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赛艇的仿真
作者:CD-adapco顾问 史蒂芬·佛格森
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船舶/港口设备/海洋工程展厅
游艇, 橡皮艇, 港口起重机, ...
恭贺 在2008奥运会赛艇女子四人双桨决赛中,中国运动员“唐宾/金紫薇/奚爱华/张杨杨”为我国赢得赛艇比赛首枚金牌!

在公平的竞赛规则下,想成为奥运会赛艇冠军需要两种素质:完美的动作和坚定的毅力。与其他运动相比,赛艇比赛需要十足的爆发力和熟练的技术。运动员要想以零点几秒的优势赢得冠军,就必须在平时的训练中比对手付出更多。而在雅典奥运会上,这一点正慢慢改变,仅仅依靠汗水和泪水已经显得力不从心,最佳的团队又增加了一样新武器-计算流体动力学( Computational Fluid Dynamics,以下简称CFD),而它也许将决定是金牌还是铜牌。

其实,在海事工程中,CFD这种工程工具已经得到了很广泛的应用。长期应用于稳定航行的船只船体优化设计中,而对复杂的非稳定三维空间运动的分析也变得日渐重要。有效的使用CFD可以降低对昂贵的拖曳水池试验的依赖性,而且可以尝试更多优化的设计方案,这在没有CFD之前是不可能实现的。

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图片1:波浪高度 图片2:下表面压力分布图

赛艇的仿真具有很大的挑战性。一般来说,船的行驶具有恒定的速度,但是对于赛艇来说,因为是在全体队员有节奏的滑动下航行,所以在每一个滑行行程中,船都会经历加速和减速,这样它的位置和姿态在水中就会动态的变化,这就使得对赛艇的仿真成为一个复杂的多自由度仿真。这个领域的先锋是Filippi船队(隶属于Filippi Lido造船厂)和它的合作者们。作为高水平竞赛赛艇设计的领军企业,他们这几年一直用CD-Adapco的CFD代码来进行优化设计,以迎接即将到来的夏季奥运会。他们与一所意大利享有盛誉的大学-都灵米兰大学合作,尽可能把他们的赛艇选手送上奥运会的最高领奖台。

利用CD-adapco的STAR-CD CFD求解器,他们第一次成功的模拟了桨手周期性运动对船体的影响、每个划桨冲程引起的加速已以及阻力和推进力随时间变化的规律。仿真中充分考虑了下沉量(运动中的船只在水中的起落)和吃水(运动中的船只在水中的俯仰)。模拟结果显示出,这两个量对船体阻力具有主要的影响。

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图3:船尾的速度损失

这一模拟的成功完全得益于CD-adapco的CFD求解器的开放式结构,它使得用户可以方便的添加刚体模型的子程序,使求解获得六自由度上的模拟结果。

CD-adapco的CFD求解器可以快速、准确和高效的计算出船体周围的水面高度,利用高精度界面捕捉技术(High Resolution Interface Capturing,简称HRIC),可以清晰的捕捉水和空气之间自由表面。模拟结果可以帮助我们深入了解真实状况下赛艇周围的流场状况,-其中某些状况是在变比例的拖曳水池实验中是无法实现的。可能对于外行来说,赛艇只不过是一个简单的船体,但它确实有着复杂的几何特征,在建模和优化设计中需要付出巨大的努力。

在极端情况下错误的下沉量和吃水深度,可能会使水流迅速的流过侧边进入船体,造成严重的后果,这一点在奥运会赛艇湖的试验性赛舟项目中得到证实,几起沉船事件后取消了这个比赛项目。在赛艇比赛中,“与流体为伍”并非那么简单。

由于对性能的领先要求,运动器材也成为CFD分析的一个重要测评对象。Filippi船队作为一个典型的例子,印证了在船只设计业中,CD-adapco所提供的多股流六自由度仿真分析会成为一大趋势。

如果您对此内容感兴趣,欢迎发送问题到到技术邮箱support@cdaj-china.com寻求支持。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (9/6/2008)
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