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1、第三讲 帆船空气动力学,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,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
2、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,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。,图2-3-1 风帆船运动,风帆帆与船的受力分析,风帆帆与船的受力分析,结论,对
3、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。,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,（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
4、）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,（二）环流理论,（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
5、，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,（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、升力L,2、迎面阻力D,（一）帆翼的空气动力,几个基本概念：,2、零冲角(无升力角)0,1、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,零冲角(无升力角)0与相对拱度f 关系：,帆翼的零攻角主要与帆翼的相对拱度有关，
6、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%,（二）风帆极图及其利用,基本概念：,2、阻力系数CD,1、升力系数CL,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CN,6、推力系数CT,（二）风帆极图及其应用,图2-3-9 帆的极图,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 sin-CdcosCN=CL cos+CDsin,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。,（二）风帆极图及其应
7、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：,=-,（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。,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
8、的推力。,（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,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：Ln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
9、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3.66.0之间。对于主帆，展弦比平均为34.5，对三角帆展弦比不大于3.56，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,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
10、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,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,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,5、诱
11、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,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,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
12、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。,（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,图2-3-12 风速影响系数,（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
13、的帆愈高在风帆上的风压愈大上面的风速比下面大到1.52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。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810，因此可以忽略倾斜对风帆工作的不利影响。,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,三、最佳帆角图及速
14、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,（二）帆船速度极图及其应用2.迎风行驶,（二）帆船速度极图及其应用3.顺风行驶,（二）帆船速度极图及其应用4.横风行驶,（二）帆船速度极图及其应用5.速度极图的绘制方法,速度极图是描述一条帆船（帆板）的特性，包括帆的特性曲线和船体的特性曲线。如果帆船能在水中稳定的航行，那么必须有帆提供的动力去克服掉船的阻力（包括迎面阻力和侧向力等），如果这种关系能维持下去，帆船就能稳定的航行。但由于风速条件的变化，帆动力也有了变化，帆船的原平衡态被破坏，为了保持帆船在水中稳定航行，需要重新调整帆船达到新的平衡，此时帆船的运动参数也随之发生变化，这种平衡关系，或者说达到最佳的运动状态，把这时的真实风向角、船速绘制在一张图中，这张曲线图就是速度极图。,（二）帆船速度极图及其应用6.“12米帆板”速度极图,（二）帆船速度极图及其应用7.帆板速度极图,谢谢,
