基于CFD的龙舟训练器关键技术研究

刘荣辉，刘承波，侯栋梁，张自通，陈 晨

( 1.吉林农业科技学院 机械与土木工程学院，吉林 吉林 132101；2.北华大学 机械工程学院，吉林 吉林 132021)

龙舟赛作为中国传统的民俗赛事，现在已经逐渐流传到世界各地，美国、俄罗斯、加拿大和韩国等国家相继开展.2010年，龙舟赛被列为亚运会和东亚运动会的正式比赛项目.由于龙舟运动的训练受天气、环境、经费等因素影响较大，为了不影响龙舟队员的训练，陆地龙舟训练器越来越多的被推广使用[1].针对一款龙舟训练器，采用计算流体力学方法，对其关键部件进行了仿真分析，为其结构优化提供了参考依据.

1 龙舟训练器组成与工作原理

龙舟训练器由机身单元、风阻单元、凸轮变力单元、伸缩式船桨等组成[2].其中风阻单元与凸轮变力单元共同组成了可变式风阻单元，是龙舟训练器的关键部件，具体结构如图1所示.

图1 龙舟训练器结构组成

机身单元由支撑架、座椅、脚踏板、滑轮支架等部分组成.主要起到了支撑和连接器材各部分零件的作用.

风阻单元主要由外风罩、叶栅机构、内转风箱组成.叶栅机构由多个弧形离心叶片以及叶片盘组成，通过凸轮连杆机构的带动实现风阻叶片面积的变化，达到了更佳的模拟效果.

凸轮变力单元主要由拟合凸轮、锥齿轮、辅助齿轮等组成.由锥齿轮实现两个垂直方向上的运动，采用直齿轮保证传动比.拟合凸轮的设计实现了风阻叶片面积的变化规律，并且采用了空心轴的设计保证叶片轮旋转的同时还能上下出入风罩，这样完全实现了风阻可变性.

龙舟训练器工作原理为：船桨末端的轻绳缠绕在滑轮上，拉桨时，滑轮转动，依次带动圆柱齿轮、锥齿轮、凸轮转动，从而带动叶栅机构旋转，叶栅与空气接触，产生风阻.在凸轮运动的时候，通过推杆的连接可带动叶片上下移动，从而实现叶片面积的变化.这样便可实现风阻的可变性.

2 划桨过程分析

龙舟训练器主要是依据叶片所受风阻变化来模拟船桨在水中所受阻力变化[3].所以需要先对划桨过程进行分析，这样才能更好地接近真实水阻.划桨时可视桨叶速度为零，水流冲击桨叶，且速度方向与桨叶的速度方向相反，于是可用定常总流的动量定律计算桨叶受力，桨叶入水面积在垂直于桨叶速度方向上的投影即为压力作用面积.通过检索大量的文献资料可知船桨在完成一次划船(从入水到出水)的过程中，其与水的接触面积s(t)是随时间变化的.入水开始，其与水接触面积是先增大到一个峰值而后减小直至出水，完成一次划船过程.其中水与桨叶相对速度波动不大，故先对划桨过程中桨叶与水的接触面积进行分析，再结合速度进行计算，根据刘路辉在《优秀男子龙舟运动员划桨技术的运动学分析》一文中得出的划桨过程中的高速摄像数据[4]，得到深度变化情况如图2所示.

图2 船桨入水深度变化曲线

于是，连接桨叶上端轨迹，大致测量与桨叶速度方向垂直方向上桨叶入水部分上端与桨叶下端的距离数据，如图3所示，即可得出拉桨过程中有效作用面积约占桨叶总面积的69.3%.

图3 桨叶入水有效长度分析

计算阻力需先计算桨叶平均受力面积，即:

S平均=0.693×S桨=493 cm2，

(1)

根据F=ρQ(α2V2-α1V1)，其中Fx表示流体的阻力，ρ为流体密度，Q为总流流量，α为修正系数，V2表示桨叶速度，V1表示水速.可知，

在真实水阻情况下，考虑水流速度，据定常总流的动量定律有[5-6]

F水(t)=ρ水Q水(α2V2-α1V1)，

(2)

取修正系数1，不同桨频(20～36次/min)下拉桨时间为0.88～1.22 s，回桨时间为0.73～1.86 s，拉桨过程中桨叶平均位移121.6 cm，回桨过程中桨叶平均位移121.6 cm，可得各桨频下平均桨速如表1所示.

按表1速度可计算出拉桨过程中各桨速对应的总流流量Q=V·A，代入式(1)可得各情况桨叶受力，如表2所示.

在模拟风阻情况下，由于风箱的存在，外部风速可忽略不计，风阻单元所受阻力

F风(t)=ρ风Q风α风V风，

(3)

可用风阻来模拟水阻情况，即

F风(t)=F水(t)，

(4)

欲模拟真实情况则面积变化函数S(t)与真实情况应保持相同，即

Q风S(t)=KQ水S(t)，

(5)

A风(t)=PA水(t).

(6)

表1 不同桨频下各过程平均桨速

表2 各水速不同桨频下桨叶平均受力情况

3 风阻单元的CFD仿真

风阻单元是龙舟训练器的核心，文中鉴于几何特征(叶片截面相同，受力与面积成正比)特点，对其进行模型简化以方便仿真计算[8].

3.1 边界条件及相关参数设置

划桨过程仿真采用二维模型，将左侧下边界设置为速度入口Velocity-inlet，右侧边界设置为自由出流Outflow，交界面设置为Interface，其余边界设置为WALL[9-10].完成边界类型的设定后，需要设置区域类型，将流场区域设为Fluid，区域类型设置为FLUID，具体设置如表3所示.

表3 划桨过程仿真模型边界条件设定

3.2 风阻单元CFD仿真结果与计算结果比对

根据计算结果，从Fluent中Display显示出风阻单元叶片栅分布的压力和速度分布图如图4和图5所示.

(a)压力云图

(b)压力等值线图图4 压力分布图

(a)速度云图

(b)速度等值线图图5 速度分布图

从压力分布图4中可以看出，叶片处及叶片周围压力波动较大；从速度分布图5中可以看出，风阻单元叶片所在的区域速度较大，向区域外速度逐渐减小，中心处速度为0.叶片所在的内部流场区域速度变化较大[11-12].从图6、7监测点报告数据来看，28 str/min桨频下单叶片主要表面平均压强约为130.6 Pa，带入叶片栅满载时几何数据，计算知叶片栅转轴处扭矩为1.567 N·M，与28 str/min桨频下的要求扭矩1.512 N·M基本相同，再取不同桨频下转速重复仿真过程，此处不再赘述操作过程，得出结果如表4所示.

图6 监测点曲线数据

表4 风阻单元仿真结果与理论计算结果对比

图7 监测点总压报告数据

通过对比仿真结果与理论结果，风阻模拟效果与实际拉桨过程能实现很好的拟合，至此完成风阻单元的仿真验证，达到了设计要求.

4 结 论

1.对龙舟桨入水划桨过程进行了分析，对桨叶在不同桨频、不同水流速度工况下的受力进行了理论计算，借助CFD仿真技术进行了验证，得出了理论计算与仿真结论基本一致，为龙舟训练器的结构设计提供了参考依据.

2.对龙舟训练器的风阻单元进行了仿真分析，得出了不同桨频下的压力场、速度场、转矩等相关数据，并与真实划桨数据进行了对比，验证了风阻模拟效果与实际划桨效果相匹配.