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  船帆的设计原理         
船帆的设计原理
[ 作者:佚名    转贴自:http://www.2008sailing.org/Article/200703/20070328222015.html    点击数:236    更新时间:2010/2/25    文章录入:yuanyuan ]
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为了理解帆的理论,熟悉以下两主题很重要,即升力和气流。

 

 

升力是推动船移动的力。而帆上的气流则形成这升力。这些气流也形成使船减速的阻力

 

 

Lift升力

 

 

与普遍看法不同,帆不是仅仅由风向前推它。你以前想过帆船是怎样在风中行进这个问题吗?如果帆只是由风推它帆船是不可能移动的。

  

帆像机翼一样 ,当气流经过帆的表面时,它改变这些气流的形状

 

  

气流形状的改变带来其他效果,例如气流压力和方向的改变。请看图一的拱形图的上端,你会看到上端气流经过的距离比下端长。如果这两股气流需要在同一时间到达拱形的后端,需要怎么做呢?那就是上端气流需要流动地比下端的快。

 

 

当气流在上端流动的越快,就会出现“伯努利效应”这种现象。即速度增加,压力下降,更多气流进入上端。

 

 

逆风,顺风

 

 

以上的和接下来的讨论是针对逆风而行的帆船。当船顺风行驶,很多情况就发生变化了。例如利用风的方式。当顺风行驶,风是对帆推着的。

 

帆的吃水

 

 

帆是利用其拱形推动船行使。为了在不同的情况下船的速度达到最大,你必须调整拱形的深度。这个深度被称为帆的吃水。通过帆的调整去改变深度的大小和位置。因为深度最佳的位置和大小随风和水的情况而变化,所以深度的大小和位置改变很重要。

 

 

帆的吃水位置:帆的吃水位置应该处在拱形的前半部分并且离中间不要太远。

 

 

大小:一般说来,吃水越大,帆产生的动力也越大。一个大的吃水就像汽车的一档。一个扁平的帆就像汽车五档,帆想得到更大的速度就得更高指向风,而且需要花费更长的时间去加速。

 

 

帆的切割

 

 

一片片扁平的布怎样转变为机翼那样的形状的?帆是由一片片扁平的布缝制在一起形成的。下面是两种把面版连接在一起形成一个带有拱形的帆的基本方法

 

  

第一种方法是按照在前帆边处一条曲线去缝制成扁平的帆。激光帆就是这个缝制的,大多数滑浪风帆也是这么缝制而成的,这是一种非常简单的缝制方法。

 

一旦帆插入桅杆,前帆边被变直,多出的部分必须分布到别处,进入到帆主体部分从而形成吃水。

  

 

第二种方法是宽缝合。面版本身的连接边切割成曲线,把这些曲线边缝合起来就产生吃水了。大多数小舢板和龙骨船的帆就是这么缝制而成的。

  

 

当把帆放到地面上,你会注意到它不是扁平,与激光帆相反。一旦他们安装在桅杆上,效果大部分是一样的,即在帆的中部有一条曲线或吃水线

 

,轻风 <风速小于3/>

  

低风速没有高风速一样的能量,这点我们不难理解。当轻风触极帆,它将尽其所能流过帆,但是如果吃水太大,它就不能很快流过。保持帆是扁平的将帮助很低风速的风流过帆。当阵风与帆接触,就需要深度更大的帆。但是,假如气流非常稳定,帆的设置会使帆船在很长时间内越走越快。

  

中等风

 在和风中,遵循下面规则:“帆的深度越大,帆就越有动力,帆船速度越快”。在比赛前和比赛的当天你要根据你的经验做出怎样设置你的帆的决定。假如你在比赛途中,你发现你的帆船速度不错但是帆船没有你周围的帆船加速快,你就加大帆的深度。假如你的帆船加速很好,但是帆船不能达到最高速度,就把帆的深度变小。

 

大风

 

在大风中,帆出现受力过大,帆船随时会出现过大的倾斜,就会出现很多坏的事情。一个大的深度很容易使帆船出现过大的倾斜,因此需要把帆的深度变小。

 

附着流

  

