|
Сопротивление дрейфу
Поперечная сила Fд не только кренит яхту, она вызывает боковой снос—дрейф под ветер. Сила дрейфа зависит от курса яхты относительно ветра. При плавании в крутой бейдевинд она втрое превышает силу тяги, движущую яхту вперед; на галфвинде обе силы примерно равны в крутой бакштаг (истинный ветер около 135° относительно курса яхты) движущая сила оказывается в 2— 3 раза больше силы дрейфа, а на чистом фордевинде сила дрейфа вовсе отсутствует. Следовательно, для того чтобы судно успешно продвигалось впереди курсом от бейдевинда до галфвинда, оно должно обладать достаточным боковым сопротивлением дрейфу, намного превышающим сопротивление воды движению яхты по курсу.
Образование подъемной силы на крыле: а — обтекание профиля при α—0; б и в — образование стартового вихря; г — отрыв стартового вихря; д — появление устойчивой циркуляции потока вокруг крыла; е — схема действующих сил при развитой циркуляции
Функцию создания силы сопротивления дрейфу у современных яхт выполняют в основном шверты, плавниковые кили и рули.
Как мы уже говорили, непременным условием возникновения силы сопротивления дрейфу является движение яхты под небольшим углом к ДП — углом дрейфа. Рассмотрим, что при этом происходит в потоке воды непосредственно у киля, который представляет собой крыло с поперечным сечением в виде тонкого симметричного аэродинамического профиля.
Если угол дрейфа отсутствует, то поток воды, встречаясь с профилем киля в точке a, разделяется на две части. В этой точке, называемой критической, скорость потока равна О, давление максимальное, равное скоростному напору
, где ρ — массовая плотность воды (для пресной воды ); v — скорость движения яхты (м/с). И верхняя и нижняя части потока одновременно обтекают поверхности профиля и вновь встречаются в точке b на выходящей кромке. Очевидно, что никакой силы, направленной поперек потока, на профиле возникнуть не может; будет действовать только одна сила сопротивления трения, обусловленная вязкостью воды.
Если же профиль отклонить на некоторый угол атаки α (в случае яхтенного киля — угол дрейфа), то картина обтекания профиля изменится.
Критическая точка а переместится на нижнюю часть «носика» профиля. Путь, который должна пройти частица воды вдоль верхней поверхности профиля, удлинится, а точка Ь1 где по условиям неразрывности потока должны были бы встретиться частицы, обтекающие верхнюю и нижнюю поверхности профиля, пройдя равный путь, оказывается на верхней поверхности. Однако при огибании острой выходящей кромки профиля нижняя часть потока срывается c кромки в виде вихря. Этот вихрь, называемый стартовым, вращаясь против часовой стрелки, вызывает циркуляцию воды вокруг профиля в обратном направлении, т. е. по часовой стрелке. Данное явление, вызванное силами вязкости, аналогично вращению большого зубчатого колеса (циркуляция), находящегося в зацеплении с малой ведущей шестерней (стартовый вихрь).
После того как возникает циркуляция, стартовый вихрь срывается с выходящей кромки, точка b2 перемещается ближе к этой кромке, вследствие чего здесь больше не существует разности скоростей, с которыми крыло покидают верхняя и нижняя части потока. Циркуляция же вокруг крыла становится причиной возникновения подъемной силы У, направленной поперек потока: у верхней поверхности крыла скорость частиц воды за счет циркуляции увеличивается, у нижней, встречаясь с частицами, вовлеченными в циркуляцию,—затормаживается. Соответственно у верхней поверхности давление понижается по сравнению с давлением в потоке перед крылом, а у нижней поверхности — повышается. Разность давлений и дает подъемную силу Y.
Кроме того, на профиль будет действовать сила лобового (профильного) сопротивления X, возникающая вследствие трения воды о поверхность профиля и гидродинамического давления на его переднюю часть.
На рисунке представлены результаты замера давления у поверхности симметричного профиля, сделанного в аэродинамической трубе. По оси ординат отложено значение коэффициента Ср, который представляет собой отношение избыточного давления (полное давление минус атмосферное) к скоростному напору . На верхней стороне профиля давление отрицательное (разрежение), на нижней—положительное. Таким образом, подъемная сила, действующая на любой элемент профиля, складывается из действующих на него сил давления и разрежения, а в целом она пропорциональна площади, заключенной между кривыми распределения давления по хорде профиля (на рис. 9 заштриховано).
