國(guó)內(nèi)外帆船運(yùn)動(dòng)流體力學(xué)研究進(jìn)展

葛馮敏

摘要：帆船運(yùn)動(dòng)是一項(xiàng)難度較大的水上運(yùn)動(dòng)，其主要是靠流體作用于帆船的帆上產(chǎn)生力的作用才得以推動(dòng)帆船的前進(jìn)。為了帆船在體育運(yùn)動(dòng)方面有較大的進(jìn)展，很多國(guó)家對(duì)帆船的推動(dòng)力，即帆船運(yùn)動(dòng)流體力學(xué)進(jìn)行研究，也取得了一定的研究成效。本文就國(guó)內(nèi)外帆船運(yùn)動(dòng)流體力學(xué)相關(guān)研究的進(jìn)展展開(kāi)探討，以期為帆船運(yùn)動(dòng)流體力學(xué)研究發(fā)展提供借鑒。

關(guān)鍵詞：國(guó)內(nèi)外;帆船運(yùn)動(dòng);流體力學(xué)

一、國(guó)外對(duì)帆船運(yùn)動(dòng)流體力學(xué)的研究進(jìn)展

帆船運(yùn)動(dòng)起始于荷蘭，后來(lái)經(jīng)過(guò)各國(guó)運(yùn)動(dòng)文化的交流與傳播，使得其在各個(gè)國(guó)家地區(qū)都有發(fā)展。對(duì)于帆船的流體力學(xué)的研究也在各個(gè)國(guó)家由其體育協(xié)會(huì)的帆船分管部門(mén)和高校聯(lián)合進(jìn)行相關(guān)條件和材料的試驗(yàn)研究，主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行。

（一）帆船的拱度的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究

在早期對(duì)于帆船的拱度的研究是相對(duì)較少的，由curry開(kāi)始了早期的對(duì)帆船的拱度的研究，提出其最佳角度為0.03，而這一數(shù)據(jù)和現(xiàn)代化準(zhǔn)確分析得到的帆船的拱度相差較大，現(xiàn)代研究表明最佳的拱度范圍為0.1-0.18.之后有很多高校也開(kāi)展了對(duì)于帆船的拱度的研究，但由于一些復(fù)雜性的效應(yīng)因素的影響，如軟帆的尺度效應(yīng)，使得這些高校不得不終止實(shí)驗(yàn)，至今還未在這一方面得到很多實(shí)用的理論研究結(jié)果。還有一些對(duì)于風(fēng)帆的氣動(dòng)性能的研究，如 Davidson 曾開(kāi)展相關(guān)的研究，得出一些風(fēng)帆氣動(dòng)性能的系數(shù)，這些系數(shù)至今還在帆船運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域得到應(yīng)用。

（二）帆船的水動(dòng)力性能研究

對(duì)于帆船的水動(dòng)力學(xué)方面的研究，需要依靠相關(guān)的實(shí)驗(yàn)帆船模型進(jìn)行，在之前的研究主要采用1：13的比例制造帆船模型，而根據(jù)最新的研究結(jié)果表明，帆船模型的大小影響著帆船的水動(dòng)力學(xué)性能的研究誤差，一般來(lái)說(shuō)，比例越大的帆船模型更能夠真實(shí)地反映水動(dòng)力學(xué)研究性能，此項(xiàng)研究結(jié)果發(fā)表之后，對(duì)于帆船的水動(dòng)力學(xué)的研究帆船模型即變?yōu)榱?：3。此外，對(duì)于帆船的水動(dòng)力學(xué)的研究還從船速、帆船的橫傾角，偏航角等進(jìn)行測(cè)定分析，得出有關(guān)的帆船航行時(shí)的相關(guān)角度的控制力度。

（三）根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)開(kāi)展帆船的船型設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)研究

帆船的船型對(duì)于帆船的航行速度也有著較大的影響，在船型方面的研究也有很多，包括早期設(shè)計(jì)的水下線性帆船，對(duì)于降低帆船航行的阻力有著明顯的效果，之后國(guó)外很多研究學(xué)家對(duì)于船身的材料進(jìn)行研究，采用船體的表面粘貼開(kāi)槽膜片的方法降低船體材料對(duì)航行時(shí)產(chǎn)生的阻力，在帆船船型方面，目前的研究表明有小翼的龍脊骨型船身對(duì)于減少帆船的航行阻力有著較大的作用。

