周 睿 岳 楨 陳順華,3 孫鵬楠,3

（1.中山大學(xué) 海洋工程與技術(shù)學(xué)院 珠海 519000； 2.武漢理工大學(xué) 船海與能源動(dòng)力學(xué)院 武漢 430063；3.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（珠海） 珠海 519000）

0 引 言

由于石油等化石燃料日益枯竭，導(dǎo)致開(kāi)采和使用的成本愈發(fā)昂貴； 同時(shí)，化石燃料燃燒產(chǎn)生的溫室氣體導(dǎo)致全球變暖的弊端凸顯，使得能源問(wèn)題已成為全球性的問(wèn)題。人們亟需找到清潔可再生的新能源以緩解當(dāng)前困局。由于風(fēng)能具有清潔、儲(chǔ)量豐富以及獲取方便的特點(diǎn)，人們逐漸重視起可再生風(fēng)能資源的利用和開(kāi)發(fā)。目前通過(guò)風(fēng)力發(fā)電將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能是應(yīng)用較廣泛的方式。而在船舶領(lǐng)域，風(fēng)能的利用方式更多是以現(xiàn)代風(fēng)帆助推裝置為船舶提供輔助推進(jìn)力。

風(fēng)帆是人類(lèi)最早利用風(fēng)能的方式之一，種類(lèi)主要包括翼型帆、轉(zhuǎn)筒帆和天帆等，其中研究最多的是翼型帆。翼型帆是利用機(jī)翼的伯努利原理，即空氣流過(guò)翼型上下面時(shí)的速度不同而產(chǎn)生壓力差，再通過(guò)調(diào)整風(fēng)翼的迎風(fēng)角度，利用壓力差來(lái)推動(dòng)船舶前進(jìn)。面對(duì)節(jié)能減排的迫切需求，研發(fā)風(fēng)帆助力的新型船舶動(dòng)力已成為船舶行業(yè)的研究熱點(diǎn)。區(qū)別于傳統(tǒng)的主要以柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式，風(fēng)帆助航船能夠利用風(fēng)能提供額外動(dòng)力，輔助推進(jìn)船舶航行，如圖1所示。風(fēng)能的轉(zhuǎn)化利用可使船舶在保證航速不變的同時(shí)減少柴油機(jī)燃油的消耗，以此達(dá)到節(jié)能減排的目的。風(fēng)帆的使用在航運(yùn)業(yè)綜合經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益方面的效果顯著，同時(shí)推動(dòng)著船用風(fēng)帆的流固耦合研究。

圖1 風(fēng)帆助航的應(yīng)用

根據(jù)風(fēng)帆的材料不同，風(fēng)帆可分為硬質(zhì)帆和柔性帆。相比于硬質(zhì)風(fēng)帆，柔性風(fēng)帆具有輕便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 造價(jià)低廉、易于收放和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。因此，船舶風(fēng)帆通常使用由織物為基礎(chǔ)的復(fù)合材料或薄塑料制成的柔性結(jié)構(gòu)。在船舶航行中，船用風(fēng)帆存在典型的流固耦合（fluid-structure interaction，F(xiàn)SI）現(xiàn)象，即風(fēng)載荷作用下風(fēng)帆發(fā)生變形響應(yīng)，同時(shí)風(fēng)帆的結(jié)構(gòu)變形也會(huì)影響風(fēng)帆附近的氣流特性。因此，研究風(fēng)帆的流固耦合特性，對(duì)風(fēng)帆的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)于改善風(fēng)帆的空氣動(dòng)力學(xué)特性、提高風(fēng)帆對(duì)風(fēng)能資源的利用率具有重要意義。風(fēng)帆的流固耦合問(wèn)題較為復(fù)雜，對(duì)研究方法和手段提出了較大的挑戰(zhàn)：一方面，風(fēng)帆結(jié)構(gòu)變形和空氣流場(chǎng)具有高度和非線(xiàn)性耦合的特點(diǎn)；另一方面，由于風(fēng)帆通常是軟結(jié)構(gòu)，即使很小的應(yīng)力也可能導(dǎo)致較大的位移和形狀變化，使得風(fēng)帆附近的氣流特性發(fā)生改變。

目前，數(shù)值模擬和試驗(yàn)方法是研究風(fēng)帆流固耦合行為的2種主要方式。其中，數(shù)值模擬借助近年來(lái)快速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)，通過(guò)研發(fā)新型數(shù)值模擬方法及仿真計(jì)算軟件，實(shí)現(xiàn)船用風(fēng)帆流固耦合行為的再現(xiàn)；而試驗(yàn)研究則通過(guò)選取真實(shí)航行條件下的全尺寸風(fēng)帆或風(fēng)洞內(nèi)的一定比例尺寸風(fēng)帆模型，測(cè)量出不同的升力系數(shù)、 阻力系數(shù)和壓力分布等數(shù)據(jù)，得到風(fēng)帆的氣動(dòng)彈性參數(shù)。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在使用數(shù)值模擬手段和試驗(yàn)方法研究船用風(fēng)帆流固耦合特性方面均進(jìn)行了較多的工作。鑒于此，本文將從數(shù)值研究和試驗(yàn)研究?jī)煞矫嫒骊U述目前船用風(fēng)帆流固耦合的相關(guān)問(wèn)題研究現(xiàn)狀，總結(jié)各研究手段的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出未來(lái)需要進(jìn)一步研究的發(fā)展方向。下頁(yè)圖2為船用風(fēng)帆流固耦合問(wèn)題研究方法的具體分類(lèi)。

圖2 船用風(fēng)帆流固耦合問(wèn)題研究方法的分類(lèi)

1 數(shù)值模擬研究

風(fēng)帆的流固耦合數(shù)值模擬主要包括空氣流場(chǎng)、風(fēng)帆結(jié)構(gòu)變形和流固耦合方式等三方面的內(nèi)容，下文將從這三方面對(duì)現(xiàn)有數(shù)值模擬方法進(jìn)行歸納總結(jié)。

1.1 空氣流場(chǎng)數(shù)值模擬方法

針對(duì)船用風(fēng)帆空氣流場(chǎng)分析，現(xiàn)有數(shù)值方法通?；谟?jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）或勢(shì)流理論?；趧?shì)流理論的數(shù)值方法適用于風(fēng)帆周?chē)目諝饬鲃?dòng)完全附著于風(fēng)帆且黏性效應(yīng)可以被忽略的情況。學(xué)者們應(yīng)用該理論對(duì)風(fēng)帆流體分析的數(shù)值方法開(kāi)展了一系列研究。 20世紀(jì)60年代，MILGRAM在麻省理工學(xué)院首次使用勢(shì)流理論對(duì)風(fēng)帆進(jìn)行了數(shù)值模擬，開(kāi)發(fā)了渦晶格方法來(lái)研究逆風(fēng)帆的氣動(dòng)特性。GENTRY基于勢(shì)流理論，研究了主帆和前帆之間空氣動(dòng)力學(xué)相互作用問(wèn)題。

相比于勢(shì)流理論，基于CFD的數(shù)值方法具有更廣的適用性，可以模擬順風(fēng)帆和逆風(fēng)帆周?chē)牧鲌?chǎng)。在數(shù)值模擬船用風(fēng)帆周?chē)諝饬鲌?chǎng)時(shí)，CFD方法不但可以計(jì)算帆力和力矩等全局量，還可以給出風(fēng)帆周?chē)牧鲌?chǎng)詳細(xì)信息（如圖3所示）。因而，基于CFD的數(shù)值方法受到眾多學(xué)者青睞，在風(fēng)帆設(shè)計(jì)和風(fēng)帆性能預(yù)測(cè)方面發(fā)揮了重要作用。

圖3 對(duì)風(fēng)帆進(jìn)行Delaunay網(wǎng)格三角剖分

LEE等根據(jù)CFD方法模擬了主帆和前帆周?chē)娜S黏性流動(dòng)，研究了兩帆相互作用對(duì)帆船性能的影響，也驗(yàn)證了CFD方法在風(fēng)帆性能預(yù)報(bào)方面的可靠性。雷諾平均納維-斯托克斯（Reynolds averaged Navier-Stokes，RANS）方程是CFD中計(jì)算湍流運(yùn)動(dòng)的常用模型，早在1996年就被用于船用風(fēng)帆流場(chǎng)模擬。RICHTER等也使用了RANS求解器模擬風(fēng)帆的流場(chǎng)。然而，RANS的計(jì)算精度較低，因?yàn)樵摲椒▽?duì)N-S方程進(jìn)行平均化處理，丟失了方程包含的部分信息，無(wú)法精確地反映較大分離運(yùn)動(dòng)的流動(dòng)瞬時(shí)脈動(dòng)特征。