Распределение давления по ширине симметричного аэродинамического профиля при угле атаки а =7°
Данные, представленные на рисунке, позволяют сделать ряд важных выводов о работе яхтенного киля. Во-первых, главную роль в создании боковой силы играет разрежение, возникающее на поверхности плавника со стороны наветренного борта. Во-вторых, пик разрежения располагается вблизи входящей кромки киля. Соответственно точка приложения результирующей подъемной силы находится на передней трети хорды плавника. В целом же подъемная сила возрастает вплоть до угла атаки 15—18°, после чего внезапно падает.
Вследствие образования завихрений на стороне разрежения плавное обтекание крыла нарушается, разрежение падает и происходит срыв потока (это явление более подробно рассмотрено в гл. 2 для парусов). Одновременно с увеличением угла атаки возрастает лобовое сопротивление—оно достигает максимума при α=90°.
Величина дрейфа современной яхты редко превышает 5°, так что срыва потока с киля можно не опасаться. Однако критический угол атаки должен учитываться для яхтенных рулей, которые проектируются и работают также по принципу крыла.
Рассмотрим основные параметры яхтенных килей, которые оказывают существенное влияние на их эффективность в создании силы сопротивлению дрейфу. В равной степени изложенное далее можно распространить и на рули с учетом того, что они работают со значительно большим углом атаки.
Толщина и форма поперечного сечения киля. Испытания симметричных аэродинамических профилей показали, что более толстые профили (с большей величиной отношения толщины сечения t к его хорде Ь) дают большую подъемную силу. Их лобовое сопротивление выше, чем у профилей с меньшей относительной толщиной. Оптимальные результаты могут быть получены при t/b = 0,09—0,12. Величина подъемной силы на таких профилях сравнительно мало зависит от скорости яхты, поэтому кили развивают достаточную силу сопротивления дрейфу и в слабый ветер.
Существенное влияние на величину силы сопротивления дрейфу оказывает положение максимальной толщины профиля по длине хорды. Наиболее эффективными оказываются профили, у которых максимальная толщина расположена на расстоянии 40—50% хорды от их «носика». Для яхтенных рулей, работающих под большими углами атаки, используют профили с максимальной толщиной, расположенной несколько ближе к передней кромке,— до 30% хорды.
Определенное влияние на эффективность киля оказывает форма «носика» профиля—радиус округления входящей кромки. Если кромка слишком острая, то набегающий на киль поток получает здесь большое ускорение и срывается с профиля в виде вихрей.
При этом происходит падение подъемной силы, особенно существенное при больших углах атаки. Поэтому подобное заострение входящей кромки недопустимо для рулей.
Схема обтекания крыла конечного размаха: 1—распределение подъемной силы по длине крыла, 2—циркуляция; 3 — перетекание жидкости по концам крыла, 4—концевые вихри, 5 — распределение вызванных скоростей по размаху крыла L
Аэродинамическое удлинение. У концов крыла обнаруживается перетекание воды из области повышенного давления на спинку профиля. В результате с концов крыла срываются вихри, образующие две вихревые дорожки. На их поддержание затрачивается довольно значительная часть энергии, образуя так называемое индуктивное сопротивление. Кроме того, вследствие выравнивания давлений у концов крыла происходит местное падение подъемной силы, как это показано на эпюре распределения ее по длине крыла на рисунке.
Чем короче длина крыла L по отношению к его хорде Ь, т. е. чем меньше его удлинение L/Ь, тем относительно больше потеря подъемной силы и тем больше индуктивное сопротивление. В аэродинамике принято оценивать удлинение крыла по формуле
(где S—площадь крыла), которая может быть применена для крыльев и плавников любых очертаний. При прямоугольной форме аэродинамическое удлинение равно соотношению
;
для треугольного крыла λ = 2Llb.
На рисунке показано крыло, составленное из двух трапециевидных плавниковых килей. На яхте киль крепится широким основанием к днищу, поэтому здесь перетекание воды на сторону разрежения отсутствует и под влиянием корпуса давления на обоих поверхностях выравнивается. Без этого влияния можно было бы считать аэродинамическое удлинение вдвое большим, чем отношение глубины киля к его осадке. На практике же это отношение, зависящее от размеров киля, обводов яхты и угла крена превышается только в 1,2—1,3 раза.
