 |
 |
|
| HYDROFOILS | ||
| Spørgsmål eller kommentarer | ||
|
|
AUTHOR: | Tina Rosado |
| E-MAIL: | [email protected] | |
| KURSUS: | 2 | |
| KLASSE/ÅR: | 2 | |
HOVEDFUNKTIONELLE KRAV:
HOVEDFUNKTIONELLE KRAV:
DESIGN PARAMETER: Hydrofoil (Det er en folie eller vinge under vandet, der bruges til at løfte bådens skrog, indtil det er helt uden for vandet.)
GEOMETRI/STRUKTUR:
Detaljering af hydrofoilens geometri
UDDANNELSE AF HVORDAN DEN FUNGERERER/BRUGES:
1. Ved lave hastigheder ligger skroget (skibets krop) i vandet, og hydrofoils er helt nedsænket i vandet.
2. Efterhånden som bådens hastighed øges, skaber hydrofoils løft.
3. Ved en vis hastighed er det løft, der produceres af hydrofoils, lig med summen af bådens og lastens vægt. Derfor kommer skroget ud af vandet.
4. I stedet for at have en stigning i luftmodstanden med stigende hastighed, fordi skroget løftes ud af vandet (i modsætning til, hvad der sker i traditionelle både på grund af trykmodstand), giver hydrofoils en mere effektiv måde at sejle på. En reduktion af luftmodstanden bidrager til en bedre udnyttelse af den kraft, der er nødvendig for bådens bevægelse.
DOMINANTE FYSIK:
Hvordan opstår løftet – Fluid Dynamics.
Til brug for dette projekt vil der blive givet to forklaringer på en generel og grundlæggende måde. Disse teorier er anvendelsen af Bernoullis-ligningen og Eulers-ligningen for strømlinjekrølningseffekten.
Bernoullis-ligningen: Po = P1 + ½
rv1² + rgy1 = P2 + ½rv2² + rgy2
| Variabler | Enheder |
| Po Stagnationstryk | eller |
| P Tryk | eller |
| r Massefylde | eller |
| V Hastighed | eller |
| g Gravitationskonstant | eller |
| y Højde | eller |
Detalje af flyveplade: a) Trykprofil b) Momentoverførsel c) Cirkulation d) Strømlinier
Denne ligning gælder for strømninger langs en strømlinie, som kan modelleres som: inviskide, inkompressible, stabile, irroterende, og for hvilke kropskræfterne er konservative. Forskellen i foliens højde (afstanden fra den nederste sektion til den øverste) er også lille nok til, at forskellen rgy2 – rgy1 er ubetydelig i forhold til forskellen i resten af termerne. Tilbage er, at trykket plus en halv massefylde gange hastigheden i kvadrat er lig med en konstant (stagnationstrykket).
Da hastigheden langs disse strømlinier øges, falder trykket (dette vil blive vigtigt om lidt). Den væske, der bevæger sig over den øverste overflade af folien, bevæger sig hurtigere end den væske, der befinder sig i bunden. Dette skyldes bl.a. visusvirkninger, som fører til dannelse af hvirvler for enden af folien.For at bevare vinkelmomentet som følge af hvirvlernes rotation mod uret skal der ske en lige stor, men modsatrettet impulsudveksling med hvirvlen ved foliens bagkant. Dette fører til en cirkulation af væsken omkring folien. Vektorsummen af hastighederne resulterer i en højere hastighed på den øverste overflade og en lavere hastighed på den nederste overflade.Ved at anvende dette på Bernoullis kan det konstateres, at når folien skærer gennem væsken, giver hastighedsændringen det trykfald, der er nødvendigt for at opnå løftet. Som det fremgår af diagrammet, er den resulterende eller nettokraft (kraft = (tryk) (areal)) opadgående. Denne forklaring kan suppleres med princippet om momentets bevarelse (moment = (masse)(hastighed)). Hvis hastigheden for en partikel med et indledende moment øges, er der et reaktant moment, som er lige stort og modsatrettet forskellen mellem de to momenter. (Se diagram).(Mi = Mf + DM)
Eulers ligning: d(p+rgy)/dn = rv²/R
| Variabler | Enheder |
| P Tryk | eller |
| r Massefylde | eller |
| V Hastighed | eller |
| g Gravitationskonstant | eller |
| y Højde | eller |
| n Vektor i radial retning | — |
| R Radius af strømlinjens krumningsradius | eller |
Detaljering af tryk i punkter over en flyveprofil
Her igen, antages det udtryk, der henviser til højden, at være ubetydeligt i forhold til de andre udtryk i ligningen. Denne ligning siger, at trykket på strømlinierne stiger, jo længere man bevæger sig fra centrum af en strømlinjes krumningsradius. Foliens øverste overflade er tættere på strømlinjernes krumningscentrum, og derfor vil der være et lavere tryk end det omgivende tryk over folien. Forskellen mellem trykket på den øverste overflade og det omgivende tryk på den nederste overflade vil give et nettotryk, som vil forårsage løftet (seediagram).
