如何借助仿真改进划桨方法

2015年 9月 8日

要在划船比赛中具有竞争力,需要桨手们具有强健的身体、争分夺秒的时间观念、协调一致的动作,以及相互配合的精神。一开始,这听上去似乎很容易。无非是把船桨伸到水中,再用力向后划水,船就能向前移动了。而事实证明,针对不同的情况,实际上可以使用很多不同的划桨动作。

划桨过程中对抗强风

划艇运动是我的一大爱好。事实上,我过去常在波士顿美丽的查尔斯河上参加划龙舟比赛。如果您在晴朗的夏日来到这个美丽的城市,我强烈建议您租一条木舟,沿河划船

在查尔斯河上一享划龙舟的乐趣。
在查尔斯河上一享划龙舟的乐趣。

不过,波士顿的天气变化莫测。当您开始划着小船顺流而下时可能还风平浪静,一转眼就可能刮起大风,把您的划艇吹得东倒西歪。您每次举起船桨时都能感受到风的阻力。在您向前摆动船桨时,就会冲击到被风掀起的小浪的波峰。遇到这种情况,免不了会打湿衣服,更糟糕的是,还会让船身失去平衡。如此一来,要换成哪种划桨动作才能摆脱这种困境呢?

富有经验的桨手可能会开始使用印第安划法,也称为加拿大钩形划法,这是众多划艇桨法中的一种。它是典型动力冲程中向后移动船桨的划法。这种方式不需要把船桨抽出水面,桨手通过转动桨柄,使桨叶在回程中与行驶方向平行。

说到印第安划法的优点,这里做了很好的演示,即在于桨叶绝不会暴露在风中,因此不会冲击任何波峰。由于这种划法适合在速度较慢时采用,因此很少用于比赛中。这种方式要求能够强有力地控制船桨,并且非常了解如何在对水移动中划动桨叶。

借助 COMSOL Multiphysics,您可以对划桨动作进行分析并做出改进。我们将向您展示分析原理。

使用 COMSOL Multiphysics 为划桨动作建模

让我们把问题变得简单一些。我们要考虑的是一种简化的划桨动作,然后在二维平面上建模。尽管我们假设在 z 方向(水深)没有变化,但我们可以从这里开始做进一步思考。待研究的模型由一个填满水的矩形流体域组成。该示例包括一个舟状图样和一个表示船桨的矩形图样。

要建模的船桨沿已知路径来回移动、并绕自己的中心旋转。我们可以根据已知的平移和旋转运动来指定桨叶的流体速度。划艇壁的流体速度为零,且模型空间周围是开放的边界条件。

在 COMSOL Multiphysics 中模拟的划艇和划桨方法示意图。
建模域考虑了划艇附近船桨的平移和旋转运动。小船是从左向右移动。

在之前的博客中,我们强调了域的一般平移建模以及旋转和线性平移方法。 综合使用这些技巧可以对船桨的变形和旋转进行建模。以下动画演示了这些技巧,通过一个全冲程来显示网格。网格面可以相对于彼此进行滑动,但仍在这些不相连的网格界面之间保持解的连续性。


该动画描绘网格的移动情况。为便于说明,显示的网格非常稀疏。

由于现已完全定义桨叶的平移和旋转运动,此时只需解决一个问题:移动域上的 Navier-Stokes 方程。在本次分析中,我们假定这是层流。并且划艇非常重,无法移动。以下动画非常形象地演示了最初几次划桨的结果。


划桨过程中的流体流动。

尽管这是一个相对简化的案例,但您已经对桨叶周围的流型进行了可视化,您又会如何改进自己的划桨动作呢?在您确定最佳的划桨动作后,您甚至可能想要考虑就在波士顿加入一个极具竞争力的龙舟团队,或者在其他任何地方—这正是运用 COMSOL Multiphysics 建模技巧的一种健康而有趣的方式!

您还能想到适合使用这种方法的其他情形吗?我们非常乐意收到您的反馈。如果您有兴趣使用 COMSOL Multiphysics 为船桨建模,或将其用于其他形式的流体-结构相互作用,请联系我们

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