除了RANS外，在其他領(lǐng)域的流場(chǎng)分析中應(yīng)用較多的CFD方法還包括大渦模擬（large eddy simulation，LES）。該方法僅計(jì)算大尺度的湍流，用假定的模型模擬小于計(jì)算尺度的湍流，這樣能較準(zhǔn)確地模擬出流動(dòng)過(guò)程中的漩渦等現(xiàn)象。但是，當(dāng)前LES的近壁面模型并不成熟，而且LES所需要的計(jì)算資源遠(yuǎn)多于RANS，因而有學(xué)者提出了RANS/LES耦合方法。該方法通過(guò)在流場(chǎng)的不同區(qū)域分別采用RANS和LES進(jìn)行模擬，使得計(jì)算精度和計(jì)算代價(jià)上得到了有效的平衡。其中，用來(lái)模擬分離流動(dòng)現(xiàn)象中最為流行的RANS/LES耦合方法是分離渦模擬（detached eddy simulation，DES）。DES在近壁面區(qū)采用RANS方法，而在湍流充分發(fā)展區(qū)域內(nèi)使用LES進(jìn)行求解，這樣就使其在近壁面區(qū)發(fā)揮RANS計(jì)算量少的優(yōu)勢(shì)，在遠(yuǎn)離物體的區(qū)域?qū)ν牧髁鲃?dòng)又有較好的模擬效果。

對(duì)應(yīng)勢(shì)流理論和CFD方法，流體求解器可分為無(wú)黏流求解器和黏性流求解器。無(wú)黏流求解器具有計(jì)算效率高的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用較為廣泛。AUGIER等使用了基于渦晶格流體模型的無(wú)黏流求解器AVANTI，對(duì)風(fēng)帆空氣流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。相對(duì)而言，黏性流求解器由于具有計(jì)算效率較低、可能發(fā)生網(wǎng)格變形等問(wèn)題，更多的是應(yīng)用于科學(xué)研究。研究者開(kāi)發(fā)了一系列針對(duì)船用風(fēng)帆流場(chǎng)的黏性流CFD流體求解器。RENZSH等基于流體求解器AnsysCFX12.0，開(kāi)發(fā)了用于模擬Spinnaker帆流固耦合現(xiàn)象的程序FlexSail，該流體求解器通過(guò)求解穩(wěn)態(tài)或非穩(wěn)態(tài)RANS方程來(lái)模擬黏性流。CHAPIN等也使用了基于黏性計(jì)算的CFD模型的求解器。

1.2 結(jié)構(gòu)變形數(shù)值模擬方法

船用風(fēng)帆通常是由織物為基礎(chǔ)的具有各項(xiàng)異性特征的復(fù)合材料或薄塑料制成的柔性結(jié)構(gòu)，在風(fēng)載作用下可發(fā)生非線(xiàn)性大變形、大位移等力學(xué)行為，對(duì)其結(jié)構(gòu)變形的高精度數(shù)值模擬提出了較大的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有研究普遍使用有限元方法模擬風(fēng)帆的結(jié)構(gòu)變形。

MORVAN等基于ABAQUS有限元分析軟件，選取殼單元進(jìn)行有限元建模（如圖3所示），開(kāi)發(fā)了風(fēng)帆FSI快速穩(wěn)定的算法。BAK等基于有限元理論，采用LS-DYNA非線(xiàn)性有限元軟件，對(duì)薄織物的大變形進(jìn)行計(jì)算分析。為了研究對(duì)稱(chēng)Spinnaker帆的流固耦合作用，CALì等基于ANSYS有限元分析軟件，結(jié)合計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)（computational structural mechanics， CSM）進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，并采用了三角膜單元將風(fēng)帆離散。SACHER等基于ABAQUS有限元分析軟件來(lái)解決逆風(fēng)帆的結(jié)構(gòu)變形問(wèn)題，選取殼單元對(duì)主帆板進(jìn)行有限元建模，采用特定厚度的方法，增強(qiáng)了數(shù)值分析的穩(wěn)定性。DURAND等在結(jié)構(gòu)分析中使用非線(xiàn)性有限元求解器，采用了常數(shù)應(yīng)變?nèi)切危╟onstant strain triangle，CST）膜單元對(duì)風(fēng)帆進(jìn)行有限元建模，這有利于處理風(fēng)帆可能出現(xiàn)的大旋轉(zhuǎn)和大應(yīng)變問(wèn)題。