Влияние аэродинамического удлинения киля на величину развиваемой им силы сопротивления дрейфу Rд можно оценить по результатам испытаний плавника, имеющего профиль NACA 009 (t/b=9%) и площадь 0,37 м2 (рис. 11). Скорость потока соответствовала скорости движения яхты 3 узла (1,5 м/с). Интерес представляет изменение силы сопротивления дрейфу при угле атаки 4—6°, что соответствует углу дрейфа яхты на курсе бейдевинд. Если принять силу Rд при удлинении λ = 1 за единицу (6,8 при а-=5°), то при увеличении λ до 2 сопротивление дрейфу увеличивается более чем в 1,5 раза (10,4 кг), а при λ=3—ровно вдвое (13,6 кг). Этот же график может служить для качественной оценки эффективности рулей различного удлинения, которые работают в области больших углов атаки.
Зависимость сопротивления дрейфу от удлинения киля и угла атаки
Таким образом, увеличивая удлинение плавника киля, можно получить необходимую величину боковой силы Rд при меньшей площади киля и, следовательно, при меньшей площади смоченной поверхности и сопротивлении воды движению яхты. Удлинение килей на современных крейсерско-гоночных яхтах составляет в среднем λ = 1—3. Перо руля, служащее не только для управления судном, но и являющееся составным элементом в создании сопротивления яхты, имеет еще большее удлинение, приближающееся к λ= 4.
Площадь и формы киля. Чаще всего размеры киля определяют по статистическим данным, сравнивая проектируемую яхту с хорошо зарекомендовавшими себя судами. На современных крейсерско-гоночных яхтах с раздельным от киля рулем суммарная площадь киля и руля составляет от 4,5 до 6,5% площади парусности яхты, а площадь руля—20—40% площади киля.
Для получения оптимального удлинения конструктор яхты стремится принять осадку наибольшей допускаемой по условиям плавания или правилами обмера. Чаще всего киль имеет вид трапеции с наклонной передней кромкой. Как показали исследования, для яхтенных килей, имеющих удлинение от 1 до 3, угол между передней кромкой и вертикалью в пределах от —8° до 22,5° практически не влияет на гидродинамические характеристики киля. Если киль (или шверт) очень узкий и длинный, то наклон передней кромки более 15° к вертикали сопровождается отклонением линий тока воды вниз по профилю—по направлению к нижнему заднему углу. Вследствие этого падает подъемная сила и возрастает лобовое сопротивление киля. В данном случае оптимальный угол наклона составляет 5° к вертикали.
На величину подъемной силы, развиваемой килем и рулем, значительно влияет качество отделки его поверхности, особенно передней кромки, где формируется поток, обтекающий профиль. Поэтому рекомендуется полировать киль и руль на расстоянии не менее 1,5% хорды профиля.
Скорость яхты. Подъемная сила на любом крыле определяется по формуле:
(11)
где
Сy — коэффициент подъемной силы, зависящий от параметров крыла—формы профиля, удлинения, очертаний в плане, а также от угла атаки — с увеличением угла атаки он возрастает;
ρ —- массовая плотность воды, ;
V — скорость потока, обтекающего крыло, м/с;
S —площадь крыла, м2.
Таким образом, сила сопротивления дрейфу—величина переменная, пропорциональная квадрату скорости. В начальный момент движения яхты, например после поворота оверштаг, когда судно теряет ход, или при отходе от бона в прижимной ветер, подъемная сила на киле невелика. Для того чтобы сила Y сравнялась с силой дрейфа FD, киль должен расположиться к набегающему потоку под большим углом атаки. Иными словами, судно начинает движение с большим углом дрейфа. По мере набора скорости угол дрейфа уменьшается, пока не достигнет своей нормальной величины — 3—5°.
Это обстоятельство должен учитывать капитан, предусматривая достаточно места с подветра при разгоне яхты или после поворота на новый галс. Большой начальный угол дрейфа необходимо использовать для скорейшего набора скорости, слегка потравив шкоты. Кстати, благодаря этому уменьшается сила дрейфа на парусах.
Необходимо также помнить механику возникновения подъемной силы, которая появляется на киле только после отрыва стартового вихря и развития устойчивой циркуляции. На узком киле современной яхты циркуляция возникает быстрее, чем на корпусе яхты с навесным на киле рулем, т. е. на крыле с большой хордой. Вторая яхта больше сдрейфует под ветер, прежде чем корпус начнет эффективно препятствовать дрейфу.
Читаем далее: Управляемость
|
