从CFD视角看板球：大涡流模拟揭示投球手的欺骗技巧
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