Angrebsvinkel:
Angrebsvinkel
Som det er blevet præsenteret, kommer løftet fra væskens dynamik i de områder, der omgiver folien. Men løftet kan optimeres ved at placere hydrofoilet i en vinkel (i forhold til den indkommende væskestrøm) kaldet angrebsvinklen (se diagrammet). Målet er at optimere forholdet mellem løfteevne og luftmodstand. Dette forhold afhænger af foliets form, som i dette tilfælde anses for at være et tyndt folie. Med en lille angrebsvinkel øges løftet hurtigt, mens modstanden øges med en lille hastighed. Efter en vinkel på ~10° stiger løftet langsomt indtil ~15°, hvor det når et maksimum. Efter ~15° kan der opstå stall. Når angrebsvinklen er 3° til 4°, er forholdet mellem løft og modstand maksimalt.Så folien er mere effektiv ved disse vinkler (3°og 4°) med et løfte/modstandsforhold på ~ 20 til 25:1
Begrænsende fysik:
Detalje af hydrofoils geometri
I første omgang kan folk tro, at stalling sandsynligvis vil være et problem i hydrofoils ligesom i flyveplaner, men det er det overraskende nok ikke. Der er ikke behov for en stejl angrebsvinkel ved udformningen af hydrofoil. Tværtimod anvendes der små angrebsvinkler på hydrofoils for at optimere forholdet mellem løfteevne og modstandskraft som forklaret ovenfor.
Det, der først og fremmest er vigtigt, er udformningen af folien, strøerne/støtterne og deres placering. Alle disse forhold skal tages i betragtning. De er således udformet til at frembringe en minimumshastighed, der kan løfte båden med en vis vægt og holde den i foil.
Et af de problemer, som et hydrofoilfartøj kan opleve, er, at bølgernes højde er større end strøerne. Hvis fartøjet sejler hurtigere end bølgerne, kan folierne også bryde op til overfladen og uden for vandet, hvilket resulterer i et tab af løft og en negativ angrebsvinkel, når foliet dykker ned i den næste bølge, hvilket får fartøjet til at styrte i havet. Ingeniører har konstrueret hydrofoils for at minimere disse begrænsninger og forbedre skibets ydeevne.
PLOTS/GRAPPER/TABELLER:
Ingen indsendt
Nogle hydrofoils og deres anvendelse:
Hydrofoils er blevet meget populære. De anvendes til forskellige former for sejlads til søs, lige fra militær brug til vandsport. Den høje hastighed, den jævne fart og de bedre sving, som hydrofoils giver, er blevet anvendt i militære skibe. Sejlsport har også taget hydrofoils i brug for at opnå større hastighed. De muliggør nye opfindelser, der kan tilfredsstille folks trang til at udfordre farer, som f.eks. skyski. Det er en vandski med en hydrofoil tilknyttet, som gør det muligt for folk at flyve over vandoverfladen. Hver dag anvendes flere hydrofoils, og i fremtiden vil de måske blive den dominerende metode til at rejse til søs.
REFERENCER/MER INFORMATION:
Se også på dette websted: Airfoil, Sailboats
Alexander, Alan, James Grogono, and Donald Nigg; Hydrofoil Sailing. JuanitaKalerghi: London, 1972.
Bertin, John og Michael Smith; Aerodynamics for Engineers, Third Ediotion.Prentice Hall: New Jersey, 1998.
Hook, Cristopher og A.C. Kermode; Hydrofoils. Pitman Paperbags: London, 1967.
The International Hydrofoil Societys Web Page:http://www.erols.com/foiler/index.html