、經(jīng)費等因素影響較大，為了不影響龍舟隊員的訓練，陸地龍舟訓練器越來越多的被推廣使用[1].針對一款龍舟訓練器，采用計算流體力學方法，對其關(guān)鍵部件進行了仿真分析，為其結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了參考依據(jù).

1 龍舟訓練器組成與工作原理

龍舟訓練器由機身單元、風阻單元、凸輪變力單元、伸縮式船槳等組成[2].其中風阻單元與凸輪變力單元共同組成了可變式風阻單元，是龍舟訓練器的關(guān)鍵部件，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 龍舟訓練器結(jié)構(gòu)組成

機身單元由支撐架、座椅、腳踏板、滑輪支架等部分組成.主要起到了支撐和連接器材各部分零件的作用.

風阻單元主要由外風罩、葉柵機構(gòu)、內(nèi)轉(zhuǎn)風箱組成.葉柵機構(gòu)由多個弧形離心葉片以及葉片盤組成，通過凸輪連桿機構(gòu)的帶動實現(xiàn)風阻葉片面積的變化，達到了更佳的模擬效果.

凸輪變力單元主要由擬合凸輪、錐齒輪、輔助齒輪等組成.由錐齒輪實現(xiàn)兩個垂直方向上的運動，采用直齒輪保證傳動比.擬合凸輪的設計實現(xiàn)了風阻葉片面積的變化規(guī)律，并且采用了空心軸的設計保證葉片輪旋轉(zhuǎn)的同時還能上下出入風罩，這樣完全實現(xiàn)了風阻可變性.

龍舟訓練器工作原理為：船槳末端的輕繩纏繞在滑輪上，拉槳時，滑輪轉(zhuǎn)動，依次帶動圓柱齒輪、錐齒輪、凸輪轉(zhuǎn)動，從而帶動葉柵機構(gòu)旋轉(zhuǎn)，葉柵與空氣接觸，產(chǎn)生風阻.在凸輪運動的時候，通過推桿的連接可帶動葉片上下移動，從而實現(xiàn)葉片面積的變化.這樣便可實現(xiàn)風阻的可變性.

2 劃槳過程分析

龍舟訓練器主要是依據(jù)葉片所受風阻變化來模擬船槳在水中所受阻力變化[3].所以需要先對劃槳過程進行分析，這樣才能更好地接近真實水阻.劃槳時可視槳葉速度為零，水流沖擊槳葉，且速度方向與槳葉的速度方向相反，于是可用定?？偭鞯膭恿慷捎嬎銟~受力，槳葉入水面積在垂直于槳葉速度方向上的投影即為壓力作用面積.通過檢索大量的文獻資料可知船槳在完成一次劃船(從入水到出水)的過程中，其與水的接觸面積s(t)是隨時間變化的.入水開始，其與水接觸面積是先增大到一個峰值而后減小直至出水，完成一次劃船過程.其中水與槳葉相對速度波動不大，故先對劃槳過程中槳葉與水的接觸面積進行分析，再結(jié)合速度進行計算，根據(jù)劉路輝在《優(yōu)秀男子龍舟運動員劃槳技術(shù)的運動學分析》一文中得出的劃槳過程中的高速攝像數(shù)據(jù)[4]，得到深度變化情況如圖2所示.

圖2 船槳入水深度變化曲線

于是，連接槳葉上端軌跡，大致測量與槳葉速度方向垂直方向上槳葉入水部分上端與槳葉下端的距離數(shù)據(jù)，如圖3所示，即可得出拉槳過程中有效作用面積約占槳葉總面積的69.3%.

圖3 槳葉入水有效長度分析

計算阻力需先計算槳葉平均受力面積，即:

S平均=0.693×S槳=493 cm2，

(1)

根據(jù)F=ρQ(α2V2-α1V1)，其中Fx表示流體的阻力，ρ為流體密度，Q為總流流量，α為修正系數(shù)，V2表示槳葉速度，V1表示水速.可知，

在真實水阻情況下，考慮水流速度，據(jù)定?？偭鞯膭恿慷捎衃5-6]

F水(t)=ρ水Q水(α2V2-α1V1)，

(2)

取修正系數(shù)1，不同槳頻(20～36次/min)下拉槳時間為0.88～1.22 s，回槳時間為0.73～1.86 s，拉槳過程中槳葉平均位移121.6 cm，回槳過程中槳葉平均位移121.6 cm，可得各槳頻下平均槳速如表1所示.

按表1速度可計算出拉槳過程中各槳速對應的總流流量Q=V·A，代入式(1)可得各情況槳葉受力，如表2所示.

在模擬風阻情況下，由于風箱的存在，外部風速可忽略不計，風阻單元所受阻力

F風(t)=ρ風Q風α風V風，

(3)

可用風阻來模擬水阻情況，即

F風(t)=F水(t)，

(4)

欲模擬真實情況則面積變化函數(shù)S(t)與真實情況應保持相同，即

Q風S(t)=KQ水S(t)，

(5)

A風(t)=PA水(t).

(6)

表1 不同槳頻下各過程平均槳速

表2 各水速不同槳頻下槳葉平均受力情況

3 風阻單元的CFD仿真

風阻單元是龍舟訓練器的核心，文中鑒于幾何特征(葉片截面相同，受力與面積成正比)特點，對其進行模型簡化以方便仿真計算[8].

3.1 邊界條件及相關(guān)參數(shù)設置

劃槳過程仿真采用二維模型，將左側(cè)下邊界設置為速度入口Velocity-inlet，右側(cè)邊界設置為自由出流Outflow，交界面設置為Interface，其余邊界設置為WALL[9-10].完成邊界類型的設定后，需要設置區(qū)域類型，將流場區(qū)域設為Fluid，區(qū)域類型設置為FLUID，具體設置如表3所示.

表3 劃槳過程仿真模型邊界條件設定

3.2 風阻單元CFD仿真結(jié)果與計算結(jié)果比對

根據(jù)計算結(jié)果，從Fluent中Display顯示出風阻單元葉片柵分布的壓力和速度分布圖如圖4和圖5所示.

(a)壓力云圖

(b)壓力等值線圖圖4 壓力分布圖

(a)速度云圖

(b)速度等值線圖圖5 速度分布圖

從壓力分布圖4中可以看出，葉片處及葉片周圍壓力波動較大；從速度分布圖5中可以看出，風阻單元葉片所在的區(qū)域速度較大，向區(qū)域外速度逐漸減小，中心處速度為0.葉片所在的內(nèi)部流場區(qū)域速度變化較大[11-12].從圖6、7監(jiān)測點報告數(shù)據(jù)來看，28 str/min槳頻下單葉片主要表面平均壓強約為130.6 Pa，帶入葉片柵滿載時幾何數(shù)據(jù)，計算知葉片柵轉(zhuǎn)軸處扭矩為1.567 N·M，與28 str/min槳頻下的要求扭矩1.512 N·M基本相同，再取不同槳頻下轉(zhuǎn)速重復仿真過程，此處不再贅述操作過程，得出結(jié)果如表4所示.

圖6 監(jiān)測點曲線數(shù)據(jù)

表4 風阻單元仿真結(jié)果與理論計算結(jié)果對比

圖7 監(jiān)測點總壓報告數(shù)據(jù)

通過對比仿真結(jié)果與理論結(jié)果，風阻模擬效果與實際拉槳過程能實現(xiàn)很好的擬合，至此完成風阻單元的仿真驗證，達到了設計要求.

4 結(jié) 論

1.對龍舟槳入水劃槳過程進行了分析，對槳葉在不同槳頻、不同水流速度工況下的受力進行了理論計算，借助CFD仿真技術(shù)進行了驗證，得出了理論計算與仿真結(jié)論基本一致，為龍舟訓練器的結(jié)構(gòu)設計提供了參考依據(jù).

2.對龍舟訓練器的風阻單元進行了仿真分析，得出了不同槳頻下的壓力場、速度場、轉(zhuǎn)矩等相關(guān)數(shù)據(jù)，并與真實劃槳數(shù)據(jù)進行了對比，驗證了風阻模擬效果與實際劃槳效果相匹配.