 |
 |
|
| HYDROFOILY | ||
| DOTAZY NEBO KOMENTÁŘE | ||
|
|
AUTOR: | Tina Rosado |
| E-MAIL: | [email protected] | |
| KURZ: | 2 | |
| TŘÍDA/ROK: | 2 | |
HLAVNÍ FUNKČNÍ POŽADAVEK: Zvedání trupu lodě mimo vodu.
DESIGNOVÝ PARAMETR: Hydrofoil(Jedná se o fólii nebo křídlo pod vodou, které slouží ke zvedání trupu lodě, dokud není zcela mimo vodu.)
GEOMETRIE/STRUKTURA:
Detail geometrie hydroplánu
VYSVĚTLENÍ, JAK FUNGUJE/JE POUŽÍVÁN:
1. Při nízkých rychlostech leží trup (tělo lodi) ve vodě a hydropláště jsou zcela ponořeny ve vodě.
2. Jak se rychlost lodi zvyšuje, hydropláště vytvářejí vztlak.
3. Při určité rychlosti se vztlak vytvořený hydropláštěmi rovná součtu hmotností lodi a nákladu. Proto trup lodi vystupuje z vody.
4. Místo toho, aby se s rostoucí rychlostí zvyšoval odpor vzduchu, protože trup lodi je zvedán z vody (na rozdíl od toho, co se děje u tradičních lodí v důsledku tlakového odporu), poskytují hydrofoily efektivnější způsob plavby. Snížení odporu přispívá k lepšímu využití výkonupotřebného k pohybu lodi.
DOMINANTNÍ FYZIKA:
Jak vzniká vztlak – dynamika tekutin.
Pro účely tohoto projektu budou uvedeny dva obecné a základní výklady. Tyto teorie jsou aplikací Bernoullisovy rovnice aEulersovy rovnice pro efekt zakřivení proudnice.
Bernoullisova rovnice: Po = P1 + ½
rv1² + rgy1 = P2 + ½rv2² + rgy2
| Proměnné | Jednotky |
| Po Stagnační tlak | nebo |
| P Tlak | nebo |
| r Hustota | nebo |
| V Rychlost | nebo |
| g Gravitační konstanta | nebo |
| y Výška | nebo |
Detail hydrofoilu: a) Tlakový profil b) Přenos hybnosti c) Obtékání d) Proudnice
Tato rovnice platí pro proudění podél proudnice, které lze modelovat jako: inviscidní, nestlačitelné, ustálené, irigační a pro které jsou síly tělesa konzervativní. Také rozdíl na výšce fólie (vzdálenost od spodní části k horní) je dostatečně malý, takže rozdíl rgy2 – rgy1 je zanedbatelný ve srovnání s rozdílem ostatních členů. Zbývá, že tlak plus polovina hustoty krát kvadrát rychlosti se rovná konstantě (stagnační tlak).
Při zvyšování rychlosti podél těchto proudnic tlak klesá (to bude důležité za chvíli). Kapalina, která se pohybuje po horním povrchu fólie, se pohybuje rychleji než kapalina na spodním povrchu. To je zčásti důsledkem viskózních efektů, které vedou k tvorbě vírů na konci fólie. aby se zachoval úhlový moment způsobený rotací vírů proti směru hodinových ručiček, musí dojít ke stejné, ale opačné výměně momentu hybnosti s vírem na zadním okraji fólie. To vede k cirkulaci kapaliny kolem fólie. Vektorový součet rychlostí vede k vyšší rychlosti na horní ploše a nižší rychlosti na spodní ploše.Při aplikaci na Bernoullis se zjistí, že když fólie protíná kapalinu, změna rychlosti vytváří pokles tlaku potřebný pro vztlak. Jak je znázorněno v diagramu, výsledná nebo čistá síla (síla = (tlak)(plocha)) je směrem nahoru. Toto vysvětlení lze obohatit o princip zachování hybnosti (hybnost = (hmotnost)(rychlost)). Pokud se zvýší rychlost částice s počáteční hybností, pak vznikne reakční hybnost o stejné velikosti a opačném směru, než je rozdíl hybností. (Viz diagram).(Mi = Mf + DM)
Eulersova rovnice: d(p+rgy)/dn = rv²/R
| Proměnné | Jednotky |
| P Tlak | nebo |
| r Hustota | nebo |
| V Rychlost | nebo |
| g Gravitační konstanta | nebo |
| y Výška | nebo |
| n Vektor v radiálním směru | — |
| R Poloměr křivosti proudnice | nebo |
Detail tlaku v bodech nad aerodynamickým krytem
Zde opět, se předpokládá, že člen vztahující se k výšce je zanedbatelný ve srovnání s ostatními členy v rovnici. Tato rovnice říká, že s rostoucí vzdáleností od středu poloměru křivosti proudnice roste tlak na proudnice. Horní povrch fólie je blíže středu křivosti proudnic, proto bude nad fólií nižší tlak než tlak okolí. Rozdíl mezi tlakem na horním povrchu a tlakem okolí na spodním povrchu vytvoří čistý tlak, který způsobí vztlak.(Seediagram.)