1.3 流固耦合求解方法

流固耦合問(wèn)題的求解一般可分為兩類(lèi)：?jiǎn)蜗蝰詈虾碗p向耦合。如果結(jié)構(gòu)變形較小，則可以假設(shè)結(jié)構(gòu)的變形不會(huì)對(duì)流場(chǎng)的分布產(chǎn)生影響。此時(shí)，可在流固耦合計(jì)算中只考慮流場(chǎng)分布對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響，即只考慮流體對(duì)固體計(jì)算求解的單向數(shù)據(jù)傳遞。這類(lèi)分析稱(chēng)為單向流固耦合分析。如果結(jié)構(gòu)的變形較大，結(jié)構(gòu)的變形也會(huì)對(duì)流場(chǎng)的分布產(chǎn)生影響，則需要考慮流體和固體計(jì)算求解間數(shù)據(jù)的雙向傳遞。這類(lèi)分析稱(chēng)為雙向流固耦合分析。針對(duì)柔性風(fēng)帆推進(jìn)裝置，因?yàn)轱L(fēng)載作用下柔性帆會(huì)發(fā)生較大的變形，因此一般選用雙向流固耦合分析。BAK等采用部分雙向流固耦合的方法，計(jì)算了無(wú)桅桿的主帆的三維變形和周?chē)鲌?chǎng)的氣流特性。CALì等通過(guò)基于CFD-CSM的雙向流固耦合分析，研究了對(duì)稱(chēng)三角帆的雙向流固耦合作用，確定了該風(fēng)帆的氣動(dòng)性能。BAK等在研究中利用部分雙向流固耦合分析對(duì)風(fēng)帆進(jìn)行精確評(píng)估和優(yōu)化，分析結(jié)果表明FSI研究適用于風(fēng)帆的優(yōu)化和設(shè)計(jì)。

根據(jù)求解方式的不同，還可將流固耦合問(wèn)題的求解分為整體式和分離式兩種形式。其中，整體式方法將耦合系統(tǒng)視為一個(gè)整體，對(duì)流體和固體的控制方程進(jìn)行同步求解。為了保證穩(wěn)定性和加速耦合解的收斂，HüBNER等基于均勻時(shí)空有限元離散方法，提出了一種黏性流體流動(dòng)與幾何非線(xiàn)性彈性結(jié)構(gòu)相互作用的整體式流固耦合方法。因?yàn)槿智蠼庀禂?shù)矩陣通常具有巨大的維數(shù)，且與兩個(gè)域中的計(jì)算節(jié)點(diǎn)數(shù)成正比，因此整體法的計(jì)算成本很高，對(duì)計(jì)算資源具有較大的需求。此外，整體式方法中的耦合是無(wú)條件穩(wěn)定的。這意味著，與分離式方法不同的是整體式方法在耦合過(guò)程不會(huì)在系統(tǒng)中引入任何發(fā)散源。在整體式方法中，可能發(fā)生的不穩(wěn)定性是由于問(wèn)題或設(shè)置不充分造成的，而不是由于求解器之間的耦合。

