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Neil Pryde RS:X级别帆板帆翼空气动力性能的数值模拟

作　者: 罗晓川
导　师: 易名农
学　校: 武汉体育学院
专　业: 运动人体科学
关键词: NP帆翼建模数值模拟升力系数阻力系数
分类号: G861.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

为提高帆船帆板运动员对帆翼周围空气流场流动情况的认识，提高我国帆板整体竞赛水平，本文利用Pro/ENGINEER Wildfire5.0中造型和曲面功能对奥运会Neil PrydeRS:X(NP)级别帆翼测绘数据进行逆向建模，最后利用软件FLUENT13.0进行了帆翼的数值模拟和分析。为了选取较合适的湍流模式，本文对5°攻角NACA0012帆翼周围空气流动的数值模拟，讨论了不同湍流模型对计算结果的影响，对比实验发现，Realizable k模型数据误差较小，故采用这种湍流模式对NP帆翼的18种工况进行数值模拟。并对10°、50°、90°三种典型工况下帆翼绕流情况进行了较详细的分析。主要成果如下：三种工况的共同点：帆的迎风面压力较大，背风面则为负压区；迎风面为速度较小，背风面速度较大。三种工况桅杆附近压力较为复杂，对于帆形有一定的影响，迎风面桅杆后部一般会出现压力增加的区域，在桅杆的附近出现不同程度的漩涡。三种工况的主要差异：压力方面：迎风面上，10°的上部压力较大，而50°则在迎风面整个桅杆后部有一个压力较大的区域，90°桅杆区域后部高压区域很小。背风面上，10°在帆的后缘压力较高，50°在帆的中后缘压力较高，而90°的较高压力则出现在帆的中部区域。桅杆后出现一个很小的高压区，但影响不是很大，尤其是在大攻角情况下，10°桅杆相对于50°和90°桅杆影响较大。速度大小方面：整个绕流场中，10°帆外围流场速度大小基本上和来流接近，流动没有大的分离；50°背风面后方有较大低速区，并且有流动分离现象；90°的三个平面流场复杂，下游区域有个低速区，产生分离漩涡，较中间部位平面的漩涡更加复杂一些，涡流影响区域较大。速度矢量和流线：10°帆迎风面的主体上部位比较顺畅，流线顺着帆的表面流向后缘，在帆的下缘部位，由迎风面和背风面的来流互相缠绕着流向后方，来流绕过上下缘流向后方；背风面主体上部位流场与迎风面相似，主体帆的下部拱度比较大的地方并未出现明显的漩涡。50°迎风面在帆的主体部位比较顺畅，流线顺着帆的表面流线后缘，在帆的上下缘部位，有迎风面绕过上下缘流线后方。来流经过90°桅杆后，绕过桅杆后流线流向背风面方向，流线比较顺畅。但背风面后部的流动更加复杂，出现一对的较大的漩涡。在0-180°范围内，NP帆板的升阻力系数显示：NP帆的动力系数与三角帆具有一致性。相对于三角帆，NP帆的最大升力系数较大。NP帆阻力系数较三角帆偏大。NP帆的最佳攻角范围在20-30°范围内。本研究为帮助运动员认识帆翼空气动力特性，服务于我国体育事业，对我国运动员筹备奥运会提供技术支持。

全文目录

摘要  6-8
ABSTRACT  8-12
1. 绪论  12-18
  1.1 概述  12-13
  1.2 国外研究进展  13-15
  1.3 国内研究进展  15-17
  1.4 本论文的主要工作  17-18
2. 数值计算方法  18-28
  2.1 数学物理模型  18-21
    2.1.1 帆翼的几何参数  19-20
    2.1.2 帆翼的气动特性  20-21
  2.2 基本方程  21-23
  2.3 湍流模式  23-26
  2.4 离散方式  26-27
  2.5 误差分析  27
  2.6 小结  27-28
3. NACA0012 二维模型验证  28-32
  3.1 实验模型  28
  3.2 翼型验证  28-31
    3.2.1 湍流模式的讨论  28-30
    3.2.2 离散格式的讨论  30-31
  3.3 小结  31-32
4. NP 帆模型计算  32-64
  4.1 几何建模  32-42
    4.1.1 几何点的导入  32
    4.1.2 几何曲线的建立  32-33
    4.1.3 建立边界混合曲面  33-35
    4.1.4 曲面合并  35
    4.1.5 曲面加厚  35
    4.1.6 创建扫描圆柱桅杆  35
    4.1.7 几何体修补  35-38
    4.1.8 导出  38
    4.1.9 计算域的建立  38-39
    4.1.10 基于 ICEM 的网格划分（非结构网格制作）  39-42
  4.2 计算模型讨论  42-44
    4.2.1 网格数的影响  42-43
    4.2.2 湍流模式的影响  43-44
  4.3 NP 帆翼流场模拟结果分析  44-62
    4.3.1 压力分布  44-48
    4.3.2 流线分布  48-50
    4.3.3 速度大小分布  50-54
    4.3.4 速度矢量分布  54-60
    4.3.5 升力系数  60-61
    4.3.6 阻力系数  61-62
  4.4 小结  62-64
结论与展望  64-66
  结论  64-65
  展望  65-66
参考文献  66-72
致谢  72-74
附录 1  74-76
附录 2  76-78
攻读硕士学位期间发表或录用的论文  78-79

Neil Pryde RS:X级别帆板帆翼空气动力性能的数值模拟

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