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从CFD视角看板球:大涡流模拟揭示投球手的欺骗技巧

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研究背景


板球比赛中,球在飞行轨迹中的侧向移动是投球手用来欺骗击球手的技巧之一。两种常见的投球技术是“旋转”和“摆动”。通过给球施加旋转,使其在弹跳时产生剧烈偏转。旋转球还可以因为马格努斯效应而在空气中“漂移”。接缝作为边界层的扰流器。其方向的不对称性导致球产生侧向气动力,使其摆动。球向接缝方向的侧向移动称为传统摆动(CS)。在某些条件下,球可以远离接缝方向移动。这被称为反向摆动(RS)。

          


 

研究方法


研究采用了大涡流模拟(LES)方法,模拟了雷诺数在5×10^4至4.5×10^5范围内的板球表面流流。研究使用了稳定的有限元方法来求解不可压缩流的控制方程,并采用了sigma湍流模型来模拟流中的亚格子尺度。计算域是一个围绕板球的六面体盒子,边界条件包括入口的均匀流、出口的应力矢量以及侧面的“滑移壁”条件。板球被模拟为一个带有五个凸起的球体,这些凸起共同模拟了板球的接缝。    

          


 

研究结果


1、概述各个流动区域
   

本节展示了板球在不同雷诺数(Re)下,拖曳系数(CD)和摆动系数(CZ)的变化。研究确定了三个流动区域:无摆动(NS)、传统摆动(CS)和反向摆动(RS)。在NS区域,摆动力系数(CZ)接近零,表明接缝对流动影响不大。随着Re的增加,CZ增加并趋于饱和,表明摆动力的增加。在CS区域,摆动力系数(CZ)保持相对恒定,而在RS区域,CZ变为负值,表明球向接缝相反方向移动。   

          

2、无摆动(NS)
   

在雷诺数Re = 5 × 10^4时,板球的流动与光滑球体相似,接缝对流动的影响不大。边界层在极区附近分离,形成次级涡旋(SV),但不影响整体流动特性,因此没有产生显著的摆动力。  

          

3、接缝侧延迟层流分离导致的摆动(CS)
   

在Re = 7.5 × 10^4至1.7 × 10^5的范围内,板球表现出由于接缝侧层流分离延迟而导致的摆动。接缝使层流边界层活化,延迟了其分离,尤其在极区更为明显。这种延迟分离增加了接缝侧的吸力,导致摆动力的产生。    

          

4、接缝侧LSB导致的摆动(CS)
     

在Re = 2 × 10^5时,板球的接缝侧形成了层流分离泡(LSB),导致摆动力系数(CZ)趋于恒定。LSB的形成与消失与流动的转捩和再附着有关,影响了压力分布和摆动力。

          

5、非接缝侧LSB导致的反向摆动(RS)
   

在Re = 4.5 × 10^5时,板球表现出反向摆动,此时非接缝侧形成了LSB,导致更大的吸力,使得摆动力系数(CZ)变为负值。这种反向摆动与非接缝侧的边界层状态转变有关。    

   

          

6、接缝对峰值吸力的影响   

研究探讨了接缝对板球赤道平面上峰值吸力及其方位角的影响。在CS期间,接缝侧的峰值吸力增加,而在RS期间,非接缝侧的峰值吸力更大。峰值吸力的差异与摆动力系数(CZ)的变化趋势一致。   

          

7、瞬时流动   

展示了不同雷诺数下瞬时流动的Q准则iso表面图和表面压力分布图。结果显示了由于边界层分离引起的剪切层涡旋,以及这些涡旋如何随着雷诺数的增加而变化。此外,还观察到接缝对流动的影响随着Re的增加而变得更加显著,特别是在极区附近。    

 


来源:CFD饭圈
FluentCFX燃烧湍流Polyflow理论科普控制ParaViewParticleWorks
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首次发布时间:2024-11-08
最近编辑:28天前
CFD饭圈
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