未知水域:模拟帮助设计可能是世界上最快的帆船

目前的世界帆船速度纪录是121公里/小时(75英里/小时)，是在2012年创造的，但一个由瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)的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以来的成就。

他们设计了一艘他们希望成为世界上最快的帆船，他们称之为SP80。他们的目标是在世界航行速度记录委员会(WSSRC)的2022赛季期间，在单程500米(三分之一英里)的距离上达到150公里/小时(93英里/小时)的创纪录平均速度。

考虑到SP80预计将达到两到三倍的风速，它看起来不像传统帆船也就不足为奇了。它的行为也不像。

例如，SP80配备了风筝冲浪翼，而不是用于推进的帆，它可以产生更多的动力，同时帮助船在高速下保持稳定。SP80也有通风的水翼——翼状附件，将船体钩在水中，以防止船完全抬起——团队模拟并验证了这一点Ansys流利．水翼是SP80真正进入水中的唯一部分。

高速优化水翼设计

Mayeul van den Broek表示，考虑到创造速度纪录的目标，使用风筝冲浪翼是一个显而易见的选择。Mayeul van den Broek于2018年与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，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集中在优化流体动力学上，以确保在最高速度下，船和水翼仍然与水接触，而不会把船送到空中。

“我们正在创造一些新东西，我们需要了解它的表现。模拟是一个完美的工具。”

——贝努瓦·高迪

首先，研究小组必须了解空化对水翼船升力表面的影响。当船的速度增加时，水压会发生快速变化，产生气泡，导致水翼顶部充满蒸汽的小空腔。蒸汽气泡会造成不稳定、牵伸和振动，阻碍加速。

对于传统的水滴型水翼来说，空化是一个问题，但三角形通风型的空化发生的频率较低，甚至可以防止。

然而，通风型水翼的应用并不广泛，最近的研究也很少。为了确定该轮廓是否真的是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进行创纪录的尝试，他首先在水中验证高速水翼概念。

他说:“我在高速行驶时真的感觉很稳定。”“我们轻松地达到了40节以上的速度，没有费力地加速或停留在板上。”

到目前为止，团队已经在Fluent中使用空化隧道和数值模拟测试了20多种不同的水翼剖面。CADFEM是基于仿真的工程的领先供应商，也是Ansys的渠道合作伙伴，在整个仿真过程中为学生和工程师提供建议。

为了简化问题，避免对复杂的自由曲面进行建模，研究从二维开始。然后，该团队在将设置转换为3D模型之前，对所有求解器参数进行了优化。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。

考虑更多想法，获得更快的速度

EPFL团队现在正在测试SP80的缩小原型。这艘独特的未来飞船预计将于2021年3月开始建造。

高迪奥说的流利的使团队能够测试大量的设计，并探索他们可能没有想到的形状。也许最重要的是，该小组证实了性能提高了近20%，这意味着速度更快。

“我们正在创造一些新东西，我们需要了解它的性能，”他说。“模拟是完美的工具。”