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第一章　绪论1

1.1　帆板运动与流体力学的研究价值1

1.2　帆板运动研究现状及存在的主要问题6

1.2.1 训练与比赛测试器材的研究6

1.2.2　帆板运动的流体动力性能的研究7

第二章　帆板运动简介17

2.1　帆板运动的格局17

2.2　帆板的结构18

2.2.1　帆板的分类18

2.2.2　我国开展的主要板型介绍18

2.2.3　帆板器材各部件的功用20

2.3　帆板的竞赛规则简介21

2.4　帆板运动的力学分析22

2.4.1　作用于帆板上的力与力矩的分析22

2.4.2　帆板运动的基本条件23

2.4.3 帆翼推进力产生的空气动力学原理24

2.4.4　帆板运动的推进力学25

第三章　帆翼空气动力性能的试验研究27

3.1　帆翼的空气动力学概述27

3.2　帆翼的空气动力学试验内容27

3.3　试验结果的分析与说明29

3.3.1 拱度对于风帆空气动力学影响的试验结果29

3.3.2　风向角？＝0～360°间空气动力特性试验31

3.3.3　前倾、后倾、正扣、反扣等七种组合的对比试验35

3.4　今后仍需进一步改进的方面38

附录3A　一般多项式回归39

第四章　帆翼空气动力学的数值计算42

4.1　FLUENT对于帆翼空气动力性能的数值计算44

4.1.1　N-S方程数值模拟粘性流场的基本理论44

4.1.2 FLUENT的概述48

4.1.3 FLUENT求解N-S方程的过程50

4.2　涡环栅格法对于帆翼升力与诱导阻力的理论计算54

4.2.1　涡环栅格模型54

4.2.2　定常涡环栅格法基本方程组54

4.2.3　边界条件55

4.2.4 马蹄涡影响系数的计算56

4.2.5 帆翼三维曲面的构建及网格生成57

4.2.6　梯度风的计算57

4.2.7 高斯消元求解基元马蹄涡强的过程57

4.2.8　帆翼的升力、诱导阻力的计算58

4.2.9　物面上压力分布的计算58

4.2.10　计算模块说明59

4.3　FLUENT与涡环栅格法的计算结果与讨论60

4.3.1　λ=1平板矩形帆翼计算结果60

4.3.2　λ=4平板矩形帆翼计算结果61

4.3.3　λ=1圆弧形帆翼计算结果61

4.3.4　λ＝2圆弧形帆翼计算结果63

4.3.5　三角形帆翼计算结果65

4.3.6　均匀风与梯度风梯形帆翼计算结果66

4.4　本章小结及今后仍需进一步改进的方面67

附录4A FLUENT计算结果69

第五章　板体水动力性能的研究73

5.1　水动力学试验74

5.1.1　试验介绍74

5.1.2　试验结果77

5.2　试验结果分析80

5.2.1 阻力分析80

5.2.2　横向力的分析84

5.2.3 实际航行纵倾角随静态纵倾角、船速与横倾角变化规律85

5.2.4　船体升沉值随静态纵倾角、船速与横倾角的变化规律86

5.3　经验计算公式计算验证86

5.3.1　粘性阻力计算经验公式86

5.3.2　板体与附体湿面积的计算87

5.3.3　粘性阻力的计算90

5.3.4　兴波阻力计算90

5.3.5 随着船速的变化粘性阻力与兴波阻力的比例91

5.3.6　计算结果的分析92

5.4　本章小结及今后需进一步改进的方面93

附录5A　梯形法求曲线面积93

附录5B　辛浦逊法求曲线面积94

第六章　VPP的结构与实现96

6.1 VPP结构模式96

6.1.1　帆板运动的平衡方程式97

6.1.2 四种VPP计算模式概述98

6.1.3　帆翼空气动力模型和板体的水动力模型的建立100

6.1.4 最大推力系数和横向力系数的计算与回归102

6.2　VPP四种计算方法的建立与实现104

6.2.1 最小阻力分析法计算模型的建立与实现过程105

6.2.2　最大推力分析法计算模型的建立与实现过程108

6.2.3　泛函数分析法计算模型的建立与实现过程111

6.2.4　角度分析法预测航速117

6.2.5 四种VPP模型计算结果的对比分析122

6.3　本章小结以及需进一步开展的工作123

附录6A　VPP综述123

附录6B　非线性方程组求解方法132

附录6C　牛顿迭代法133

附录6D　二分法的基本原理134

附录6E　不同k值下泛函数分析法船速的计算134

第七章　最佳航线的分析137

7.1　帆船、帆板航行时间137

7.2　逆风航行的航线计算138

7.2.1　等腰三角形走法的讨论138

7.2.2　直角三角形走法的讨论142

7.2.3　任意三角形最佳航线的计算146

7.2.4 等腰、直角与任意三角形计算结果的对比分析150

7.3　左弦风、右弦风走法的对比分析151

7.4　水流对于航线影响的定性分析说明152

7.5　本章小结以及今后仍需进一步开展的研究工作155

第八章　帆板实际航行中运动学参数的测定157

8.1　帆板测定的主要运动学参数157

8.2　运动学测试手段158

8.2.1　测角仪158

8.2.2　速度仪158

8.2.3　光电运动检测分析系统160

8.2.4　影像解析系统161

8.3　运动学测试手段在帆板运动中的应用162

8.3.1　运用三维影像解析系统的可行性与难度分析162

8.3.2　运动学测试参数在流体动力性能分析中的应用163

8.4　本章小结163

第九章　误差分析164

9.1　误差理论164

9.1.1　误差的概念164

9.1.2 常见误差分析处理的方法166

9.1.3　风洞实验与水池实验的误差来源168

9.2　计算结果误差分析169

9.2.1 升力、阻力关于攻角的回归结果分析169

9.2.2 最大推力系数的误差分析172

9.2.3　板体阻力—船速回归结果的误差分析175

9.2.4 VPP计算结果的误差分析176

9.2.5 最佳航线计算结果的误差分析178

9.2.6 基于FLUENT最佳航线计算结果分析183

附件9A Van Oossanen(1993)VPP数据187

第十章　结论与建议188

10.1　帆翼试验的主要结论188

10.1.1　五种拱度的对比试验188

10.1.2　帆翼0～360°空气动力性能试验188

10.1.3　七种前后倾、正反扣组合试验189

10.2　帆翼数值计算结果与主要结论190

10.3　板体水动力学试验研究的主要结论191

10.3.1　板体阻力的分析191

10.3.2　横向力的分析191

10.3.3 纵倾角随静态纵倾角、船速与横倾角的变化规律192

10.3.4　船体升沉值随静态纵倾角、船速与横倾角的变化规律192

10.3.5 阻力成分的计算192

10.4 VPP研究的主要结论193

10.5　最佳航线计算的主要结论194

10.6　帆板运动研究需要进一步改进的地方195

附录10A　帆板流体动力性能与最佳航线研究的主要程序197

参考文献204