Úhel náběhu:
Úhel náběhu
Jak bylo prezentováno, vztlak pochází z dynamiky kapaliny v okolí fólie. Vztlak však lze optimalizovat umístěním hydrofólií pod úhlem (vzhledem k proudu vstupující kapaliny), který se nazývá úhel náběhu (viz obrázek). Cílem je optimalizovat poměr vztlaku a odporu vzduchu. Tento poměr závisí na tvaru fólie, která je v tomto případě považována za tenkou fólii. Při malém úhlu náběhu se vztlak rychle zvyšuje, zatímco odpor roste malou rychlostí. Po úhlu ~10° se vztlak zvyšuje pomalu až do úhlu ~15°, kdy dosáhne maxima. Po ~15° může dojít k přetažení. Při úhlu náběhu 3° až 4° je poměr vztlak:odpor maximální.Fólie je tedy účinnější při těchto úhlech (3°a 4°) s poměrem vztlaku a odporu ~20 až 25:1
Omezující fyzika:
Detail geometrie hydrofólií
Na první pohled si lidé mohou myslet, že u hydrofólií bude stall pravděpodobně problémem stejně jako u aerodynamických křídel, ale překvapivě tomu tak není. Strmý úhel náběhu není při návrhu hydroplánu nutný. Naopak, malé úhly náběhu se u hydrofilů používají k optimalizaci poměru vztlaku a odporu, jak bylo vysvětleno dříve.
Především jde o konstrukci fólie, vzpěr/podpěr a jejich umístění. Všechny tyto vlastnosti je třeba vzít v úvahu. Takže prvkyjsou navrženy tak, aby vytvářely minimální rychlost, která zvedne loď o určité hmotnosti a udrží ji na fólii.
Jedním z problémů, se kterými se může plavidlo s hydrofolem setkat, je výška vln, která je větší než vzpěry. Také pokud se plavidlo pohybuje rychleji než vlny, může se fólie vylomit na hladinu a mimo vodu, což má za následek ztrátu vztlaku a záporný úhel náběhu, když se fólie ponoří do další vlny,čímž se plavidlo zřítí do moře. Inženýři navrhli hydrofoily tak, aby tato omezení minimalizovali a zlepšili výkonnost lodí.
PLOCHY / GRAFY / TABULKY:
Nebyly předloženy
NĚKTERÉ HYDROFILY A JEJICH POUŽITÍ:
Hydrofoily se staly velmi populární. Používají se při různých druzích cestování po moři,od vojenského použití až po vodní sporty. Vysoká rychlost, plynulá plavba a lepší zatáčky, které hydroplány poskytují, se používají na vojenských lodích. Také plachetnice si osvojily hydroplány, aby získaly větší rychlost. Umožňují nové vynálezy, které mohou uspokojit touhu lidí překonávat nebezpečí, jako je například sky ski. Jedná se o vodní lyže s připojeným hydroplánem, který umožňuje lidem létat nad vodní hladinou. Každým dnem se používá více hydroplánů a v budoucnu se mohou stát dominantním způsobem cestování po moři.
VÍCE INFORMACÍ:
Viz také na této stránce: Vzducholodě, plachetnice
Alexander, Alan, James Grogono a Donald Nigg; Hydrofoil Sailing. JuanitaKalerghi: London, 1972.
Bertin, John and Michael Smith; Aerodynamics for Engineers, Third Ediotion.Prentice Hall: New Jersey, 1998.
Hook, Cristopher and A.C. Kermode; Hydrofoils. Pitman Paperbags: London, 1967.
The International Hydrofoil Societys Web Page:http://www.erols.com/foiler/index.html
.