CC BY
264
ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ CFD-МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СПОРТИВНОГО ИНВЕНТАРЯ В ГРЕБЛЕ НА БАЙДАРКАХ И КАНОЭ
А.А. ПОМЕРАНЦЕВ, Липецкий государственный педагогический университет
Аннотация
Международная федерация гребли (ICF) устанавливает ряд ограничений на конструкцию лодок различных классов, в частности на их минимальный вес и максимальную длину, в то же время форма безуключенных вёсел ничем не ограничивается. Данные правила стимулируют разработчиков и производителей использовать новейшие технологии для создания лодок с наименьшим гидродинамическим сопротивлением и конструирования вёсел оптимальной формы. Научно-технический прогресс позволяет тренеру подбирать спортивный инвентарь из большого числа моделей различных производителей с учетом индивидуальных особенностей спортсмена. Цель статьи - показать возможность использования CFD-технологий для разработки и тестирования спортивного инвентаря в гребле на байдарках и каноэ.
Ключевые слова: гребля, весло, моделирование.
Abstract
International Canoe Federation (ICF) establishes a number of restrictions on the construction of different classes boats, particular their minimal weight and maximum length, as the form paddles is not restricted. These rules encourage developers and manufacturers to use the most up-to-date technologies to create boats with least hydrodynamic resistance and paddles of optimal form. Scientific-technical progress makes it possible for the coach to select the sports equipment among the large number of models of different manufacturers based individual peculiarities of the athletes. Purpose of the article is to show the possibility of using CFD-technologies both for developing and for testing of sports equipment in canoeing.
Key words: canoeing, paddle, simulation.
История создания и применения CFD-технологий
Технология CFD (англ. Computational fluid dynamics) - это совокупность физических, математических и численных методов, предназначенных для вычисления характеристик потоковых процессов. В русском языке часто используется термин «Вычислительная аэро-и гидродинамика». Данный метод моделирования имеет широчайшие возможности для анализа полученных данных во многом благодаря цветовому представлению результатов расчета.
Прогресс компьютерных технологий в аэро- и гидродинамике позволяет считать виртуальный вычислительный эксперимент полноценной заменой натуральных физических опытов, проводимых в аэродинамической трубе, а полученная информация способствует пониманию и осмыслению физических процессов [2].
Время начала разработок технологий CFD-моде-лирования приходится на начало 80-х годов XX в. Благодаря универсальности программ они нашли широкое применение в различных научных областях и промышленном использовании.
CFD-модели позволяют решать самые разнообразные задачи - от обтекания крыла самолета до горения в коксовых печах, от производства стекла до движения крови по сосудам и т.п. CFD-моделирование используют многие известные компании в авиа- и автомобилестроении для моделирования воздействующих на фюзеляж и кузов
аэродинамических сил. Программы моделирования потоковых процессов являются высокотехнологичным продуктом, их создание потребовало более тысячи человеко-лет высококвалифицированного труда программистов из различных стран мира [2].
В настоящее время наиболее распространенными программами являются: Ansis, Abaqus, Adapco, FlowVision, Fluent, OpenFoam, имеющие различные модификации от обучения до промышленного использования. В основе алгоритма большинства программ лежит метод конечных элементов [14].
Всё большее применение эти разработки находят в сфере спорта [8, 9, 11, 12, 13].
Актуальность применения CFD-технологий
разработчиками, учеными и специалистами в области спорта
Огромное значение в гребле на байдарках и каноэ имеет качество спортивного инвентаря. Разница в гидродинамическом сопротивлении в доли процента на уровне крупных международных соревнований способна существенно изменить расклад сил на финише [6].
В нашей стране подавляющее большинство исследований гидродинамических характеристик вёсел и лодок относятся к 70-80-м годам прошлого века [1, 7], когда основным материалом для изготовления спортивного инвентаря были ценные породы древесины (рис. 1, б).
За прошедшие годы произошли значительные изменения в конструкции инвентаря, и, как следствие, скорости байдарочников и каноистов существенно возросли.
Современные технологии создания вёсел и лодок, основанные на использовании стекло- и углепластиков, открывают практически безграничные возможности для их совершенствования (рис. 1).
Рис. 1. Различные формы лопастей для гребли
на байдарках: а - современная модель]апЬех ЕеЬ/ (углепластик); б - модели 80-х годов: лиминат, струер, каунас (дерево)
Научно-технический прогресс и новые технологии привели к появлению принципиально новых форм, отличительными признаками которых являются (рис. 1, а):
- ковшеобразность;
- скрученность вокруг продольной оси;
- крыловидный поперечный профиль;
- отклонение лопасти от продолжения линии цевья (увеличенный угол атаки).
Линейные размеры весла, гидродинамические коэффициенты подъемной и лобовой сил имеют определяющее значение для биомеханических (как линейных, так и угловых) характеристик выполнения гребка. От специфики модели весла зависят скорость проводки, сила и момент силы гребка, углы между лопастью и поверхностью воды в различных фазах. Таким образом, прогресс спортивного инвентаря непосредственно влияет на технику выполнения гребка.