分離式方法則分別求解流體和固體區(qū)域的控制方程。相對(duì)于整體式方法而言，因?yàn)榉蛛x式方法可將不同的求解器進(jìn)行耦合，因而更具有靈活性和可實(shí)現(xiàn)性，在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，由于流體和固體方程的時(shí)間積分之間存在滯后，產(chǎn)生的能量殘余物會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。分離式方法又可分為強(qiáng)耦合和弱耦合。其中，強(qiáng)耦合方法在每個(gè)求解步驟中，需要在滿(mǎn)足交界面處的平衡條件后才進(jìn)入下一步求解；如果在兩個(gè)求解器之間的每個(gè)時(shí)間步的最大子迭代次數(shù)內(nèi)實(shí)現(xiàn)收斂，則解算器將傳遞到下一個(gè)解步驟，以此進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。對(duì)于強(qiáng)耦合，固體域和流體域的變量是耦合的，但仍然對(duì)其進(jìn)行分開(kāi)求解，這使得該方法比弱耦合方法更復(fù)雜，但更穩(wěn)定和準(zhǔn)確。通過(guò)在流體和結(jié)構(gòu)分析中分別采用兩種不同的求解器，LOMBARDI等基于標(biāo)準(zhǔn)Dirichlet-Neumann耦合的強(qiáng)耦合分離式方法對(duì)空氣流場(chǎng)與風(fēng)帆之間的流固耦合問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果證明了該數(shù)值方法的準(zhǔn)確性。LOMBARDI等采用強(qiáng)耦合分離式耦合方式，提出了一種用于預(yù)測(cè)順風(fēng)帆飛行形狀的流固耦合數(shù)值算法。DURAND針對(duì)帆船上柔性、輕質(zhì)風(fēng)帆的流固耦合，基于黏性流體求解器和固體求解器提出了相應(yīng)的強(qiáng)耦合方法。

對(duì)于弱耦合方法，在步進(jìn)計(jì)算過(guò)程中，流體域與固體域的變量均不耦合。從計(jì)算角度來(lái)看，這使得該耦合方式快速而簡(jiǎn)單，但同時(shí)存在不穩(wěn)定性，尤其對(duì)于流體質(zhì)量和固體質(zhì)量相當(dāng)?shù)那樾?。在小變形或高密度比的情況下，可以采用該弱耦合分離式方法。針對(duì)順風(fēng)帆流固耦合，CIRELLO等開(kāi)發(fā)了一種參數(shù)化、全自動(dòng)的弱耦合求解器，可有效計(jì)算風(fēng)帆航行的形狀以及風(fēng)帆上的載荷和變形。該工作的創(chuàng)新點(diǎn)在于逐步在風(fēng)帆上施加氣動(dòng)載荷來(lái)模擬風(fēng)帆的漸進(jìn)變形，以克服傳統(tǒng)弱耦合方法的收斂和穩(wěn)定性問(wèn)題，如下頁(yè)圖4所示。

圖4 開(kāi)發(fā)的流固耦合（FSI）程序流程圖

2 試驗(yàn)研究

試驗(yàn)方法是船用風(fēng)帆流固耦合的研究途徑之一。目前的試驗(yàn)研究方式主要有兩種，即分別以真實(shí)航行條件下的全尺寸風(fēng)帆和風(fēng)洞縮比風(fēng)帆模型作為試驗(yàn)對(duì)象，獲取升力系數(shù)、阻力系數(shù)以及壓力分布等氣動(dòng)彈性試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

全尺寸風(fēng)帆試驗(yàn)和風(fēng)洞縮比模型試驗(yàn)均可用于驗(yàn)證數(shù)值方法的有效性，但兩種方法各有利弊，在進(jìn)行試驗(yàn)前需根據(jù)不同的試驗(yàn)對(duì)象和試驗(yàn)?zāi)康暮侠淼剡x取試驗(yàn)方式。相對(duì)于風(fēng)洞縮比模型而言，全尺寸風(fēng)帆試驗(yàn)可進(jìn)行真實(shí)航行條件下的氣動(dòng)彈性參數(shù)測(cè)量，尤其是對(duì)于順風(fēng)帆的非穩(wěn)態(tài)行為研究，全尺寸風(fēng)帆試驗(yàn)是更理想的選擇。然而，全尺寸風(fēng)帆試驗(yàn)需測(cè)量多物理場(chǎng)和非穩(wěn)態(tài)參數(shù)，且在實(shí)際航行過(guò)程中，容易受外界因素的影響。在這方面，風(fēng)洞縮比模型試驗(yàn)則可以避開(kāi)外界干擾，具有較強(qiáng)的可行性和較高的試驗(yàn)效率。此外，縮比試驗(yàn)還可在解決全尺寸試驗(yàn)帶來(lái)的試驗(yàn)成本問(wèn)題的同時(shí)，人為地增加試驗(yàn)對(duì)象的多樣性和復(fù)雜性，如改變風(fēng)帆形狀大小和試驗(yàn)風(fēng)速。

