恭贺 孟关良/杨文军这一金牌组合继雅典奥运会之后，在北京奥运会上再次为中国夺得了皮划艇男子双人500米决赛的金牌！
CFD优化设计——成就奥运梦想的Plastex和CTO公司
作者：Tomasz Bugalski, Ph.D ， Marek Kraskowski, Centrum Techniki Okrêtowej
原文来自CD-adapco网站： http://www.cd-adapco.com/press_room/dynamics/v202/cto_plastex.html
对于2008年北京奥运会的选手来说，登上领奖台获得奖牌象征着登上了运动成就的顶峰，这也是多年汗水和泪水的回报！然而在2008年，仅仅是这份努力已经不够，在很多项目中金牌的获得者往往还有最好的运动设备的支持。
基于这一点，金牌之争已经延伸到了研究中心的分析室和设备测试上，在这里，北京奥运会运动员的设备被不停的改进提升。皮划艇就是一个很好的例子，大量顶级的测试和实验技术被采用，来不断减小船体的阻力，CD-adapco公司的计算流体动力学（CFD）分析软件被广泛的应用。
图片1：皮划艇在流体中的静态（左）和动态（右）位置
波兰Plastex公司被公认为世界范围内竞赛用皮划艇制造商的领军人物之一，多年来为奥运会和世锦赛提供顶级的设备。在2005波兰波兹南举行的第一届世界皮划艇锦标赛上，总计81枚奖牌中，56枚奖牌的获得者使用的是Plastex公司设计的皮划艇，这些皮划艇都是由Plastex公司的拥有者Ryszard Seruga和波兰船只设计研究中心（CTO）的Tomasz Bugalski博士合作设计的。
2007年春天，Plastex和CTO开始为2008年北京奥运会设计新型的皮划艇。他们在CTO的模拟水池中对现有船型进行大量的实验研究，以此展开新船型的开发，这样做是为了找出赛艇的性能与基本设计参数以及空船首尾吃水差之间的关联。尽管这种方法可以在短期内就得到大量可靠的实验数据，但是其并不能总是反映出影响船体性能的物理现象。基于这个原因，实验研究就需要大量CFD仿真的支持，CFD仿真更加适于对一些流体参数的详细对比，例如不同造型赛艇的压力分布和周围波浪升降。
图片2：K1、K2、K3皮划艇的自由升降仿真
每一个CFD仿真都要分析在平静水面上匀速牵引船只的情形，计算分析得到数值数据，诸如船体阻力可以让设计团队看清楚船体周围的流场变化，帮助他们发现船体性能变化背后所发生的物理现象，比如，船头和船尾的升降或者波浪之间的相互作用。对现有的船型测试完毕后，基于分析结果可以确定出最佳的设计，之后新的设计又可以开始了。由于CFD的参与，设计周期和费用都明显的降低。每一个新设计的可行性首先都通过数值验证，这样只需要将少量的优化结果进行实际制造并在测试水池中进行实验。最终测试将由专业运动员在真实的水域测试完成。
计算模拟使用了150万六面体网格，采用VOF模型处理多相流和RNG k-epsilon模型计算湍流。现有船型的表面几何模型使用GOM GmbH公司提供的ATOS II型光学扫描系统和三脚架摄像测量系统（TRIPOD photogrammetric system）对船体表面进行数据扫描得到。
由于奥运会皮划艇的速度相对较高（约为6米/秒），这样在对船体周围流动进行数值分析中就必须考虑船体的动态纵倾和沉降，需要实验数据的支持，若没有实验数据，就要求在CFD分析中不断修正船体位置来达到受力和力矩达到平衡。尽管这些可以通过流体静力学反复计算得到，但是CTO团队还是使用了一个自动化的流程将流体求解器和船体运动方程计算相耦合，使船体位置的计算更加准确。这类仿真中依然使用刚性网格，网格随船体运动，节点之间没有相对运动，当船体位置变化后，这种方法仍然被证明非常的准确，稳健和简单（不需要重新划分网格）。
图片3：计算网格
现今的CFD仿真和皮划艇性能的模型测试局限于稳态分析，也就是说船体以定速前进而且质心不变。这样一个简化的方法可以对船体造型进行高效的优化设计，并可以使阻力降低1％以上，这一点就足以决定奥运会上的成败。CFD方法的使用可以减少试制赛艇的数量避免了制造各种外形的船体，从而降低成本。更重要的是，相对早期的方法,通过CFD方法辨别流动现象使得优化设计的实现更加快捷。
图片4：船体动态分析－波浪中船体的摆动
现在的奥运会皮划艇造型已经非常接近稳态流动的最小阻力，在未来，对船体性能的显著提升必须要靠对动态性能的优化来实现，也就是说需要考虑一场竞赛中所有的现象，包括桨手的运动和对船体施加的所有变力，出于这一点考虑，CTO下一步要做的就是要研究船体优化的六自由度仿真分析，从而优化造型，最终降低因船体运动和各个皮划艇相互作用引起的能量损失。CTO已经开始尝试性的对波浪引起的船体摆动做分析，在这个仿真中，船体自由的俯仰和升沉（2自由度），同时以定速行驶，固定零漂移角度，计算结果显示出这种方法具有很好的准确性和稳定性。
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