Гребной спорт XXI в. отличается широким разнообразием спортивного инвентаря, в котором и тренеру, и спортсмену разобраться достаточно сложно. В подавляющем большинстве случаев система подбора и лодки, и весла носит интуитивно-эмпирический характер.
Применение CFD в разработке и исследования гребного инвентаря
Производители спортивного инвентаря для сохранения конкурентоспособности своей продукции вынуждены использовать самые современные возможности компьютерного моделирования. Модельный ряд непрерывно обновляется вместе с совершенствованием прикладных программ и компьютерных мощностей.
Начиная с 1998 г. компания Р1а81ех - один из лидеров по производству спортивного инвентаря для гребли на байдарках и каноэ, активно сотрудничает с Институтом гидродинамики (Гданьск, Польша). Это позволяет регулярно выпускать более совершенные модели байдарок и каноэ во многом благодаря применению технологий СББ-моделирования [5].
Производители отмечают, что СББ-технологии позволяют получить большой объем достоверных данных в сравнительно короткий отрезок времени. Визуальные результаты исследования позволяют наглядно продемонстрировать физический процесс обтекания весла или лодки потоком. Разработчики предпочитают сочетать СББ-моделирование с натуральными опытами в экспериментальном бассейне. Хотя есть работы, которые говорят о возможности полной замены натурального эксперимента СББ-моделированием при тестировании гребного инвентаря без каких-либо существенных погрешностей.
Использование СББ-технологий значительно сокращает сроки разработки и снижает стоимость продукции, повышая ее качество. Это уменьшает количество натуральных экспериментов в бассейне с обязательным тестированием натуральных форм. СББ-технологии существенно ускоряют прогресс спортивного инвентаря в гребных видах спорта.
Вместе с тем производители не делятся с пользователями спортивного инвентаря полной информацией о гидродинамических особенностях различных лопастей и лодок, возможно, ввиду сложности понятий или сознательно скрывая их технические характеристики от конкурентов. Например, компании-производители указывают всего несколько параметров для своих вёсел: ширину, длину, вес и площадь лопасти [3, 4, 5]. Такой информации явно недостаточно для сравнения спортивного инвентаря и правильного выбора.
Пример CFD-моделирования и анализ полученных результатов
В качестве примера использования СББ-технологий для анализа гидродинамических характеристик нами было взято весло Jantex 2010 г. выпуска. Компьютерное моделирование использовалось для установления распределения давления по поверхности лопасти, особенностей потока вокруг весла, определения значений и векторов возникающих гидродинамических сил, а также фиксирования гидродинамических коэффициентов.
Виртуальная модель строилась на принципе обратимости движения: для решения данной задачи не имеет значения, движется ли лопасть в покоящейся жидкости или поток набегает на неподвижную лопасть.
Моделирование обтекания потоком лопасти сводится к последовательному выполнению 3-х операций (рис. 2-3):
1) построение 3Б-моделей лопасти и экспериментального канала;
2) определение физических свойств лопасти и жидкости в канале;
3) моделирование обтекания жидкостью лопасти.
Первоначальная форма (геометрическая модель)
может создаваться как при помощи 3Б-моделирования с применением различных инженерных программ (если форма лопасти существует только в виде идеи), так и с помощью 3Б-сканирования объекта. Например, компания Р1а81ех использует 3Б-моделирование для
а
б
в
Рис. 2. ОГВ-моделирование обтекания лопасти (I): а - «облако точек» для реконструкции лопасти; б - ЗВ-реконструкция лопасти; в - 3В-модель лопасти в смоделированном экспериментальном канале
создания новых моделей лодок и 3Б-сканирование для анализа моделей других компаний [8].
Первый подход предполагает, что 3Б-модель объекта сложной формы строится на основании множества точек, задаваемых в координатах х, у, г (рис. 2, а). Далее точки соединяются линиями, в итоге образуя единый объем (рис. 2, б, в). Важно, чтобы количество вводимых точек было достаточным для описания формы лопасти без существенных погрешностей.
Лопасть и стены канала моделировались с допущением, что они являются абсолютно твердым телом, лишенным деформации. Линейные размеры канала составляли: длина - 2000 мм, ширина - 1000 мм, глубина - 1000 мм.
Рис. 3. ОГВ-моделирование обтекания лопасти (II): а - объемная модель лопасти в канале с расчетной сеткой; б - результаты расчета, линии распределения давления в 2-х изоплоскостях; в - результаты расчета, области распределения давления в 2-х изоплоскостях
Моделируемая лопасть располагалась на расстоянии 600 мм от начала канала и 1400 мм до выхода потока. Такое расположение объясняется необходимостью проследить искажение потока вследствие его столкновения с неподвижным препятствием в виде лопасти. Между лопастью и краем канала с 2-х сторон оставалось расстояние около 400 мм. Расстояние от крайней нижней точки лопасти и дном канала составляло 330 мм. Движение жидкости моделировалось сеткой из 650 000 четырехгранников с использованием к-е модели турбулентности. Поток жидкости моделировался с заданной постоянной скоростью на входе в канал и выходе из него - 1 м/с, что часто соответствует скорости лопасти в воде при гребле. Направление течения жидкости совпадало с осью 2 при моделировании. Стены канала и поверхность лопасти моделировались с условием сопротивления, т.е. скорость воды в непосредственной близости к ним стремилась к нулю. Вода рассматривалась как ньютоновская жидкость с температурой t = 20°С, имеющая плотностью - р = 1000 кг/м3 и динамическую вязкость ^ = 0,001 Н • с/м2. Характеристики потока в каждом элементе рассчитывались в соответствии с уравнениями Навье - Стокса в декартовой системе координат. Сходимость решения достигалась после 50 итераций.