2.1 全尺寸風(fēng)帆氣動(dòng)特性試驗(yàn)

全尺寸風(fēng)帆試驗(yàn)是對(duì)真實(shí)航行條件下的風(fēng)帆進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量。學(xué)者們根據(jù)全尺寸風(fēng)帆試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)相應(yīng)數(shù)值模型的可靠性和有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。AUGIER等開(kāi)展了在真實(shí)航行條件下氣彈性風(fēng)/帆/帆索相互作用的全尺寸試驗(yàn)研究，通過(guò)測(cè)得的非穩(wěn)態(tài)參數(shù)驗(yàn)證了所采用的流固耦合數(shù)值模型的可靠性。AUGIER等還通過(guò)開(kāi)展28 ft（約8.53 m）、J80級(jí)帆船的全尺寸試驗(yàn)，驗(yàn)證了基于渦晶格方法的流體模型和有限元結(jié)構(gòu)模型耦合的流固耦合數(shù)值模型有效性，得出了航行中風(fēng)帆的動(dòng)態(tài)行為不再符合準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)理論這一結(jié)論。

通過(guò)全尺寸試驗(yàn)可更好地獲取風(fēng)帆的動(dòng)態(tài)行為。DEPARDAY等以真實(shí)航行條件下不對(duì)稱(chēng)的全尺寸Spinnaker帆作為研究對(duì)象，研究了輕質(zhì)、柔軟和高曲面薄膜風(fēng)帆在風(fēng)載下的拍動(dòng)不穩(wěn)定問(wèn)題，觀測(cè)到不同繩索長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的風(fēng)帆的不同形狀（見(jiàn)下頁(yè)圖5）。

圖5 不同繩索長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的風(fēng)帆的不同形狀

此外，為了更好地評(píng)估順風(fēng)航向上的風(fēng)帆和帆索的氣動(dòng)彈性行為，DEPARDAY在一個(gè)儀器帆船上進(jìn)行了全尺寸的試驗(yàn)研究，測(cè)量了Spinnaker帆的飛行形狀、傳遞到帆索上的載荷和帆上的壓力分布等試驗(yàn)數(shù)據(jù)，解釋了順風(fēng)帆的非穩(wěn)態(tài)行為很難用風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn)研究的原因。

2.2 風(fēng)洞縮比模型試驗(yàn)

風(fēng)洞縮比模型試驗(yàn)是在風(fēng)洞中以風(fēng)帆模型為試驗(yàn)對(duì)象，測(cè)量升力系數(shù)、阻力系數(shù)和壓力分布等空氣動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)。風(fēng)洞縮比模型試驗(yàn)可較容易地獲取風(fēng)帆相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)，具有觀測(cè)方便和試驗(yàn)可行性高等特點(diǎn)，因而受到較多學(xué)者青睞。BOT等在奧克蘭大學(xué)的一個(gè)風(fēng)洞中，獲取了剛性非對(duì)稱(chēng) Spinnaker 帆的1/15縮比模型的壓力分布，并與在柔軟風(fēng)帆上測(cè)得的壓力參數(shù)進(jìn)行了討論和比較，同時(shí)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較。在該試驗(yàn)中，風(fēng)帆模型是自帶有壓力槽夾層結(jié)構(gòu)的新型剛性風(fēng)帆，并使用新型的測(cè)量和試驗(yàn)方式，取得了較好的試驗(yàn)效果。

鑒于主帆和前帆間的相互作用對(duì)帆船的行為和風(fēng)帆的性能具有不可忽視的影響，YOO等在韓國(guó)忠南國(guó)立大學(xué)的風(fēng)洞中以纖維玻璃增強(qiáng)塑料（FRP）制成的1/9風(fēng)帆縮比模型為試驗(yàn)對(duì)象，測(cè)量了作用于風(fēng)帆系統(tǒng)的氣動(dòng)力參數(shù)，如圖6所示。

