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帆船空气动力学
一、风帆船的运动
三个基本概念：真实风V 、相对风W 、航行风v
帆船运动航线
风帆帆与船的受力分析
结论
三个基本概念：真实风V 、相对风W 、航行风v
真实风V——离开帆船所看到的风速，也就是在岸杆和索具的影响
（三）空气动力的影响因素
1、展弦比λ
帆翼的展弦比λ对于风帆的空气动力性能有较大的影响。对于风帆其展弦比λ的定义为:
式中：Ln——风帆前缘的长度；
S——风帆面积。
（三）空气动力的影响因素
1、展弦比λ影响
一般来讲，展弦比增加，空气动力系数都会增加，升力系数会增加的更快些。因此为了获得较大的推力，应该选用较大展弦比的风帆。特别是前侧风时(θ＜90°)，大展弦比的风帆是比较有利的。但随着帆展弦比的增大，风压中心会增高，偏航力也会增加，就会引起帆艇倾斜角的增加，这就会影响帆艇的航行性能和艇的平衡。一般在风帆设计时，要综合考虑这两点来选择风帆，保证达到好的推力性能但又不会有大的侧斜角。～。对于主帆，展弦比平均为3～，～6，选择展弦比超过这个值是不适宜的。
（三）空气动力的影响因素
2、风帆拱度f
图2-3-10 拱度对空气动力性能的影响
（三）空气动力的影响因素
2、风帆拱度f影响
一般来讲，拱度f愈大，帆升力L也愈大。但帆的拱度的增加大，同样也会大大增加阻力D。所以在增加帆的拱度的时候，在增加升力同时，不仅只增大了推力，而且还增大了偏航力。可见具有大拱度的风帆，获得的不仅仅是大的推力，而且也获得了大的倾斜和偏航力。因此，帆的拱度在7%-13%之间为好。在弱风倾斜力矩不大时，为了获得大的推力，可以采用大的拱度；在强风时，为了维持艇的平衡，力求采用小的拱度。
（三）空气动力的影响因素
3、帆的平面形式
较好的帆的平面形式是椭园形或者是导园角的梯形。制造这样的帆和桅并且操作它将是很复杂的任务。
（三）空气动力的影响因素
4、阻力：摩擦阻力；形状阻力
帆的阻力由摩擦阻力和形状阻力的组成。帆的形状阻力在很大程度上取决于空气绕过风帆的流动，在帆的后部边界层发生分离，产生漩涡，压力降低，因而抵消不了帆的前部的压力，形成帆的前后压力差，从而形成帆的形状阻力。
（三）空气动力的影响因素
5、诱导阻力
帆的诱导阻力也是迎面阻力的一部分。它是由于在风帆端部，空气从高压区绕过端部向低压区绕流而引起的。要减小诱导阻力，一来可以增加风帆的长度，风帆愈长诱导阻力愈小，二来可以将帆的底部拉近船体，减小船体与帆的距离，这样可以有效地减少气流从高压区绕过端部进入低压区。如果在锐角航向时，减小诱导阻力就会增加帆的推力。
（三）空气动力的影响因素
6、桅杆和索具的影响
图2-3-11 桅杆对空气动力性能的影响
（三）空气动力的影响因素
6、桅杆和索具的影响
桅杆和帆的不同部件的相互影响，称做干扰，桅、驶风杆和其它部件影响帆，使其升力减少，这种是不利干扰，对于圆柱形桅杆，空气的绕流就不顺利了，在背风面方向出现分离，产生旋涡，这些旋涡大大恶化了风帆的工作，也就减小了它的升力。为了减小旋涡的形成，可以做成流线型的桅，竞赛帆艇经常具有可转动截面流线型的桅。
另外桅杆位置对风帆空气力的影响，完全类同于拱度比的影响，当桅杆移近帆面时，犹如减小有效拱度一样的效果，最大升力和最大阻力都随着桅杆向帆面不断靠近而减小。
（四）海面梯度风
假定在海平面上的同一个高度风速是常数，由于摩擦力阻止了气流的运动，因此风速在海平面上随高度的降低而下降。
（四）海面梯度风
图2-3-12 风速影响系数
（四）海面梯度风
在任何高度处相对风速W值是通过不断变化的真实风速度V和帆艇的行进速度v组成的速度三角形得到的。～2倍。由于沿着高度的风速是变化的也引起了推力和偏航力的变化。
帆艇的倾斜也影响帆的推力和偏航力，首先减少了在海平面风帆高度。也就引起在风帆上的压力减少，倾斜也减小风帆攻角α。也同样降低了风压力。同时看到，由于帆艇倾斜使风帆空气动力性质变坏并降低了帆艇行驶速度。
在通常情况下倾斜角很少大于8～10°，因此可以忽略倾斜对风帆工作的不利影响。
三、最佳帆角图及速度极图
（一）最佳帆角图
（二）帆船速度极图及其应用

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