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Neil Pryde RS:X帆板是奥林匹克运动会、世界锦标赛等重要赛事的帆船帆板比赛项目之一,是我国帆船帆板运动优势项目。我国体育科研工作者长期进行帆船帆板项目的科研攻关,科研助力奥运促使我国帆船帆板项目整体竞技水平提高,我国帆船帆板运动员在不同比赛环境下,对帆船帆板的船(板)体和帆翼的操控达到了较高的水平。但是,帆板运动员在小风条件下摇帆能力的不足,往往使得比赛功亏一篑。为了增强帆板运动员对摇帆时帆翼空气动力特性的了解,进而提高摇帆技术水平,本研究以女子RS:X帆板帆翼为研究对象,采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamic,CFD)方法,通过求解雷诺时均方程(Reynolds Averaged Navier-Stokes Equations,RANSE)和建立帆板帆翼摇帆推进性能评价方法,对迎风航段帆翼围绕弦线方向摇动和顺风航段帆翼围绕桅杆方向摇动时帆翼气动特性展开了系统研究,分析了摇帆频率与幅度的搭配选择对帆翼气动特性和推进性能的影响,基于帆板比赛中的避让规则、运动员身体素质结合系列数值模拟结果,从个人与团体比赛角度,综合能量消耗与摇帆推进性能,分析了迎风航段和顺风航段中摇帆频率和幅度组合的方案。首先,从帆板项目实际出发,建立了帆翼几何数值模型;通过奥运会、世锦赛等重要赛事帆板比赛视频分析和实际训练调研,分析了帆翼攻角和风速范围,确定了摇帆方式为迎风航段帆翼围绕弦线方向摇动和顺风航段帆翼围绕桅杆方向摇动。通过自定义函数(User Defined Function,UDF)加载控制摇帆频率和幅度的运动方程实现摇帆运动,确定了升力系数和阻力系数作为帆翼气动性能评价指标,沿帆板运动航向角方向的推力系数作为帆翼推进性能评价指标,并综合能耗系数评价帆翼空气动力性能。其次,为了验证本研究采用数值模拟方法的可靠性,讨论计算域网格无关性,确定湍流模型适用性,开展了帆板帆翼模型空气动力特性风洞实验,实验工况为:风速为5m/s、6m/s 和 7m/s,攻角为 0°、-10°、-15°和-20°,摇帆频率为 0.60Hz、1.00Hz 和 1.50Hz,摇帆幅度为23.8°和27.1°。对帆翼计算域网格无关性分析发现,与实验值相比在计算准确性上边界层网格y+=10不及y+=1,但y+=10的计算误差在可接受范围内,边界层网格y+=10可大大节约摇帆数值模拟的计算资源。通过数值模拟与实验结果对比,确定Realizable k-ε和SSTk-ω湍流模型计算精度均适用于帆板帆翼摇帆数值模拟的研究。然后,针对迎风航段摇帆研究,通过数值模拟不同攻角(5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°)和不同风速(2m/s、3m/s、5m/s、7m/s、9m/s、11m/s)时帆翼空气动力性能,确定了迎风航段摇帆时帆翼攻角为20°和速度为3m/s。数值模拟了当攻角为20°、速度为3m/s时帆翼在不同幅度(2°、4°、6°、8°、10°)、不同频率(0.67Hz、1.00Hz、1.30Hz、1.67Hz、2.00Hz)工况下空气动力性能。相比滑行状态,不同频率和幅度的摇帆,可以一定程度上提高帆翼的升力特性,且提升效果与频率和幅度有关。低频率时选择大幅度进行摇帆,帆翼升力系数均值较高;高频率与适当的幅度配合摇帆时帆翼升力特性较优。在帆翼推进性能方面,低频配合大幅度摇帆时帆翼的推进性能较好;频率为1.30Hz、1.67Hz、2.00Hz和幅度为8°搭配时,帆翼推力系数均值最佳,表明高频率摇帆需选择适宜的幅度,才能获取较好的推进效果,且相同幅度时摇帆频率越小的摇帆能耗越低。同时,对顺风航段帆翼在攻角90°、风速2m/s时不同幅度(3°、6°、9°、12°、15°)、不同频率(0.50Hz、0.67Hz、0.83Hz、1.00Hz、1.17Hz)时空气动力性能进行了数值模拟。顺风航段并非所有的摇帆对帆板有促进效果,当频率为0.50Hz和幅度小于12°、频率为0.67Hz和幅度小于7°、频率为0.83Hz和幅度小于4°的摇帆时帆翼推力系数低于滑行状态。因此,顺风航行摇帆尽量避免小幅和低频;当选择大幅度摇帆时,需要配合适当的频率,摇帆幅度为9°和频率为1.17Hz时帆翼推进效果最佳。最后,基于帆板比赛中的避让规则、运动员身体素质和系列数值模拟结果,从帆板比赛战术角度,结合摇帆推进性能和能耗,分析了迎风和顺风航段中摇帆频率幅度组合方案。提出摇帆策略:迎风航段当运动员准备加速超越时,摇帆频率和幅度调整为2.00Hz和8°,其他迎风航段保持频率1.30Hz和幅度8°搭配,节约体能同时兼顾摇帆推进效果;顺风冲刺时,摇帆频率和幅度组合为1.17Hz和9°。本研究基于数值模拟得到了迎风航段和顺风航段不同频率和幅度下帆翼摇帆空气动力特性,确定了运动员在不同航段中摇帆频率和幅度搭配的推进效果,可以促进教练员和运动员更加全面了解帆板摇帆动作特点和推进效果,提高运动员帆板帆翼操控能力,将为运动员提高技战术水平从而取得优异比赛成绩打下基础。