標(biāo)槍氣動(dòng)力風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算

標(biāo)槍氣動(dòng)力風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算

標(biāo)準(zhǔn)武器是典型的薄身體，氣動(dòng)力對(duì)標(biāo)準(zhǔn)武器的飛行軌跡有極其顯著的影響。運(yùn)動(dòng)員在比賽時(shí),經(jīng)常遇到刮風(fēng)的天氣,在不同的風(fēng)向和風(fēng)速條件下,運(yùn)動(dòng)員如何控制標(biāo)槍投出較好成績,這在目前國內(nèi)、外的田徑教科書和文獻(xiàn)中很少有定量數(shù)據(jù)的報(bào)道。國際田聯(lián)決定于1999年4月1日起使用新規(guī)則女子標(biāo)槍,與舊槍相比,新規(guī)則女子標(biāo)槍的重心位置向槍尖方向移動(dòng)了3cm,因此對(duì)標(biāo)槍在有風(fēng)天氣下的飛行初始條件及飛行遠(yuǎn)度進(jìn)行研究是十分必要的。1學(xué)習(xí)方法1.1文獻(xiàn)研究查閱了自1978年以來國內(nèi)、外有關(guān)擲標(biāo)槍及投擲項(xiàng)目生物力學(xué)方面的各種文獻(xiàn)資料、教材和專著。1.2風(fēng)動(dòng)力風(fēng)場實(shí)驗(yàn)對(duì)3支男子標(biāo)槍(國產(chǎn)飛鹿、皇冠和瑞典SANDVIK牌各1支)和3支新規(guī)則女子標(biāo)槍(國產(chǎn)飛鹿、皇冠、天成牌)在航天部701所FD-09低速風(fēng)洞進(jìn)行了氣動(dòng)力風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)攻角為30°～40°。1.3仿真計(jì)算和分析方法本研究建立了標(biāo)槍在三維空間運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型,使用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的氣動(dòng)力數(shù)據(jù),對(duì)標(biāo)槍在不同飛行初始條件下的飛行軌跡進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算,并對(duì)不同風(fēng)速對(duì)標(biāo)槍飛行遠(yuǎn)度的影響進(jìn)行定量分析。在本研究中,假設(shè)標(biāo)槍為剛體,標(biāo)槍飛行的部分初始條件定義如下:V0:標(biāo)槍的初速度,為標(biāo)槍出手瞬間其質(zhì)心的速度。B0:出手角度,標(biāo)槍出手瞬間其質(zhì)心的速度方向與水平面的夾角。C0:標(biāo)槍的姿態(tài)角,標(biāo)槍出手瞬間其長軸方向與水平面的夾角。A0:初始攻角,為標(biāo)槍長軸與初速度方向之間的夾角,計(jì)算時(shí)取C0與B0之差。2分析與討論2.1模式2:風(fēng)對(duì)標(biāo)槍飛行軌跡的影響本研究使用符合最新規(guī)則的國產(chǎn)飛鹿、皇冠牌男女4支標(biāo)槍的氣動(dòng)力數(shù)據(jù),對(duì)標(biāo)槍在不同出手角度、初始攻角和不同風(fēng)速條件下的飛行遠(yuǎn)度進(jìn)行了模擬計(jì)算。圖1、圖2是飛鹿新規(guī)則女子標(biāo)槍在初速度V0為26m/s、出手角度B0為32°(女子運(yùn)動(dòng)員的最佳出手角度)和40°(標(biāo)槍的最佳出手角度)、風(fēng)速由-15m/s(逆風(fēng))～15m/s(順風(fēng))條件下標(biāo)槍的飛行遠(yuǎn)度。