Домашняя яхт-верфь.

Сайт создан для тех, кто мечтает построить яхту своими руками — яхту своей мечты…

Зазор между мачтой и парусом: добро или зло?

00-00 yahta

Большинство современных парусных вооружений представляют собой комплекс мачта – парус. И если парус – это крыло, на котором создается полезная сила тяги, то мачта является плохообтекаемым телом, искажающим набегающий на парус поток (рис. 1) [1]. Наиболее сильное негативное влияние мачта оказывает на подветренную сторону паруса, где возникает до 70% подъемной силы. Исключением является мачта-крыло, применяемая на катамаранах и буерах.

Следовательно, вопрос аэродинамического взаимодействия паруса и мачты определяет эффективность парусного вооружения в целом и ходовые качества яхты. Крепление паруса к мачте может быть выполнено различными способами (рис. 2). В некоторых вариантах между мачтой и парусом имеется зазор, в других он отсутствует.

Возникает вопрос о влиянии этого зазора – щели между мачтой и парусом – на аэродинамику системы. Ч. Мархай в своей известной книге [2] приводит аргументы (рис. 3), на основании которых делает вывод о неблагоприятном влиянии щели между парусом и мачтой. Но недавно компания Profurl, выпускающая рангоут, провела аэродинамические исследования в Исследовательском центре архитектуры и морской индустрии (CRAIN), которые показали преимущество создания промежутка между гротом и мачтой, так называемый «эффект щели» (рис. 4).

К сожалению ни в той, ни в другой работе не приводится подробного описания эксперимента, на основании которого можно было бы принять решение об обоснованности и достоверности полученных результатов и выводов. Чтобы получить объективную информацию о влиянии щели, в аэродинамической трубе СПбГМТУ в рамках подготовки бакалаврской работы был проведен эксперимент.

Продувалась модель мачты и установленного за ней паруса (рис. 5), при этом предусматривалась возможность изменения расстояния между парусом и мачтой и установка парусной системы под различными углами атаки и курсовыми углами к потоку. Мачта имела круглое сечение, парус выполнен из фанеры толщиной 1.5 мм. Часть продувок выполнялась с использованием мачтового кармана, изготовленного из полиэтилена.

001

002

004

Основные размеры модели: хорда b = 0.8 м, размах L = 0.8 м  площадь S = 0.64 м2  диаметр мачты d = 80 мм. Стрелка погиби профиля – 10%.  Для увеличения эффективного удлинения паруса он был оборудован сверху и снизу торцевыми шайбами, выполнявшими одновременно роль элементов крепления. Скорость потока в эксперименте составляла 10 м/с, что соответствует числу Рейнольдса Re = 5.5.105

Увеличить скорость не позволяла конструкция модели. Измерение сил выполнялось в связанной системе координат, приведенной на рис. 6. Здесь  а – угол атаки паруса, ф – курсовой угол к направлению вымпельного ветра,  б – зазор между мачтой и парусом. Ось Х совпадает с ДП, а ось Y параллельна плоскости мидель-шпангоута.

Таким образом, измеренная в эксперименте сила Х является силой тяги, движущей яхту вперед. А сила Y – сила дрейфа. Продувки проводились на курсовых углах ф = 15°, 30° и 45°. Угол атаки а для каждого из курсовых углов менялся от 0 до 35° (при курсовом угле ф =15° соответственно до 15°) с шагом 5°. Зазор б варьировался в диапазоне: 0, 0.25, 0.5, 1.0, 1.5 и 2.0 диаметра мачты.

В эксперименте также были использованы два кармана размером по хорде 2.5d и 5.0d. На рис. 8 приведены графики для паруса, примыкающего к мачте без зазора. С ростом курсового угла к ветру при одном и том же угле атаки сила тяги растет. Это очевидный результат, и он связан с изменением проекции вектора полной аэродинамической силы на парусе на ось Х связанной системы координат, то есть чем «полнее» лавировка, тем эффективнее работает парус даже на малых углах атаки.

006

005

007

Посмотрим теперь на результаты со щелью. На рис. 9 угол к ветру составляет 15°. На этом и последующих рисунках вихревой след за мачтой нарисован условно, для иллюстрации. Реальное его положение в эксперименте не определялось, это предполагается сделать в будущем. Мы видим, что при углах атаки до 15° варианты со щелью любого размера имеют преимущество.

Но при этом надо учесть, что угол наклона передней кромки модели паруса к хорде ? (рис. 6) около 20°. Это значит, что в районе передней кромки поток набегает на парус с другой стороны. Мягкий матерчатый парус в таких условиях может потерять форму. При этом визуализация потока, сделанная на другой модели при ламинарном течении, показывает увеличение местного угла атаки в районе передней кромки при малых зазорах (рис. 10).  Этим можно объяснить положительное влияние щели.

Надо отметить, что начиная с угла атаки в 10° эффективность паруса с карманом вне конкуренции. Рассмотренный случай требует дальнейших исследований, в частности, с мягкими парусами, хотя яхты, лавирующиеся под углом 15° к вымпельному ветру, еще поискать надо. Для подавляющего большинства судов это не рабочий режим.

