劉榮輝，劉承波，侯棟梁，張自通，陳 晨

( 1.吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院 機(jī)械與土木工程學(xué)院，吉林 吉林 132101；2.北華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，吉林 吉林 132021)

龍舟賽作為中國(guó)傳統(tǒng)的民俗賽事，現(xiàn)在已經(jīng)逐漸流傳到世界各地，美國(guó)、俄羅斯、加拿大和韓國(guó)等國(guó)家相繼開(kāi)展.2010年，龍舟賽被列為亞運(yùn)會(huì)和東亞運(yùn)動(dòng)會(huì)的正式比賽項(xiàng)目.由于龍舟運(yùn)動(dòng)的訓(xùn)練受天氣、環(huán)境、經(jīng)費(fèi)等因素影響較大，為了不影響龍舟隊(duì)員的訓(xùn)練，陸地龍舟訓(xùn)練器越來(lái)越多的被推廣使用[1].針對(duì)一款龍舟訓(xùn)練器，采用計(jì)算流體力學(xué)方法，對(duì)其關(guān)鍵部件進(jìn)行了仿真分析，為其結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了參考依據(jù).

1 龍舟訓(xùn)練器組成與工作原理

龍舟訓(xùn)練器由機(jī)身單元、風(fēng)阻單元、凸輪變力單元、伸縮式船槳等組成[2].其中風(fēng)阻單元與凸輪變力單元共同組成了可變式風(fēng)阻單元，是龍舟訓(xùn)練器的關(guān)鍵部件，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 龍舟訓(xùn)練器結(jié)構(gòu)組成

機(jī)身單元由支撐架、座椅、腳踏板、滑輪支架等部分組成.主要起到了支撐和連接器材各部分零件的作用.

風(fēng)阻單元主要由外風(fēng)罩、葉柵機(jī)構(gòu)、內(nèi)轉(zhuǎn)風(fēng)箱組成.葉柵機(jī)構(gòu)由多個(gè)弧形離心葉片以及葉片盤組成，通過(guò)凸輪連桿機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)風(fēng)阻葉片面積的變化，達(dá)到了更佳的模擬效果.

凸輪變力單元主要由擬合凸輪、錐齒輪、輔助齒輪等組成.由錐齒輪實(shí)現(xiàn)兩個(gè)垂直方向上的運(yùn)動(dòng)，采用直齒輪保證傳動(dòng)比.擬合凸輪的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了風(fēng)阻葉片面積的變化規(guī)律，并且采用了空心軸的設(shè)計(jì)保證葉片輪旋轉(zhuǎn)的同時(shí)還能上下出入風(fēng)罩，這樣完全實(shí)現(xiàn)了風(fēng)阻可變性.

龍舟訓(xùn)練器工作原理為：船槳末端的輕繩纏繞在滑輪上，拉槳時(shí)，滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)，依次帶動(dòng)圓柱齒輪、錐齒輪、凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)葉柵機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，葉柵與空氣接觸，產(chǎn)生風(fēng)阻.在凸輪運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，通過(guò)推桿的連接可帶動(dòng)葉片上下移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)葉片面積的變化.這樣便可實(shí)現(xiàn)風(fēng)阻的可變性.

2 劃槳過(guò)程分析

龍舟訓(xùn)練器主要是依據(jù)葉片所受風(fēng)阻變化來(lái)模擬船槳在水中所受阻力變化[3].所以需要先對(duì)劃槳過(guò)程進(jìn)行分析，這樣才能更好地接近真實(shí)水阻.劃槳時(shí)可視槳葉速度為零，水流沖擊槳葉，且速度方向與槳葉的速度方向相反，于是可用定?？偭鞯膭?dòng)量定律計(jì)算槳葉受力，槳葉入水面積在垂直于槳葉速度方向上的投影即為壓力作用面積.通過(guò)檢索大量的文獻(xiàn)資料可知船槳在完成一次劃船(從入水到出水)的過(guò)程中，其與水的接觸面積s(t)是隨時(shí)間變化的.入水開(kāi)始，其與水接觸面積是先增大到一個(gè)峰值而后減小直至出水，完成一次劃船過(guò)程.其中水與槳葉相對(duì)速度波動(dòng)不大，故先對(duì)劃槳過(guò)程中槳葉與水的接觸面積進(jìn)行分析，再結(jié)合速度進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)劉路輝在《優(yōu)秀男子龍舟運(yùn)動(dòng)員劃槳技術(shù)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析》一文中得出的劃槳過(guò)程中的高速攝像數(shù)據(jù)[4]，得到深度變化情況如圖2所示.

圖2 船槳入水深度變化曲線

于是，連接槳葉上端軌跡，大致測(cè)量與槳葉速度方向垂直方向上槳葉入水部分上端與槳葉下端的距離數(shù)據(jù)，如圖3所示，即可得出拉槳過(guò)程中有效作用面積約占槳葉總面積的69.3%.

圖3 槳葉入水有效長(zhǎng)度分析

計(jì)算阻力需先計(jì)算槳葉平均受力面積，即:

S平均=0.693×S槳=493 cm2，

(1)

根據(jù)F=ρQ(α2V2-α1V1)，其中Fx表示流體的阻力，ρ為流體密度，Q為總流流量，α為修正系數(shù)，V2表示槳葉速度，V1表示水速.可知，

在真實(shí)水阻情況下，考慮水流速度，據(jù)定常總流的動(dòng)量定律有[5-6]

F水(t)=ρ水Q水(α2V2-α1V1)，

(2)

取修正系數(shù)1，不同槳頻(20～36次/min)下拉槳時(shí)間為0.88～1.22 s，回槳時(shí)間為0.73～1.86 s，拉槳過(guò)程中槳葉平均位移121.6 cm，回槳過(guò)程中槳葉平均位移121.6 cm，可得各槳頻下平均槳速如表1所示.

按表1速度可計(jì)算出拉槳過(guò)程中各槳速對(duì)應(yīng)的總流流量Q=V·A，代入式(1)可得各情況槳葉受力，如表2所示.

在模擬風(fēng)阻情況下，由于風(fēng)箱的存在，外部風(fēng)速可忽略不計(jì)，風(fēng)阻單元所受阻力

F風(fēng)(t)=ρ風(fēng)Q風(fēng)α風(fēng)V風(fēng)，

(3)

可用風(fēng)阻來(lái)模擬水阻情況，即

F風(fēng)(t)=F水(t)，

(4)

欲模擬真實(shí)情況則面積變化函數(shù)S(t)與真實(shí)情況應(yīng)保持相同，即

Q風(fēng)S(t)=KQ水S(t)，

(5)

A風(fēng)(t)=PA水(t).

(6)

表1 不同槳頻下各過(guò)程平均槳速

表2 各水速不同槳頻下槳葉平均受力情況

3 風(fēng)阻單元的CFD仿真

風(fēng)阻單元是龍舟訓(xùn)練器的核心，文中鑒于幾何特征(葉片截面相同，受力與面積成正比)特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行模型簡(jiǎn)化以方便仿真計(jì)算[8].

3.1 邊界條件及相關(guān)參數(shù)設(shè)置

劃槳過(guò)程仿真采用二維模型，將左側(cè)下邊界設(shè)置為速度入口Velocity-inlet，右側(cè)邊界設(shè)置為自由出流Outflow，交界面設(shè)置為Interface，其余邊界設(shè)置為WALL[9-10].完成邊界類型的設(shè)定后，需要設(shè)置區(qū)域類型，將流場(chǎng)區(qū)域設(shè)為Fluid，區(qū)域類型設(shè)置為FLUID，具體設(shè)置如表3所示.

表3 劃槳過(guò)程仿真模型邊界條件設(shè)定

3.2 風(fēng)阻單元CFD仿真結(jié)果與計(jì)算結(jié)果比對(duì)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，從Fluent中Display顯示出風(fēng)阻單元葉片柵分布的壓力和速度分布圖如圖4和圖5所示.

(a)壓力云圖

(b)壓力等值線圖圖4 壓力分布圖

(a)速度云圖

(b)速度等值線圖圖5 速度分布圖

從壓力分布圖4中可以看出，葉片處及葉片周圍壓力波動(dòng)較大；從速度分布圖5中可以看出，風(fēng)阻單元葉片所在的區(qū)域速度較大，向區(qū)域外速度逐漸減小，中心處速度為0.葉片所在的內(nèi)部流場(chǎng)區(qū)域速度變化較大[11-12].從圖6、7監(jiān)測(cè)點(diǎn)報(bào)告數(shù)據(jù)來(lái)看，28 str/min槳頻下單葉片主要表面平均壓強(qiáng)約為130.6 Pa，帶入葉片柵滿載時(shí)幾何數(shù)據(jù)，計(jì)算知葉片柵轉(zhuǎn)軸處扭矩為1.567 N·M，與28 str/min槳頻下的要求扭矩1.512 N·M基本相同，再取不同槳頻下轉(zhuǎn)速重復(fù)仿真過(guò)程，此處不再贅述操作過(guò)程，得出結(jié)果如表4所示.

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)曲線數(shù)據(jù)

表4 風(fēng)阻單元仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比

圖7 監(jiān)測(cè)點(diǎn)總壓報(bào)告數(shù)據(jù)

通過(guò)對(duì)比仿真結(jié)果與理論結(jié)果，風(fēng)阻模擬效果與實(shí)際拉槳過(guò)程能實(shí)現(xiàn)很好的擬合，至此完成風(fēng)阻單元的仿真驗(yàn)證，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求.

4 結(jié) 論

1.對(duì)龍舟槳入水劃槳過(guò)程進(jìn)行了分析，對(duì)槳葉在不同槳頻、不同水流速度工況下的受力進(jìn)行了理論計(jì)算，借助CFD仿真技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證，得出了理論計(jì)算與仿真結(jié)論基本一致，為龍舟訓(xùn)練器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù).

2.對(duì)龍舟訓(xùn)練器的風(fēng)阻單元進(jìn)行了仿真分析，得出了不同槳頻下的壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)、轉(zhuǎn)矩等相關(guān)數(shù)據(jù)，并與真實(shí)劃槳數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了風(fēng)阻模擬效果與實(shí)際劃槳效果相匹配.