基于实尺实时压力和帆形测量对航行艇侧支索张力的空气动力学研究

摘要

本研究通过对斯图尔特34级游艇进行实尺试验，研究了帆船的定常和非定常空气动力学特性。游艇产生的实时空气动力来自作用通过船帆以及不同帆型的差分压力的了解。将实验结果与由动态速度预测程序得到的数值结果相比较，发现有较好的一致性。

1.介绍

船帆空气动力学是当今科学界中的一个活跃的研究领域。在过去的几个世纪里，发展了许多手段来更好的了解帆的行为状态。时下流行的几个研究问题包括航行中的船帆形状，船帆上压力分布的测定，以及船帆产生的空气动力的测定。这些问题可以采用不同的手段来研究，而当今最普遍采用的手段是数值计算，风洞实验和实尺实验。

第一个压力测量方法大约出现在1900年初。而在这个领域里更多近期重要的标准是由Gentry(1971)和Wilkinson(1989)提出的。在近十年里，压力测量成为了一个共同的研究领域。Puddu et al.(2006)运用了与沿着船帆等间距布置的压力感应贴相连的硬连线小数据记录器来研究龙卷风级双体船主帆上的实尺静压力。Flayamp;Miller（2006）考虑了一些重要的实验因素对帆的压力测量的影响。Viola和Flay(2009)由一系列运用在只有1/15原尺寸非对称大三角帆的内部建立了多通道压力系统的测试中得到了一些实验结果。他们运用了同样的压力系统，只是稍微修改了一些的新版本，来测试水上实尺船帆压力研究（Viola和Flay 2010），取得了可喜的进展。

记录航行状态中帆的形状一直以来是一个相当难完成的任务，但是它已经在美洲杯集团大力赞助下被攻克了。许多不同的帆型记录系统近些年（Freides1991;Graves et al.2008;Ke Pelley and Modral 2008）一直在发展（桅艇摄像机，甲板摄像机，激光扫描系统）而且现在在高性能竞速游艇上应用的相对普遍。

空气动力测定对于游艇和帆的设计者，还有学者都是一项重要的任务，它能让我们预测游艇的表现来提高设计质量或者让其得到最佳优化以提高竞争力。现今，动力测定大多通过速度预测系统来实现。在风洞中，动力的测定是通过用力平衡的方式安装模型（Flay 1996;Fossati et al.2006）来完成。另外，近些年许多研究致力于以实尺实时的标准预测空气动力，无论在水上还是在风洞中。运用测功机和荷重感应器来测定实尺动力的方法已经被Masuyama(2009)采用。在2011年 Augier et al.(2011)为其用于计算负载的“流体-结构相互作用”的数值模型进行了全面的验证实验。Le Pelleyet al.(2012）在游艇研究机构中提出了一个成功的测定帆动力的手段。在它的方法在，压力和帆型被记录在多个节段中，然后对数据运用插值和集成得到全部的船帆空气动力。Lozej（2012）提出了一个相似但是运用了不同的压力和帆型辨识系统。两种系统都希望能以最小程度的近似来测定空气动力。

当前由奥克兰大学的游艇研究机构提出的研究成果，致力于提高船帆压力和帆型测试的实尺测量手段中运用装备以及后期处理技术，以得到更广泛的应用和测试，并且能提供给研究者们对实际航行状态下的帆动力更好的了解。

本论文提出了对船桅张力对游艇航行的影响（尤其是侧支索张力）。结果将分为定常（在经过预先确定好的时间后，采集平均压力和帆型数据）和非定常情况来展示和讨论。特别要注意的是空气动力，视风角以及船舶逆风航行的纵摇运动之间的关系。一个由奥克兰大学研发的动态速度预测程序（Bordogna 2012）的预测结果已经被和一些实验测量结果进行对比。

2.通过压力和VSPARS对力评估（FEPV)

通过测量帆型和持续压力来测定帆动力简称为FEPV，FEPV是指通过压力和VSPAR来进行受力评估，V而SPAR既船帆位置和船帆形状可视化，是一款有奥克兰大学游艇研究会开发的商用帆型记录系统。VSPARS以及船帆压力系统将在接下来两节详解介绍，

2.1用于帆型测量的VSPARS软件

VSPARS是由游艇研究机构的Le Pelly和Modral（2008）研发的，用于测量帆的形状，并且可以处理大角度对帆型的影响和用非常小的现成相机来处理大曲率的帆型。帆型是通过在许多帆上有的着色条纹来记录的。一个离散的帆截面形状，同时还有一些特性（拱形，吃水，扭转角，进入和出口角度，弯曲，凹陷等等）都可以由这个软件输出。见图1。所有这些输出结果都将被输入进FEPV系统，以进行正确的后期处理。可用着色条纹的数量是任意的，但是在游艇研究机构或者其他地方一般会对一张帆用3-4条条纹.在这个研究中，用了3条条纹以确保系统不会冗余，和再现一个精确的帆型。

