基于力学分析的帆板迎风摇帆频率和幅度的选择与应用
作者单位：西北工业大学体育部 武汉体育学院体育工程与信息技术学院国家体育总局体育工程重点实验室湖北省运动装备工程技术研究中心 武汉体育学院健康科学学院
会议名称：《第十二届全国体育科学大会》
会议日期：2022年
摘 要：研究目的:帆翼作为无机械动力帆板的主要动力源,帆翼空气动力性能好坏直接影响帆船前进的速度与操纵性能。帆板比赛因高速度、高技巧、多轮次特点而使得运动员奖牌争夺异常激烈,为了获得比赛胜利,除了选择天才运动员和科学化训练以外,还需要突破操控帆翼局限于运动员本体感受的瓶颈。帆板比赛中运动员常常通过一定频率、一定幅度及不同方式摇动帆翼推进帆板航行,摇帆成为运动员比赛中制胜的法宝。研究运动帆翼摇帆频率和幅度对帆翼空气动力性能的影响,分析迎风航段频率和幅度的搭配组合对帆翼推进效率的影响,可以促进教练员和运动员直观了解摇帆动作特点;基于迎风航段摇帆频率和幅度的力学分析,将为不同特点的运动员提供操帆策略,促进运动员高效操纵帆翼和减少体能消耗。研究方法:运动帆翼在实际运动过程中,以万向节连接帆板作为运动支点,运动员通过操控桅杆实现三维运动。本文以女子RS:X帆板的帆翼为研究对象,实地调研帆板比赛和训练中操纵帆翼的方式,迎风航段运动员围绕帆翼弦线往复摇帆,为了客观地研究帆板比赛中常见的迎风航段中不同频率和幅度选择与应用,建立帆翼运动模型:a(t)=a+awsin(2πft)。选择帆翼气动力参数、帆翼推力系数以及摇帆能耗系数进行帆翼摇帆过程中气动力以及推进效能评价。采用SST k-ω湍流模型求解瞬态雷诺时均方程,基于压力-速度耦合的SIMPLEC算法对离散方程控制方程中未知量求解顺序及方式进行特殊处理和求解,本文基于ANSYS软件中的UDF二次开发并结合动网格技术加载运动模型,研究了RS:X帆板在3m/s迎风状态下,攻角20°,摇帆频率0.67Hz、1.00Hz、1.30Hz、1.67Hz和2.00Hz,摇帆幅度2°、4°、6°、8°和10°时的运动帆翼气动性能,并提取帆翼升力和阻力,分析航向角为35°时,帆翼的推进系数和摇帆能耗。研究结果:迎风航段中帆板以航向角35°航行时,相同摇帆频率的帆翼推力系数均值随幅度增加有差异,其中摇帆频率为0.67Hz和1.0Hz时,推力系数均值随着幅度的增大而增加,当摇帆幅度为10°时推力系数均值最大,可见低频配合尽可能的高幅度摇帆具有较好的帆板推进效果;而摇帆频率为1.30Hz,1.67Hz和2.00Hz时,摇帆幅度为8°时推力系数均值最大,表明高频率摇帆需要选择适宜的幅度,才能获取较优秀的推进效果。迎风航段启动摇帆时,消耗能量随幅度和频率增大而增加;沿着风向推动帆翼时几乎不消耗能量,回拉帆翼时需要较大的能量。通过能耗无量纲参数评价,高频率和高幅度的摇帆组合是高频率低幅度以及低频率高幅度组合摇帆时能耗的10倍甚至更高,提示运动员在寻求高推进性能的摇帆频率和幅度的搭配时也需要兼顾运动员体能的消耗。身材不够高大运动员在低频摇帆时要尽可能选择高幅度进行摇帆获取较好的帆板推进效果,或者选择摇帆频率1.30Hz和幅度8°的摇帆组合,抵消幅度的不足;身体素质较好的运动员在摇帆频率1.30Hz-2.00Hz范围搭配摇帆幅度8°即可,避免增加幅度消耗体能而推进性能却降低。研究结论:迎风摇帆频率和幅度搭配选择,低频率尽可能选择高幅度进行摇帆,帆翼推进效果较好;高频率时却有适当的幅度可以达到较好的帆翼气动特性;高摇帆频率选择幅度为8°时,摇帆推进性能最好;建议迎风航段摇帆频率和幅度搭配选择时,身材不够高大的运动员摇帆频率和幅度搭配时应保证幅度为8°,适当降低频率来节约能耗;身体素质教优秀的运动员可选择摇帆幅度8°和频率2.00Hz搭配组合进行摇帆,可获得最优秀的推进性能。