從圖1中可以看到,出手角度為32°、初始攻角為0°～-6°時(shí),如果有較小的逆風(fēng),飛鹿女槍的飛行遠(yuǎn)度會(huì)有所增加;當(dāng)逆風(fēng)風(fēng)速增大時(shí),標(biāo)槍的飛行遠(yuǎn)度隨之呈現(xiàn)出下降的趨勢。初始攻角為0°～6°時(shí),如有逆風(fēng),標(biāo)槍飛行遠(yuǎn)度均呈現(xiàn)出下降的趨勢;當(dāng)初始攻角>0°時(shí),逆風(fēng)增大只會(huì)引起飛行遠(yuǎn)度大幅度地下降。在順風(fēng)風(fēng)速為0～12m/s,初始攻角為-6°～6°時(shí),標(biāo)槍的飛行遠(yuǎn)度隨風(fēng)速增加有所增加,尤其是在初始攻角為6°時(shí)增加幅度更大。但當(dāng)風(fēng)速超過12m/s時(shí),飛行遠(yuǎn)度會(huì)急劇下降。從圖2中可見,當(dāng)出手角度為40°、初始攻角A0為-6°～6°時(shí),如有逆風(fēng),標(biāo)槍飛行遠(yuǎn)度均會(huì)減小,尤其是A0>0°時(shí)下降的幅度更大。順風(fēng)時(shí),在上述條件下,標(biāo)槍的飛行遠(yuǎn)度會(huì)有較大幅度增加,但風(fēng)速一旦超過9m/s～12m/s,飛行遠(yuǎn)度又會(huì)迅速下降。從表1中可見,風(fēng)對(duì)標(biāo)槍飛行遠(yuǎn)度影響的規(guī)律與飛鹿標(biāo)槍是基本相同的。風(fēng)對(duì)標(biāo)槍飛行軌跡產(chǎn)生較大影響的原因是當(dāng)有順風(fēng)或逆風(fēng)時(shí),相對(duì)于標(biāo)槍的風(fēng)速大小及方向會(huì)發(fā)生變化,使作用于標(biāo)槍的氣動(dòng)力和飛行攻角發(fā)生較大變化,并改變標(biāo)槍的飛行姿態(tài),最終對(duì)標(biāo)槍的飛行遠(yuǎn)度產(chǎn)生較大影響。根據(jù)風(fēng)對(duì)標(biāo)槍影響因素的定量分析,研究結(jié)果如表2。2.2側(cè)風(fēng)速度較小關(guān)于側(cè)風(fēng)對(duì)標(biāo)槍飛行遠(yuǎn)度的影響見圖3和表3。經(jīng)過比較后得知,側(cè)風(fēng)對(duì)各種標(biāo)槍影響的規(guī)律是一致的。在出手角度為30°～42°時(shí),當(dāng)側(cè)風(fēng)速度較小時(shí),通常對(duì)標(biāo)槍飛行遠(yuǎn)度的影響不大,甚至?xí)杂性黾印５?dāng)側(cè)風(fēng)風(fēng)速超過6～9m/s時(shí),標(biāo)槍飛行遠(yuǎn)度會(huì)下降,標(biāo)槍的初速度越大,飛行遠(yuǎn)度下降的幅度也越大。因此,運(yùn)動(dòng)員在投擲中如遇較大側(cè)風(fēng),應(yīng)利用比賽規(guī)則規(guī)定的1次試擲的最大時(shí)限(1min)選擇適宜的試投時(shí)機(jī),以減小側(cè)風(fēng)對(duì)標(biāo)槍飛行遠(yuǎn)度的影響。3最佳使用角度和風(fēng)速1.在不同的風(fēng)向和風(fēng)速條件下,標(biāo)槍的飛行遠(yuǎn)度會(huì)受到一定影響。2.出手角度相同條件下,當(dāng)初始攻角不同時(shí),風(fēng)對(duì)標(biāo)槍飛行遠(yuǎn)度的影響也不同。3.逆風(fēng)時(shí),運(yùn)動(dòng)員應(yīng)保持標(biāo)槍的最佳出手角度32°～34°,此時(shí)如果初始攻角為負(fù)值,則有可能使標(biāo)槍飛行遠(yuǎn)度略有增加,但如果初始攻角大于0,則會(huì)使飛行遠(yuǎn)度大幅度下降。4.順風(fēng)風(fēng)速適宜時(shí),最佳出手角度可提高2°～4°,在初始攻角為正值時(shí)標(biāo)槍飛行遠(yuǎn)度可適當(dāng)增加。順風(fēng)風(fēng)速9