1a) 1b)

图1a)VSPARS条纹认证和b)pdf输出文档

测定动力需要基于条纹重建整个帆的几何形状，这将在FEPV编码器中完成，它是和压力测量配对的产品。尤其要注意的的是对帆顶和帆底形状的重建。头部的位置可以从已知的条纹在帆前的位置来推得，头部的形状可以被合理的认为是短而直的针头帆。帆底的部分可以通过迎风侧和帆角索的位置（在主帆和前帆不同），和进一步测量帆上部的拱形/吃水特性来推得。最初的帆角形状就是由这些特性计算而得，并且通过与已知的帆角长度的比较来优化成一个更好的形状。这样定义的帆型对用于比较在不同调整状态下的船帆的实尺测试已经足够精确了。

2.2.压力测量系统

当测量一个船帆的压力，考虑到实验步骤需要做出许多决定，例如：记录的类型（单一手段测量还是不同方式测量），抽头的数量，抽头的位置，记录频率等等。在当前的研究中，决定用压差传感器直接测量船帆上不同的压力，以避免一个工人重要的难题即涉及到直接蒸汽法测量静压力（Flay and Miller 2006）。因此，配有传感器的抽头将被使用，压差将通过连接传感器的一侧到吸力的一侧，另一侧连接到帆的受压的一侧。一种专门为抽头订制防水罩被设计出来，还将合适帆布贴片覆盖在其表面，以最大程度的减小其对流动的影响。这种几何形状是在FLAYamp;MILLER（2006）先前的研究提出来的。

抽头的数量在本次研究中严格控制在24个每帆，分为行每行8个排列在VSPARS旁边。这与之前的研究（Puddu et al.2006;Viola 和Flay2010;Lozej er al.2012）相比是一个较少的数量，但是与作者希望获得一个较轻的测试系统以便应用于大部分帆上的初衷是一致的。在先前实验的基础上(Le Pelley et al.2012),似乎适当的对帆上压力分布的插值可以得到对沿着船帆真正展向压力分布一个理性的精确的预测。抽头弦向的位置选择是为了抓住压力分布的主要特征，例如导边的吸力峰值，因此它们集中在导边的附近。

2.3.FEPV 数据分析

FEPV数据分析运用了MATLAB编码来处理压力和帆型测量系统输出的数据。用这个软件的主要目标是精确的对帆型和压力进行插值，然后将它们结合在一起来获得船帆产生的空气动力，如下文所述。

首先，从VSPARS帆型输出数据开始，数码化的船帆分段已经被数值化转换成适当的格式。第二，测定帆首和帆底位置。最后将得到一个由用户自定义的高分辨率的帆型（50*100格）。

一旦船帆的几何形状确定了，就可将离散的压力测量数据输入，然后插值以建立一个完整的船帆压力分布图。正确的插值方法是很重要的（线性，三次样条，三次曲线）。确实，错误的插值方法会导致错误的弦向压力分布，即没有抓住一些主要特征例如导边吸力，或者会改变随边的压力值。三次样条插值法可以根据设定好的分辨率来得到弦向和展向帆型；这种模式应该能适用于光顺曲线，因此大多数帆型，无论属于第二还是第三等函数的帆型，都能适用。而弦向压力分布差异相当明显，很少有规律可循，因此不能用三次样条法插值，不然会导致导边和随边压力分布不正确的再现。因此采用线性插值法。在这完成之后，一个完整的船帆压力图就在图2中展现。

图2 前帆和主帆的压力分布

通过对图2分析可以得到一些有趣的结论，即使没有关于力的知识。例如，可以看到前帆提供了最多的驱动力，它的压差系数全部高于主帆的压差系数。同样可以看到，前帆并不是完全平衡的，，因为帆看上去似乎在较低的分段进行变幅（压差系数接近于0），而导边的吸力峰值似乎出现在较高的分段。图2同样展示了VSPARS条纹以及用点表示抽头的位置。

帆在每个方向上产生的力和力矩可以用差积定理来测定。这个定理证明一个四边形的两条对角线的交叉乘积等于两倍的投影面积在每个方向的大小。因此每一面你感兴趣方向的力已经简单地可由压力乘上这个面的法向矢量求得，如方程1.