Моделирование обтекания лопасти потоком воды с применением СРБ-технологий значительно расширило понимание его гидродинамических особенностей (см. таблицу).
Численный виртуальный эксперимент позволил точно оценить возникающие гидродинамические силы и определить его гидродинамические коэффициенты.
Цветовое представление результатов расчета сделало возможным наглядное представление особенностей движения потока вокруг лопасти (рис. 3, б, в).
Таблица параметров и характеристик исследуемой лопасти
Длина лопасти, м* 0,520
Ширина лопасти, м* 0,170
Площадь лопасти, м** 0,082
Величина силы лобового сопротивления, Н** 249
Величина подъемной силы, Н** 35
Коэффициент лобового сопротивления** 6,07
Коэффициент подъемной силы** 0,85
Максимальное давление на лопасть, Па** 2550
Место расположения центра давления (пропорционально общей длине лопасти от ее крайней точки), м** 0,51
Момент силы, Нм** 86
* По данным сайта производителя лопасти [4]. ** Данные, полученные путем CFD-моделирования.
Каждый производитель спортивного инвентаря заинтересован в продвижении и реализации своей продукции, а каждый тренер - в правильном подборе спортивного инвентаря и высоких спортивных результатах своего воспитанника. Метод СББ-моделирования позволяет скрупулезно оценить и сравнить свойства гребного инвентаря, а также выбрать наиболее подходящий.
Литература
1. Иссурин В.Б. Биомеханика гребли на байдарках и каноэ / под ред. В.М. Зациорского. - М.: Физкультура и спорт, 1986. - 112 с.
2. Официальный сайт компании ANSYS (www.ansys. com).
3. Официальный сайт компании Braca-sport (www. braca-sport.com).
4. Официальный сайт компании Jantex (www.jantex.
sk).
5. Официальный сайт компании Plastex (www.plastex-composite.com).
6. Померанцев А.А. Компьютерное моделирование -взаимодействие биомеханической гребной системы (БГС) со средой // На рубеже XXI века. Год 2004-й: научный альманах МГАФК. Том VI. Ред.-сост. В.Б. Ко-ренберг. - Малаховка: МГАФК, 2004. - С. 360-367.
7. Субботин Г.Н. Проектирование спортивных гребных судов // Гребной спорт: ежегодник. - М.: ФиС, 1975. - С. 37-39.
8. Bugalski T. Hydromechanics for development of sprint canoes for the Olympic games // Plastex: high performances print boats and paddles. - Gdansk, Poland, 2010. - 8 p.
9. Caplan N. & Gardner T.N. A fluid dynamic investigation of the Big Blade and Macon oar blade designs in rowing propulsion // Journal of Sports Sciences, 25, 2007. -P. 643-650.
10. International Canoe Federation (2009). Canoe sprint competition rules 2009/ Lausanne: International Canoe Federation.
11. Lazauskas L, Winters J. Hydrodynamic Drag of Some Small Sprint Kayaks The University of Adelaide, Australia and Dept. Applied Mathematics Technical Report LW9701 30 October 1997, Australia.
12. Ritchie A.C. Effect of oar design on the efficiency of the rowing stroke / In F.K. Fuss, A. Subic & S. Ujihashi (eds.) // The impact of technology on sport II. - London: Taylor and Francis, 2008. - P. 509-512.
13. Ritchie A.L. & Selamat M.F. Comparison of blade designs in paddle sports // Sports Technology, 3:2. London,UK, 2010. - P. 141-149.
14. Versteeg H.K., Malalasekera W. An introduction to computational fluid dynamics: the finite volume method. Edinburg, UK : Pearson, 2007. - 495 p.
References
1. Issurin V.B. Biomechanics of canoeing / ed. by V.M. Za-tziorsky. - M.: Fizkultura i sport, 1986. - 112 p.
2. ANSYS official site (www.ansys.com).
3. Braca-sport official site (www.braca-sport.com).
4. Jantex official site (www.jantex.sk).
5. Plastex official site (www.plastex-composite.com).
6. Pomerantsev A.A. Computer modeling of interaction between biomechanical rowing system and environment //
Na rubezhe XXI veka. God 2004: nauchny almanakh MGAFK / ed. by V. B. Korenberg. - Malakhovka: MGAFK, 2004. - P. 360-367.
7. Subbotin G.N. Design of rowing vessels // Grebnoi sport: ezhegodnik. - M.: FiS, 1975. - P. 37-39.
