案例解析|滑雪运动员空气阻力分析

分析对象如下图所示：

BoundingBox尺寸:

风产生力的方法有两种:

       压力：由物体的两个相对侧之间的压力差产生。它是垂直于表面推动或拉动的所有局部力的总和。

       摩擦力：由于风在物体表面上滑动而产生。它是平行于表面的所有局部摩擦力的总和。

       风在物体上产生的力有三个分量:

       Fx –阻力: 风的沿途方向

       Fy–侧向力: 水平垂直于风向

       Fz–升力:竖直垂直风向

注意：

负值表示沿与下图所示箭头相反的方向作用的力。

原始坐标系：原始3D文件提供的原点位置和轴方向。

参考坐标系（如下图所示）：

原点设置为对象的中心，轴与空气矢量对齐。

根据3D模型中定义的全局坐标系计算力矩。力矩也具有摩擦力和压力分量，围绕X，Y和Z轴计算结果如下表所示。

阻力系数

阻力或空气阻力是空气对运动物体的阻碍力。它由压力阻力（表面法向推/拉力）和摩擦阻力（在表面上滑动）组成。在大多数情况下，压力阻力占主导地位。

阻力系数是无量纲量，表示物体在其介质中移动时的空气动力学阻力。 它的定义如下：

下面的比例说明了典型的Cd值（NASA和维基百科）。流线型的物体将具有较低的Cd，流线型较差物体将具有较高的Cd，本项目的Cd值区域如下所示：

注意：这是一个指示性数字，主要用做区分概念。

通过近似阻力系数，物体上的实际拖曳力Fd以及推动它所需的功率可根据以下公式计算：

本项目中,力和功率曲线如下所示：

注意：此曲线是基于模拟风速的外推估算，

要获得外推速度下更精确的值，请对该速度工况进行模拟。

       低压区域的压力低于当地环境压力。这些区域通常是由形状的突然变化引起的，最明显的是横截面或表面几何形状的突然变化。可对其平滑处理以降低阻力。通过总压力系数等值面图，可以了解哪些几何特征导致较大阻力。

总压系数等值面云图如下所示：

总压力系数等值面云图（a）

总压力系数等值面云图（b）

空气撞击物体，这会产生超压。当空气完全停止（相对于物体）时，例如在火箭的尖端处达到最高压力。它被称为停滞点该位置的压力是停滞压力。

朝前表面与流动方向越垂直，它就越有可能产生超压并因此产生阻力。同样，受负压影响向后的表面将向后拉动物体，再次产生阻力。尝试通过在峰值位置平滑表面，在关键位置过渡处理等来减少阻力，从而减少超压和负压峰值。

表面压力云图（a）

表面压力云图（b）

表面压力云图（c）

表面压力云图本身并不能说明全部情况，要深入了解对阻力产生，表面需要考虑:正向曲面(面向风方向)与正压力，或后表面(背风面)与负压力产生阻力。正向曲面与负压力,或后表面与正压力较小阻力。

延风方向压力云图如下图所示，可以清楚观测到滑雪运动员哪些部分产生阻力，哪些部位减少阻力。

延风方向压力云图（a）

延风方向压力云图（b）

延风方向压力云图（c）

摩擦阻力是由空气滑过表面引起的。沿着表面空气速度与摩擦力成正比。光滑表面(例如低粗糙度的涂层)可以有效减少摩擦阻力。

下图显示了摩擦阻力。虽然摩擦阻力在总阻力中占比较小，但值得尝试去降低它，以提升速度。

下图中还显示了表面流线，表面流线展示了空气在表面移动时的轨迹。通过表面流线可知风脱离表面发生的位置:只要流体能够沿着表面流动(附着流动)，如图中较直的流线，且与之相关的剪切力变化(颜色从绿色到红色)；一旦流体脱离，它就会开始旋转(卷曲的流线)，并相对于表面移动缓慢(较低的剪切力-颜色变为蓝色)。为了优化表面气流，观察这些分离点，并尝试过渡和平滑角度。

表面剪切力云图（a）

表面剪切力云图（b）

表面剪切力云图（c）

了解风吹过物体的方式是优化设计的基础。通过流线轨迹，可知哪些区域为层流区(稳定流线)，哪些为湍流区域(旋涡流线)。由于物体表面的“负角”过大，或由于物体表面的几何扰动，气流无法沿物体表面流动时，常发生从层流到湍流的过渡，这叫做分离。在大多数情况下，分离会增加阻力。

另外可以观测流线聚合和扩散 (流线的疏密程度)。由于小于0.3马赫的空气被认为是不可压缩的，所以当流域截面变窄时，空气速度增大。由于几何形状/横截面的变化，空气的加速和减速可能再次产生阻力。通过平滑这些几何/截面的变化，可以减缓速度的变化，从而减少阻力。

横向和纵向流线如下图所示：

纵向流线（a）

纵向流线（b）

纵向流线（c）

纵向流线（d）

横向流线（a）

横向流线（b）

噪声仿真分析是一门先进的工程技术，且分析过程较为复杂及分析费用昂贵。因此，通过引入了更简单的模型(“声学类比”)来获得局部噪声产生的粗略估计，已达到判断噪音源及优化设计，显得更经济实用。
      为了减少设计中的噪声产生，可通过下图查找“噪声云”的来源。一般情况下，噪音是在气流受到干扰的位置下游产生的。平滑表面、避免空腔和外延部件可以有效减少噪音的产生。

噪音云图（a）

噪音云图（b）

噪音云图（c）

【陆友所思】

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