未知水域:模拟帮助设计可能是世界上最快的帆船

目前121公里每小时(75英里每小时)的世界速度帆船纪录是在2012年创造的，但来自瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)的一个由学生和早期职业工程师组成的40人团队正在努力打破这一长期成就。

他们设计了一艘希望是世界上最快的帆船，他们称之为SP80。他们的目标是在世界帆船速度纪录委员会(WSSRC)的2022赛季中，在单程500米(三分之一英里)的距离上实现150公里/小时(93英里/小时)的平均速度，创造历史。

考虑到SP80预计将以两到三倍的风速行驶，它看起来与传统帆船完全不同也就不足为奇了。它的行为也不像。

例如，SP80不是用帆来推进，而是配备了风筝冲浪翼，这可以产生更多的动力，同时帮助船只在高速行驶时保持稳定。SP80还有通风水翼，这是一种翼状的附属装置，可以将船体钩在水中，以防止船完全抬起，团队对其进行了模拟和验证万博Ansys流利．水翼是SP80唯一能进入水中的部分。

高速水翼船设计优化

根据Mayeul van den Broek的说法，考虑到创造速度记录的目标，使用风筝冲浪翼是一个明显的选择，2018年，他与Xavier Lepercq和风筝冲浪手Benoit Gaudiot共同创立了这个项目。有了这个设计难题，该团队花了一年多的时间研究不同的配置。他们的大部分工作都围绕着优化水动力学，以确保在最高速度下，船和水翼将保持与水的接触，而不是将船送入空中。

“我们正在做一些新东西，我们需要了解它的表现。模拟是完美的工具。”

——伯努瓦·高迪

首先，研究小组必须了解空化对水翼升力表面的影响。当船的速度增加时，水压发生快速变化，产生气泡，导致水翼顶部出现充满蒸汽的小空洞，就会发生空化。蒸汽气泡引起不稳定、气流和振动，阻碍加速。

对于传统的水滴形水翼型来说，空化是一个问题，但是对于正三角形通风型来说，空化发生的频率较低，甚至可以通过正三角形通风型来防止。

然而，通风水翼的应用并不广泛，近年来对其研究较少。为了确定这种外形是否真的是SP80的最佳形状，研究小组结合了实验和数值测试。Gaudiot将驾驶SP80进行其创纪录的尝试，他首先在水中验证了高速下的水翼概念。

“在高速行驶时，我有一种真正的稳定感，”他说。“我们轻松地达到了40节以上的速度，没有挣扎着加速或停留在木板上。”

在这一点上，该团队已经使用Fluent中的空泡隧道和数值模拟测试了20多种不同的水翼剖面。CADFEM是模拟工程的领先提供商，也是Ansys的渠道合作伙伴，在整个模拟过程中为学生和工程师提供建议。万博

为了简化问题，避免对自由曲面建模，这可能非常复杂，研究开始于2D。然后，该团队在将设置转置到3D模型之前细化了所有求解器参数。使用Fluent使他们能够在创纪录的时间内生成500多个模拟。从Fluent中获得的结果被输入到神经网络中，使得预测任何形式的水翼的性能成为可能。

考虑更多的想法，获得更多的速度

EPFL团队目前正在测试SP80的小型原型车。这艘独特的未来飞船预计将于2021年3月开始建造。

高迪说过流利的使团队能够虚拟测试大量的设计，并探索他们可能没有想到的形状。或许最棒的是，该团队证实了性能提升了近20%，这意味着速度更快。

“我们在做新东西，我们需要了解它的性能，”他说。“模拟是一个完美的工具。”