圖6 模型在風(fēng)洞中航行

通過(guò)將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到以下研究結(jié)論：兩帆的組合所產(chǎn)生的升力大于各帆單獨(dú)產(chǎn)生的升力之和，而兩帆之間的間隙距離是決定總升力和推力的重要因素。GHELARDI等在風(fēng)洞內(nèi)對(duì)一種方形風(fēng)帆進(jìn)行簡(jiǎn)化的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)該風(fēng)帆在具有均勻氣流的風(fēng)洞內(nèi)發(fā)生了大變形；通過(guò)不同速度下所測(cè)得的風(fēng)帆的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法對(duì)這類(lèi)問(wèn)題的預(yù)測(cè)能力和有效性。此外，該試驗(yàn)還通過(guò)對(duì)帆布進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)，得到了相應(yīng)的楊氏模量、剪切模量以及泊松系數(shù)；然后，將這些數(shù)據(jù)用作數(shù)值分析的輸入?yún)?shù)，有效提高了數(shù)值結(jié)果的精確度。風(fēng)洞試驗(yàn)可保證不同風(fēng)速和風(fēng)角度下氣流的均勻性和平穩(wěn)性，增強(qiáng)了試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。AUBIN等通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)研究了不同風(fēng)工況下，前緣撲翼對(duì)旋翼床氣動(dòng)性能的影響。在測(cè)量工具方面，SMITH等在諾丁漢大學(xué)的風(fēng)洞中通過(guò)立體攝影測(cè)量的方式捕捉近距離非對(duì)稱(chēng)Spinnaker帆的形狀，證明了攝影測(cè)量是根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果創(chuàng)建基準(zhǔn)模型的可靠途徑。

3 結(jié) 語(yǔ)

當(dāng)前，學(xué)者們?cè)跀?shù)值模擬和試驗(yàn)方法兩方面對(duì)船用風(fēng)帆流固耦合問(wèn)題進(jìn)行了較多深入的研究。研究成果及后期展望可概括如下：

（1）在流體分析數(shù)值方法方面

針對(duì)空氣流場(chǎng)分析的流體求解器有黏性流求解器和無(wú)黏流求解器兩類(lèi)，在使用時(shí)各有優(yōu)缺點(diǎn)，今后需對(duì)如何根據(jù)實(shí)際情況選取合適的流體求解器開(kāi)展進(jìn)一步探索。

（2）在結(jié)構(gòu)分析數(shù)值方法方面

當(dāng)前普遍采用有限元方法求解風(fēng)帆的結(jié)構(gòu)變形問(wèn)題。隨著新型纖維材質(zhì)風(fēng)帆使用力度的加大，針對(duì)風(fēng)帆大變形、強(qiáng)非線(xiàn)性力學(xué)行為，今后在風(fēng)帆有限單元類(lèi)型以及材料模型的選取方面需進(jìn)行更多的研究。

（3）在流固耦合數(shù)值模型方面

實(shí)現(xiàn)風(fēng)帆流固耦合特性的高精度模擬仍是一個(gè)具有很強(qiáng)挑戰(zhàn)性的工作。對(duì)于風(fēng)帆這類(lèi)柔性材質(zhì)而言，空氣流場(chǎng)與風(fēng)帆變形間存在顯著的強(qiáng)耦合非線(xiàn)性行為，如何改進(jìn)整體式和強(qiáng)耦合分離式耦合方法的收斂性是很值得探討的課題。

（4）在流固耦合試驗(yàn)研究方面

對(duì)于風(fēng)帆的非穩(wěn)態(tài)行為，全尺寸風(fēng)帆試驗(yàn)是更理想的選擇。然而，今后需在如何降低全尺寸風(fēng)帆的試驗(yàn)成本以及提高目標(biāo)參數(shù)的測(cè)量精度方面進(jìn)行進(jìn)一步研究。風(fēng)洞縮比模型試驗(yàn)在驗(yàn)證流固耦合數(shù)值模擬方法的有效性方面具有較大優(yōu)勢(shì)。但是，即使縮比模型滿(mǎn)足相似原理，實(shí)物與模型表面粗糙程度的不同等潛在因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響以及對(duì)試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的合理檢驗(yàn)是值得重視的問(wèn)題。