每个面的力矩可由面到游艇力矩参考线在x,y,z方向的中心的距离得到。力和力矩系数，还有升力和阻力系数，可以在力和运行数的图中得到以对比测试中不同状态，如下面第4节的结果所示。

其他特征也可以研究，其他结果亦可以通过运行编码来输出图像。每次运行过程持续时间从2s到6s不等，取决于处理器的能力以及显示结果的数量。记住计算压力和帆型一般要平均花费30s到60s,而6s的时间在这种实时测试中似乎是一个很合理的延时。

FEPV系统是全自动的（在定常研究中）。在运行软件之前唯一要输入的是运行的次数（每一次运行与一个特定的修正联系在一起）以及想要获得输出结果。对于船帆测试的好的规划让FEPV成为了一个非常好用的实时计算力的工具。

图形化用户界面也为了不同运行数的船帆分段压力可视化而生成。这个工具允许用户快速检查帆型调整是否合理。

图4不同状态下的船帆压力分布

比如，图4展示了主帆和前帆的四种设定，分别是“紧”“中等”“松”“完全松”的侧支索张力设定。从图4可以看出哪种设定会导致最高的压差系数。

FEPV系统在非定常空气动力学中也是一个很有用的工具。在每一次运行的最后可以研究不同变量间的关系，例如压力和/或力和纵摇角的关系，结果都在时域和频域中表示。

FEPV的精确度之前已经被游艇研究协会通过风洞实验证实了。但是，在当今的工作中，实尺帆型以及压力测量还有合力以及力矩预测还未与风洞测试比较。尽管如此，这些结果已经与动态速度预测程序得到的结果比较，这将在下面的4.2节进行讨论。

3.实尺测试

3.1仪器步骤

在当前研究中物理设置和仪器使用和Le Pelly et al.(2012)描述的一样。在这节中将介绍FEPV系统中的一个应用。斯图尔特34游艇的船帆已经装备了VSPARS条纹和压力抽头、整套系统也包含GPS系统，超声风速仪和安装在桅杆和船里装置的惯性测量单元。这个实验在奥克兰的豪拉基湾选一个好天气中进行，只有速度10到18节的微风。

图5斯图尔特34船上设备

3.2水上测试

在这一系列特别的试验中，研究了侧支索张力对游艇性能的影响。为了得到有效的可靠的实尺结果，非常重要的是减少试验中可控变量。因此，只有侧支索张力改变了。运用了四种不同的设定来作比较：“紧”“中等”“松”“完全松”。尽最大的可能让其他变量在试验中保持常数。它们只有在最后一次风况与第一次完全不同的时候才被改变，因为作者希望重新平衡船帆以使其尽可能有一致的表现。试验中测试了三种航向角状态下的游艇状况：推算航速状态（出于简便称其为VMG），收缩（比VMG高几度），下沉（比VMG低几度）。因此这就有可能比较在所有不同游艇航行情况下不同侧支索设定的影响，尽管VMG是最具有代表性的，因为它的速度是最快的。

总共测试了24组数据。头12组在左舷受风(所有配置），休息了一会（顺风航行以躲避高感潮区），另外12组在右舷受风时得到。

在实尺下测试不可能控制所有的因素，不可避免的其中有些因素会对结果产生影响包括：潮流，波浪，风速变化，船的中心线的校准工具的误差，校准以及压力抽头的无数据记录。这些在后期处理中都考虑到了，这也可以解释下面一些出乎意料的结果。

4.结果

4.1定常结果

正如上文所提到的，这次实验中研究了侧支索的张力对斯图尔特34游艇性能的影响。特别的是，斯图尔特34上的船员普遍认为在侧支索的张力特别松的时候，游艇航行的更快。事实上，侧支索张力理论上通过让桅顶的热那亚滑块调整的更紧来和让游艇性能更好来增加推算航速。作者想运用FEPV系统来验证这个想法。

在这节我们将展示和讨论在实尺试验中用FEPV系统得到的结果。由FEPV系统直接导出的动力系数和横倾力矩系数以及船帆的完全压力分布这两者给了关于游艇性能的实时反馈。值得注意的是这些从实尺实验中得到的结果，而这实验包括特定的船帆调整，航向的自然波动，风速以及每次测试的方向等因素。因此，有时候很难在结果中判断出清楚的趋势。

图6绘出了所有侧支索设定下左右两舷迎风时推算航速的最佳航向角以及航向角收缩的情况。左舷迎风时，可以看到最小船速是在中等程度的侧支索设定时达到的。然而，在右舷迎风时，最大航速是在中等程度的侧支索设定下达到的。两舷趋势的差异可能是由于测定船速时不正确的影响造成的，例如不同的风速和海况。而航向展现出相同的趋势可以由实验的顺序来解释。第一批三次实验是在相似的侧支索设定下完成的。在这之后，侧支索设定被调整了。这意味着有相似

图

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