二、國(guó)內(nèi)對(duì)帆船運(yùn)動(dòng)流體力學(xué)的研究進(jìn)展

（一）對(duì)于帆船的帆板的流體力學(xué)的研究

對(duì)于帆板的研究主要從目前出現(xiàn)的幾種類(lèi)型的帆板進(jìn)行，包括圓底板、平底板以及NP板進(jìn)行。對(duì)這三個(gè)板型進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)，在相同的板傾狀態(tài)、船速條件下進(jìn)行多組對(duì)照實(shí)驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出，在相同條件下，圓底板相對(duì)于平底板來(lái)說(shuō)，其船身的線性更為流暢，在以相同的速度前行時(shí)會(huì)有較小的阻力。對(duì)于這兩種板形來(lái)說(shuō)，在航行時(shí)注意有一定的橫傾角，有助于減小船體與水浪的接觸面積，可以有助于降低摩擦阻力，提高航行速度。對(duì)于NP板來(lái)說(shuō)，無(wú)論是哪種角度航行，都會(huì)產(chǎn)生一定的阻力，而其中較為有效的減小阻力的方法是，在帆船開(kāi)啟之后，收穩(wěn)向板，盡可能地控制好穩(wěn)向板的縱傾角，根據(jù)板型的大小來(lái)選擇合適的縱傾角，一般來(lái)說(shuō)，縱傾角小一些相對(duì)較好。

（二）帆船空氣動(dòng)力學(xué)的相關(guān)研究

對(duì)于帆船運(yùn)動(dòng)來(lái)說(shuō)，主要靠空氣對(duì)帆船的船翼產(chǎn)生推動(dòng)力，促進(jìn)帆船的前行。而在這一方面主要對(duì)帆船的翼進(jìn)行相關(guān)的特性研究，包括阻力、推力、側(cè)向力等特性進(jìn)行研究，主要的研究圍繞船型、拱度、船體的材料等進(jìn)行。在船型方面，主要是制作帆船模型，利用帆船模型來(lái)模擬帆船運(yùn)動(dòng)，研究和測(cè)定相關(guān)的數(shù)據(jù)、信息等，這一方面的研究結(jié)果與國(guó)外的研究大致相同，得出的結(jié)論是，對(duì)于帆船與其模型的比例，一般來(lái)說(shuō)，其數(shù)值越大越有助于真實(shí)反映帆船的運(yùn)動(dòng)特性的測(cè)定，降低試驗(yàn)的誤差。在拱度方面的研究，圍繞拱度提升，帆船的升力也有一定程度的提升，但最佳的拱度是14%，在這個(gè)拱度條件下，擁有最大的推力系數(shù)，使得帆船可以在一定程度上提高運(yùn)行速度。在船身材料方面，國(guó)內(nèi)的研究主要是采用軟帆、船體材料主要是純深淪膜，這樣的帆船材料相對(duì)于其他的材料來(lái)說(shuō)，其降低水浪阻力的性能較好，經(jīng)濟(jì)性能也相對(duì)較好。

三、帆船運(yùn)動(dòng)流體力學(xué)研究的發(fā)展方向

帆船運(yùn)動(dòng)在國(guó)內(nèi)外都有著較大的發(fā)展，尤其在帆船性能的研究方面、技術(shù)人員以及運(yùn)動(dòng)員對(duì)于帆船的深入了解、船的航行傾角、帆船的船體、板體、帆船的桅桿等方面是帆船的未來(lái)主要研究方向。具體來(lái)說(shuō)，對(duì)于帆船性能的研究將圍繞CFD（計(jì)算流體力學(xué)）來(lái)進(jìn)行，這一研究方法簡(jiǎn)單易行、經(jīng)濟(jì)性能較好，在未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中也將會(huì)得到逐步的完善，從而使得帆船運(yùn)動(dòng)的流體力學(xué)性能研究得到更大的發(fā)展。在船的航行角度方面，主要是根據(jù)利用空氣流體力學(xué)方面的研究結(jié)果，提出合適的航行角度。在對(duì)于帆船運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)和深入的知識(shí)的普及方面，主要是從帆船相關(guān)器材的精準(zhǔn)調(diào)控方面進(jìn)行，讓相關(guān)的運(yùn)動(dòng)員能夠深入地了解到帆船相關(guān)器材的科學(xué)調(diào)控方法以及精準(zhǔn)地使用這些器材，對(duì)于帆船的船體、板體以及桅桿方面，未來(lái)主要將從帆船的前進(jìn)角度、帆板在不同的風(fēng)向條件下的相關(guān)性能進(jìn)行研究。

四、結(jié)語(yǔ)

國(guó)內(nèi)外在帆船運(yùn)動(dòng)方面的研究主要從水動(dòng)力學(xué)性能、空氣動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行研究，根據(jù)研究結(jié)果對(duì)帆船的船板、船身材料以及船型的大小等進(jìn)行相關(guān)性能的優(yōu)化和調(diào)控。在未來(lái)的研究發(fā)展方向也將從CFD流體力學(xué)研究帆船的運(yùn)動(dòng)、船體、船板等進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

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