| 单词 | 帆航空气－水动力学 |
| 释义 | 【帆航空气－水动力学】 拼译：aero-hydrodynamics of sailing 帆艇的每一部分都在不断地研究改进和完善，并能紧密地反映出当前技术发展的最高水平。其中帆航空气－水动力学研究正在起着决定性作用。 风帆是在十分高的升力系数下工作的，并有船体和海面边界存在，入射风又受海面梯度风的影响，风帆空气动力学与其它多数升力面之间有重要差别。Curry(1925)首次积累了许多关于帆的风洞试验资料，他曾得出帆最佳拱度大约为0．07的不正确结论(现代帆的最佳拱度大约为0．10～0．18之间，而在Curry出书的当时通用的风帆拱度大约只0．03)。后人们做了许多帆的风洞试验，包括普林斯顿大学(1961)和南安普敦大学(1968)一系列风洞试验报告。1936年，Davidson曾利用“Gimcrack”号帆船实际测得一组风帆气动特性系数，虽然这些数据是相当粗糙，而一直被应用至今。70年代中期，麻省理工学院Kermin等(1974)又对2条赛艇“Standfast”号和“Bay Bea”号实测得到一些全尺度的纪录数据。在风帆空气动力学理论研究方面，二维定常软帆线性理论首先由Thwaites(1961)、Nielsen(1963)和Bärakat(1968)等人解出，Vanden-Broek(1982)进一步提出了非线性软帆的精确数值解。但这些理论还不能推广应用于求解更一般的二维风帆空气动力学问题。从实用的观点，Jackson等人(1984)提出的数值流体力学方法，已可确定二维薄膜帆面形状和压力分布等等问题。对于实际三维风帆空气动力学，Milgram(1968)发展了帆翼升力线理论，可用来研究帆与船体间隙对获得最大推力影响问题以及获得最小诱导阻力的帆翼问题。升力线理论不能解决帆面设计问题，三维帆面压力分布的计算必须由升力面理论解决。自80年代以来，由于计算流体力学的发展，一系列数值方法已可用来求解这类问题，包括三维弹性帆面可以通过对弹性薄膜的微分方程和帆膜升力面理论的积分方程联立耦合求解。不定常帆翼的理论研究具有重要意义。二维帆翼在横向阵风作用下瞬时升力可用Sears(1941)导出的著名升力函数．S(x)来确定，对于平行于主流方向阵风，作用于二维翼上的瞬时升力亦已有Horlock(1968)导出。三维不定常实际帆翼的主要问题，和突风效应和船舶纵摇时的影响，利用计算流体力学的数值模拟方法现已有了计算确定的可能。帆艇的水动力学性能对提高船速具有决定性作用。1936年，Davidson指出：帆航水池试验不仅要测量阻力，并且还要测量侧向力，它在很多方面比常规船舶的船模试验更为复杂，其中船体除升沉和纵摇外，在各个自由度上被固定，试验要在不同航速、不同横倾角和不同偏航角下进行。Davidson同时还提出的完全自由帆航试验技术，亦在80年代被发展应用，自由帆航试验技术的主要优点，只需要更少的试验点，而不再需要如半自由帆航试验方法那样对速度－横倾角－偏航角矩阵的插值。然而，加拿大国家研究委员会在使用自由帆航系统10多年后的经验表明，半自由帆航技术仍是最佳选择。水池试验模型大小是另一个重要问题，在Davidson的先驱工作后近40年中，人们都使用1∶13的比尺模型。直到70年代。Kitkman和Pedrick(1974)的论文指出，对小比尺船模，试验数据离散较大，许多试验点的误差在10%～20%范围内，而大比尺船模所获得的结果，在误差方面有相当大减少。这是一篇具有重大影响的论文，它使近年来大多数美洲杯辛迪加组织转向要求采用1∶3大比尺试验模型。帆航水池试验研究作为改进帆船水动力性能的一种工具，其主要目的是设计出一种阻力小和航向稳定性好的船体线型。荷兰DELFT船舶流体力学试验室曾对22种不同的早期优秀帆船船体外形的阻力、侧向力、稳性等等进行了系统研究，所发表的DELFT船体系列资料，对帆船设计和选型有过参考价值。1983年澳大利亚I队试用船体龙骨小翼，成为体育运动历史上一件引人注目的成就，从此在12m帆艇比赛中具有龙骨小翼的船体被广泛采用。1987年2月，美国帆船队进行在船体表面粘贴开槽膜片减小船体阻力等等措施，从而在世界范围内又一次推动了帆船研究的进一步开展。自1988年夏季以来，一种高级的VPP程序和帆航模拟器，各国都在积极进行研制。VPP是帆航速度预测程序的简称。它正在成为最高层帆船设计师的一个最重要工具，也是帆船竞赛教练的一个最重要工具。VPP可通过计算程序在计算机上实时模拟帆船运动，在计算机上事先对各种比赛方案实践两条帆船之间的竞赛，在屏幕上显示出运动图像，还可输入风的统计数据等外部影响条件，通过两条帆船围绕全航程的竞走，作出对一个已知对手竞赛取胜的概率。VPP程序需要对风帆空气动力和船体水动力的平衡方程进行求解，需要建立帆船正确的空气动力模型和水动力模型，其中计算流体力学应用正在发挥越来越大的作用。关于帆船研究大多数有份量的论文，可以在美国和新西兰等国家召开的一些学术讨论会的论文集中找到，如每年两次在美国东海岸召开的乞沙比克帆船学术讨论会；每年1次在美国西海岸召开的关于航行空气／水动力学AIAA学术讨论会；近些年来在美国佛罗里达洲又开始另一系列叫坦帕海湾帆船学术讨论会；在荷兰阿姆斯特丹召开的每年2次关于帆船建造发展的荷兰人学术讨论会等等。另外，Marchaj1979年出版的《帆航空气－水动力学》，1982年出版的《帆船理论和实践》以及1986年出版的《适应海况的船》，系统地报导了英国南安普敦大学数十年帆船研究成果，并以非常清楚和简洁的方式阐述了帆船的基础。1990年，英国剑桥大学出版Joubert和Larsson所写《帆船设计原理》一书反映了更先进的研究成果。根据以上简单的综述可见，帆航空气－水动力学当前研究的热点为：(1)VPP程序和帆航模拟器的研制和完善，鉴于它们的技术细节有保密性和重要性，近期内将会有更好的发展；(2)由于风帆空气动力试验测试上困难，以及帆船水动力船池试验大比尺模型的昂贵，计算流体力学的应用将发挥越来越大作用；(3)新技术的应用和开创，如船体减阻新技术，改进风帆气动力新方法等等，都是至关重要的研究课题，预计还能不断取得新的突破；(4)对风帆的未来研究中，诸如在突风和在帆船纵摇中风帆的不定常运动的气动特性研究，在模型试验存在困难的情况下，开展理论研究和数值计算解决问题尤有必要；(5)针对帆船的风洞模型试验和水池船模型试验中尺度效应的修正及试验方法的改进，可望在今后获得逐步解决。【参考文献】：1 Milgram J H. Ann Rev Fluid Mech,1972,4:397～4302 Kirkman K L, Pedrick D R. Proc Soc Nav Archit Mar Eng AnnuMeet, 1974,1～273 MarchaT C A. Aero - Hydrodynamics of Sailing, Londen: Adlard Coles. 19794 Letcher J S, Cressy C P, Oliver C C, Fritts M J. Mar. Technol. ,1987,24(4):265～2855 Lars Larsson. Ann Rev Fluid Mech, 1990,22:349～385(武汉交通科技大学王献孚教授撰) |
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