帆板流體動力性能與最佳航線的研究

　　《帆板流體動力性能與最佳航線的研究》緊緊圍繞國家帆板隊備戰奧運會亟待解決的問題，將流體力學的知識與帆板運動實踐有機結合起來，以作者博士論文的基礎、2008年奧運科技攻關課題為依託，系統地開展了帆翼的空氣動力學、板體的水動力學、航速預測（VPP）與最佳航線的設計等幾個方面的研究，構建了一套帆板流體力學的研究方法，這在國內實屬開創性研究工作。帆船帆板運動是集娛樂性、觀賞性、探險性、競技性於一體的體育項目，它是借助風帆推動帆船帆板在規定距離內竟速的一項水上運動，目前已經成為世界沿海國家和地區最為普及的體育活動之一，越來越受到人們的喜愛。

第一章 緒論
1.1 帆板運動與流體力學的研究價值
1.2 帆板運動研究現狀及存在的主要問題
1.2.1 訓練與比賽測試器材的研究
1.2.2 帆板運動的流體動力性能的研究

第二章 帆板運動簡介
2.1 帆板運動的格局
2.2 帆板的結構
2.2.1 帆板的分類
2.2.2 我國開展的主要板型介紹
2.2.3 帆板器材各部件的功用
2.3 帆板的競賽規則簡介
2.4 帆板運動的力學分析
2.4.1 作用於帆板上的力與力矩的分析
2.4.2 帆板運動的基本條件
2.4.3 帆翼推進力產生的空氣動力學原理
2.4.4 帆板運動的推進力學

第三章 帆翼空氣動力性能的試驗研究
3.1 帆翼的空氣動力學概述
3.2 帆翼的空氣動力學試驗內容
3.3 試驗結果的分析與說明
3.3.1 拱度對於風帆空氣動力學影響的試驗結果
3.3.2 風向角■＝0～360度間空氣動力特性試驗
3.3.3 前傾、後傾、正扣、反扣等七種組合的對比試驗
3.4 今後仍需進一步改進的方面
附錄3A 一般多項式回歸

第四章 帆翼空氣動力學的數值計算
4.1 FLUENT對於帆翼空氣動力性能的數值計算
4.1.1 N-S方程數值模擬粘性流場的基本理論
4.1.2 FLUENT的概述
4.1.3 FLUENT求解N-S方程的過程
4.2 渦環柵格法對於帆翼升力與誘導阻力的理論計算
4.2.1 渦環柵格模型
4.2.2 定常渦環柵格法基本方程組
4.2.3 邊界條件
4.2.4 馬蹄渦影響係數的計算
4.2.5 帆翼三維曲面的構建及網格生成
4.2.6 梯度風的計算
4.2.7 高斯消元求解基元馬蹄渦強的過程
4.2.8 帆翼的升力、誘導阻力的計算
4.2.9 物面上壓力分佈的計算
4.2.10 計算模塊說明
4.3 FLUENT與渦環柵格法的計算結果與討論
4.3.1 λ＝1平板矩形帆翼計算結果
4.3.2 λ＝4平板矩形帆翼計算結果
4.3.3 λ＝1圓孤形帆翼計算結果
4.3.4 λ＝2圓弧形帆翼計算結果
4.3.5 三角形帆翼計算結果
4.3.6 均勻風與梯度風梯形帆翼計算結果
4.4 本章小結及今後仍需進一步改進的方面
附錄4A FLUENT計算結果

第五章 板體水動力性能的研究
5.1 水動力學試驗
5.1.1 試驗介紹
5.1.2 試驗結果
5.2 試驗結果分析
5.2.1 阻力分析
5.2.2 橫向力的分析
5.2.3 實際航行縱傾角隨靜態縱傾角、船速與橫傾角變化規律
5.2.4 船體升沉值隨靜態縱傾角、船速與橫傾角的變化規律
5.3 經驗計算公式計算驗證
5.3.1 粘性阻力計算經驗公式
5.3.2 板體與附體濕面積的計算
5.3.3 粘性阻力的計算
5.3.4 興波阻力計算
5.3.5 隨著船速的變化粘性阻力與興波阻力的比例
5.3.6 計算結果的分析
5.4 本章小結及今後需進一步改進的方面
附錄5A 梯形法求曲線面積
附錄5B 辛浦遜法求曲線面積

第六章 VPP的結構與實現
6.1 VPP結構模式
6.1.1 帆板運動的平衡方程式
6.1.2 四種VPP計算模式概述
6.1.3 帆翼空氣動力模型和板體的水動力模型的建立
6.1.4 最大推力係數和橫向力係數的計算與回歸
6.2 VPP四種計算方法的建立與實現
6.2.1 最小阻力分析法計算模型的建立與實現過程
6.2.2 最大推力分析法計算模型的建立與實現過程
6.2.3 泛函數分析法計算模型的建立與實現過程
6.2.4 角度分析法預測航速
6.2.5 四種VPP模型計算結果的對比分析
6.3 本章小結以及需進一步開展的工作
附錄6A VPP綜述
附錄6B 非線性方程組求解方法
附錄6C 牛頓迭代法
附錄6D 二分法的基本原理
附錄6E 不同k值下泛函數分析法船速的計算

第七章 最佳航線的分析
7.1 帆船、帆板航行時間
7.2 逆風航行的航線計算
7.2.1 等腰三角形走法的討論
7.2.2 直角三角形走法的討論_
7.2.3 任意三角形最佳航線的計算
7.2.4 等腰、直角與任意三角形計算結果的對比分析
7.3 左弦風、右弦風走法的對比分析
7.4 水流對於航線影響的定性分析說明
7.5 本章小結以及今後仍需進一步開展的研究工作

第八章 帆板實際航行中運動學參數的測定
8.1 帆板測定的主要運動學參數
8.2 運動學測試手段
8.2.1 測角儀
8.2.2 速度儀
8.2.3 光電運動檢測分析系統
8.2.4 影像解析系統
8.3 運動學測試手段在帆板運動中的應用
8.3.1 運用三維影像解析系統的可行性與難度分析
8.3.2 運動學測試參數在流體動力性能分析中的應用
8.4 本章小結

第九章 誤差分析
9.1 誤差理論
9.1.1 誤差的概念
9.1.2 常見誤差分析處理的方法
9.1.3 風洞實驗與水池實驗的誤差來源
9.2 計算結果誤差分析
9.2.1 升力、阻力關於攻角的回歸結果分析
9.2.2 最大推力係數的誤差分析
9.2.3 板體阻力一船速回歸結果的誤差分析
9.2.4 VPP計算結果的誤差分析
9.2.5 最佳航線計算結果的誤差分析
9.2.6 基於FLUENT最佳航線計算結果分析
附件9A Van Oossanen（1993）VPP數據

第十章 結論與建議
10.1 帆翼試驗的主要結論
10.1.1 五種拱度的對比試驗
10.1.2 帆翼0～360度空氣動力性能試驗
10.1.3 七種前後傾、正反扣組合試驗
10.2 帆翼數值計算結果與主要結論
10.3 板體水動力學試驗研究的主要結論
10.3.1 板體阻力的分析
10.3.2 橫向力的分析
10.3.3 縱傾角隨靜態縱傾角、船速與橫傾角的變化規律
10.3.4 船體升沉值隨靜態縱傾角、船速與橫傾角的變化規律
10.3.5 阻力成分的計算
10.4 VPP研究的主要結論
10.5 最佳航線計算的主要結論
10.6 帆板運動研究需要進一步改進的地方
附錄10A 帆板流體動力性能與最佳航線研究的主要程序
參考文獻