Теперь посмотрим, что будет на больших углах. На рис. 11 – результаты для курсового угла к вымпельному ветру 30°. Это типичный угол для гоночных судов. Здесь до угла атаки 20°, когда поток набегает «снаружи» паруса, щель дает незначительное преимущество. А дальше она только вредит. На рис.11 построена зависимость силы тяги от величины зазора (в диаметрах мачты), который отложен по горизонтальной оси.

008

009

0010

Последние две точки соответствуют парусу с карманом 2.5d и 5.0d. Графики приведены для углов атаки 15 и 20°. И опять мы видим преимущество мачтового кармана. Кстати, результаты, полученные в эксперименте, согласуются результатами Ч. Мархая [2]. По его данным, в районе угла атаки 12° мачта со щелью имеет некоторое преимущество, которое пропадает с увеличением угла.

Наконец, еще один вариант лавировки – 45° к вымпельному ветру. Такой угол характерен для круизных яхт. Здесь практически во всем реальном диапазоне углов атаки щель приносит вред. И польза от кармана большого размера тоже не велика. Во всех рассмотренных случаях боковая сила (сила дрейфа) Y для паруса со щелью и без него меняется слабо, но в подавляющей большинстве вариантов при отсутствии щели сила дрейфа меньше.

Для примера приведем график для ф =30°. Курсовой угол к вымпельному ветру 45°. Итак, какие же выводы можно сделать на основании полученных результатов? На малых (практически недостижимых) углах атаки и курсовых углах зазор полезен. На эксплуатационных углах – вреден. Чтобы реализовать преимущества щели, нужны паруса с жесткой передней шкаториной, сохраняющей форму при малых углах атаки, когда поток набегает на переднюю часть паруса с подветренной стороны.

Добиться этого можно или применяя очень жесткую и толстую ткань вдоль передней шкаторины, или снабжая парус жесткими короткими латами по передней шкаторине (типа паруса джонки), если это не противоречит правилам класса. Карман на парусе, охватывающий мачту, приносит несомненную пользу. Он улучшает обтекание мачты, снижая потери, связанные с отрывом потока и улучшает обтекание передней части паруса, на которой реализуется основная полезная нагрузка.

0011

0012

0013

0014

Но делать этот карман большого размера не следует, т.к. при этом он утрачивает свои полезные свойства. Следует сказать, что все сделанные выводы касаются рассмотренной модели и связаны с ее особенностями. Можно предположить, что для мачты другого сечения численные значения изменятся.

Но оснований для серьезных качественных различий не видно. Основным влияющим фактором является жесткость паруса, используемого в эксперименте. Продувки модели из мягкого материала позволят получить более реалистичный диапазон углов, в которых щель может быть полезна или полностью исключат возможность ее использования.

Для прогнозов серьезный интерес представляет анализ картины течения в щели и поля скоростей и давлений в этой области. Это – направление дальнейших исследований, которое предполагается реализовать с помощью физического и численного эксперимента. В заключение авторы хотят выразить благодарность сотруднику ЦНИИ им. акад. Крылова Е. Б. Карулину, который оказал неоценимую помощь в создании экспериментальной установки и анализе полученных результатов

А. Р. Бесядовский, А. И. Васильев.

Литература

  1. Ван-Дейк М. Альбом течений жидкости и газа: Альбом-справочник. – М. : Мир, 1986.
  2. Мархай Ч. Теория плавания под парусами. – М. : Физкультура и спорт, 1970.

Источник:  «Катера и Яхты»,  №257.

20.12.2015 - Posted by | Аэродинамика | , , ,

1 комментарий »

  1. Очень хорошие результаты дают паруса на досках. Там принцип крыла дельтаплана. Мачта -передняя кромка и двойная обшивка паруса дают эффект гибкого крыла со значительным Су (см. аэродинамику). На простых парусах мачта является подобием предкрылка на жестких крыльях самолетов, где положение предкрылка регламентируется строгими относительными геометрическими пропорциями. При мягком парусе со щелью с мачтой этого достичь не возможно! Это раз! Во вторых — при малой силе ветра круглое сечение с большими диаметрами имеет плавное обтекание при малых числах Рейнольдса. С увеличением силы ветра число Рейнольдса возрастает и происходит турбулизация потока за мачтой. Это резкое падение Су. Примером может служить профиль самолета начала прошлого века — на малых углах атаки по передней кромке нижней плоскости крыла поток струи начинал сильно турбулизироваться, что приводило к сильному росту Сх и падению Су. Двойная обшивка, обнимающая мачту, по моему мнению и опыту, увеличивают эффективность паруса.

    комментарий от Владимир | 20.12.2015 | Ответить


Добавить комментарий

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход /  Изменить )

Google photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google. Выход /  Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход /  Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход /  Изменить )

Connecting to %s

profiinvestor.com

Инвестиции и заработок в интернет

SunKissed

мое вдохновение

The WordPress.com Blog

The latest news on WordPress.com and the WordPress community.

Домашняя яхт-верфь.

Сайт создан для тех, кто мечтает построить яхту своими руками - яхту своей мечты...

Twenty Fourteen

A beautiful magazine theme

%d такие блоггеры, как: