SOLIDWORKS Flow Simulation：分析羽毛球的空气动力学

文章来源：SOLIDWORKS代理商-卓盛信息

羽毛球是一项流行的球拍运动，与许多其他用球进行的球拍运动不同，这项运动中的运动员使用羽毛球。它们的独特之处在于它们可以实现比其他项目更高的速度。此外，由于空气动力阻力更大，副翼制动速度更快。这是由于它们的外观，同时对飞行轨迹有重大影响。

在现代羽毛球比赛中，使用两种羽毛球：羽毛球和尼龙球，通常被称为合成或塑料。传统的羽毛球通常由从一根鹅翅中选出的十六根羽毛制成。但由于其耐用性较差（比赛期间，一场比赛使用了27个羽毛球），制造商开始生产合成羽毛球，其特点是使用寿命较长，但在飞行过程中变形较多。这导致它们的空气动力特性和飞行轨迹存在差异。如今，羽毛球成为职业羽毛球运动的首选。江苏SOLIDWORKS

两种类型的飞镖具有相似的重量分布。软木塞比身体的其他部分重得多。因此，所有副翼倾向于沿运动方向排列。飞行中最稳定和占主导地位的副翼配置是零迎角，轴向运动方向。

不同类型的羽毛球之间的飞行差异从何而来？羽毛球的外观又是如何形成的？为了找到这个问题的答案，应该进行风洞实验研究或数值模拟。SOLIDWORKS Flow Simulation 软件允许您创建空气动力学仿真。

假设

在下面的文章中，我将介绍三种不同类型副翼在稳定状态下的模拟。第一个羽毛球将由鹅毛制成，第二个羽毛球将是塑料羽毛球，第三个羽毛球将是几何形状没有孔的羽毛球。所研究的几何形状的外观如下所示。每个飞镖具有完全相同的直径（70 毫米）和相同的长度（85 毫米）。

图1测试模型。从左至右依次为：羽毛球、塑料球、侧壁无孔球

在每次模拟中，我假设航天飞机沿其对称轴以50 m/s 的速度移动。此外，各处都使用相同的计算域，从副翼头前面 150 毫米开始，到副翼头后面 650 毫米结束。SOLIDWORKS价格

图2计算域

此外，选择具有默认属性的空气作为流体。

为了更好地捕捉所有物理现象，使用了初始化级别为4 的自动网格。此外，选择了“高级通道重发”选项。此外，为整个几何体分配了一个局部网格，其中“精炼流体单元级别”等于4。网格可以进一步细化，但由于计算的长度，决定保留这样的网格。

图3生成的网格

然后定义计算目标。在这种情况下，它是气动阻力和根据以下方程定义的气动阻力系数值：
C x = 2F d / ρv 2 A

在哪里：

Fd – 气动阻力
ρ – 空气密度
v – 航天飞机速度
A – 航天飞机表面积，即 A = πD 2 / 4

对于这样设置的预处理参数，雷诺数等于230,000，并对所得结果进行了计算和分析。

分析所得结果

气动阻力系数的数值总结如下表

正如您所看到的，合成材料航天飞机的阻力系数值最高。这意味着这样的航天飞机将是所有航天飞机中制动速度最快的。因此，如果你想把球打到球场的另一边，你必须使用尽可能大的力量。Cx系数最低值为无孔梭。这意味着这样的航天飞机制动速度最慢。因此，应该得出结论，孔导致了系数值的增加。购买SOLIDWORKS

下一阶段是分析通过羽毛球对称轴的平面上的速度分布。下图显示了完全展开的流动的面内速度分量。对于羽毛球和合成羽毛球来说，羽毛球与湍流区域中的轴向流相关。这是通过镖体上的槽吸入周围空气的结果。此外，值得注意的是，在副翼下方，轴向喷流被一个移动相对缓慢的环形区域包围。无孔羽毛球的流动曲线完全不同。在这种情况下，壁之间的空气速度为零。对称轴本身的流动与大的再循环面积相关。

图4沿副翼轴线的速度分布

下图中的环形区域非常清晰可见。结果可见的平面靠近省道几何形状的末端。

图5羽毛球上的速度分布

图6塑料梭上的速度分布

此外，还关注相对压力的分布。正如您所看到的，航天飞机内部的压力比其外壁上的压力低得多。这意味着羽毛球在飞行过程中会改变形状。它的尺寸将会减小。此外，压力之间的差异将导致阻力。压力差越大，阻力越大。

图7副翼壁压力分布

下一步是呈现流线的轨迹。以羽毛制成的羽毛球为例，您可以看到气流轨迹在羽毛球后面旋转，这是由于流体获得了相当大的切向速度。这导致羽毛附近产生高流动涡度。这样的事情会增加阻力。当检查塑料制成的梭子时，您可以看到空气管路没有汇聚到中心，这在没有孔的梭子的情况下是可见的。这让我们可以断言，用这种方法制作的羽毛球将提供更大的阻力。

而且，您可以看到，在穿过航天飞机的其余部分后，速度值发生了变化。这意味着羽毛或塑料网造成了阻力。梭头仅承担总阻力的11%。

图8气流轨迹

下图显示了无孔梭的情况下出现的再循环区。

图9副翼无孔再循环区

正如你所看到的，羽毛球的运动过程相当复杂。对于羽毛和塑料模型，周围的空气通过几何体本身的孔被吸入梭芯。航天飞机本身内部的流动由相对较快的射流组成，该射流被移动速度慢得多的环形区域包围。SOLIDWORKS官网

SOLIDWORKS Flow Simulation 软件允许您得出这些和其他结论，从而使您能够以非常简单直观的方式执行与数值流体动力学相关的模拟。

一如以往，谢谢阅读，快乐阳光！——SOLIDWORKS代理商（SOLIDWORKS 2024）