升力是帆周围附着流和未附着流的产物。附着流是“粘”在帆上的平滑气流。由于逆风航行时附着流比未附着流产生更多的升力,所以附着流是我们非常想得到的。未附着流离开帆的时候会成小的涡状形

  

我们不能直接看到风是怎么作用的,但是我们可以做帮助风“粘”在帆上事情。例如:当风速低,由于帆深度太大使得风在帆上发生分离,我们就把帆深度变小从而帮助风附着在帆上,形成更多的升力。总的来说,当风做大的变向,它的分离就发生,例如深度特别大。

 气流发生分离处会出现在下面提到的另一情况,这种情况通过帆的调整去矫正

  

帆周围气流的另外一个产物是阻力,它会使帆船减速

 

 

帆船手熟悉下面两种基本阻力是很重要的。阻碍帆船前进这些力可以部分减少。为了知道他们的影响,知道他们是怎么形成的对帆船手很重要。

 

 摩擦和形阻力

  

摩擦阻力由则支索,帆的接缝和帆船手形成的。

  

诱导阻力

 在有飞机穿过云层的电影里。可以很容易看到飞机机翼末端有大的旋涡气流。

 

这种情况发生是高压区与低压区气流在机翼末端相汇的结果。很多空气和雾突然从高压则(迎风则)“漏”向低压则,由此产生大量旋涡气流。这些旋涡气流消耗很多能量

 

 有很多减少这种效果的办法,例如飞机机翼的末端用小的垂直小翼。对于船来说。有两处地方出现气流渗漏:帆的头部和底部。在90年初的一次“美洲杯”帆船赛中,帆船用了4英尺的帆杆。这样做的目的是减慢迎风面气流向背风面渗漏,这样就减少了诱导阻力的产生。

  

还有其他更合理的解决这个的问题的方案。例如,现在的帆板运动员,他的帆具有高速性能,帆可以一直向后倾斜。这就减小了帆与帆板之间的距离,把帆板作为“端面[末端]板”去阻止气流就像飞机机身对机翼的作用。另外一个例子是“甲板清扫夫”头帆,它与帆船甲板距离很近。“甲板清扫夫”头帆在大多数现代的单桅帆船上被普遍使用。

 

以上这些方案都没有涉及帆的顶部气流渗漏的问题。这个问题至今没有办法解决

  

帆的后缘

 

帆的后缘(后帆边)是另外一个形成涡流和消耗能量的地方。为了防止风得到能量和不成旋涡状就得给风一个平滑的出口。下面两种方式会使风涡流和消耗能量:1:帆的吃水位置太*后,将使得风在离开帆前出现大的转向;2帆的后帆边向内弯曲太多。

  

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 直线驶舵和帆的操作技术

    舵在帆船航行时的作用很关键,通常在迎风直线驶的操作中,在保持最佳的风向角,舵在正常调整时,摆动幅度要尽量小,调整频率要根据航向及帆的受力情况而定。调整舵要有提前量,不能等到事情已发生后再作出调整。没有特殊的情况,决不能出现过猛的、大幅度的摆动舵的现象。如果对舵的调整过于死板,调整次数较少,就很难保持船行驶的最佳状态。在直线行驶中,要保持船的最佳状态,舵的调整起到很重要的作用。
   帆是帆船行驶的发动机,帆的最佳受风状态可使帆发挥出最大能量,使船的速度达到最快。在迎风直线驶中,帆的最佳受风状态是通过帆前边向后10-20厘米处的气流线和帆后缘边上的气流线飘动状态来判断,帆前缘的气流线和上、下风气流线都向后飘动为最佳状态。如果上风的气流线乱飘动,这是帆过松;下风气流线乱飘,这是帆过紧。帆后缘的气流线向后飘,这是最佳。如果气流线向上风飘动,帆过松;气流线向下风飘动,帆过紧。
   在操作主帆时,主帆的夹绳器绝不能夹住缭绳不动,因此应时刻调整,保持帆的受风在最佳范围内。在迎风直线驶时,主缭的调整非常重要,调整范围也增大,有时可能增大到20厘米。舵与帆的密切配合是非常重要的,船员要一手操主帆缭绳,一手扣舵柄,两手的动作一定要协调,要做到推舵时收帆,拉舵时松帆。

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