 |
 |
|
| HYDROFOILS | ||
| KYSYMYKSIÄ TAI KOMMENTTEJA | ||
|
|
AUTHOR: | Tina Rosado |
| E-MAIL: | [email protected] | |
| KURSSI: | 2 | |
| LUOKKA/VUOSI: | 2 | |
PÄÄASIALLINEN TOIMINNALLINEN VAATIMUS: Nosta veneen runko veden ulkopuolelle.
SUUNNITTELUPARAMETRI: Hydrofoil (Se on veden alla oleva folio tai siipi, jota käytetään nostamaan veneen runkoa, kunnes se on kokonaan veden ulkopuolella.)
GEOMETRIA/RAKENNE:
Kantosiivekkeen geometrian yksityiskohdat
KUVAUS SEN TOIMINNASTA/KÄYTTÖÖNOTOSTA:
1. Pienillä nopeuksilla runko (aluksen runko) istuu vedessä ja kantosiivekkeet ovat täysin veden alla.
2. Kun veneen nopeus kasvaa, kantosiivekkeet luovat nostetta.
3. Tietyssä nopeudessa kantosiivekkeiden tuottama noste on yhtä suuri kuin veneen ja lastin painojen summa. Näin ollen runko nousee vedestä.
4. Sen sijaan, että nopeuden kasvaessa vastus kasvaisi, koska runko nousee vedestä (toisin kuin perinteisissä veneissä painevastuksen vuoksi), kantosiivekkeet tarjoavat tehokkaamman tavan matkustaa. Vetovastuksen pieneneminen edistää veneen liikkumiseen tarvittavan tehon parempaa käyttöä.
DOMINANTTIFYSIIKKA:
Miten nostovoima syntyy – Fluiddynamiikka.
Tässä hankkeessa esitetään kaksi selitystä yleisellä ja perusluonteisella tavalla. Nämä teoriat ovat Bernoullisin yhtälön jaEulersin yhtälön soveltaminen virtaviivan kaarevuusvaikutukseen.
Bernoullisin yhtälö: Po = P1 + ½
rv1² + rgy1 = P2 + ½rv2² + rgy2
| Muuttujat | Yksiköt |
| Po Staatiopaine | tai |
| P Paine | tai |
| r Tiheys | tai |
| V Nopeus | tai |
| g Gravitaatiovakio | tai |
| y Korkeus | tai |
Kantosiiven yksityiskohdat: a) Paineprofiili b) Momentinsiirto c) Kierto d) Virtaviivat
Tämä yhtälö koskee virtauksia virtaviivaa pitkin, jotka voidaan mallintaa seuraavanlaisiksi: näkymättömät, kokoonpuristumattomat, tasaiset, irrotationaaliset ja joille kehon voimat ovat konservatiivisia. Myös kalvon korkeusero (etäisyys alaosasta yläosaan) on niin pieni, että ero rgy2 – rgy1 on häviävän pieni verrattuna muiden termien eroon. Jäljelle jää, että paine plus puolet tiheydestä kertaa nopeuden neliö on yhtä suuri kuin vakio (pysähtymispaine).
Nopeuden kasvaessa näitä virtaviivoja pitkin paine laskee (tämä tulee pian tärkeäksi). Kalvon yläpinnan yli liikkuva neste liikkuu nopeammin kuin alapinnalla oleva neste. Tämä johtuu osittain visusvaikutuksista, jotka johtavat kierteiden muodostumiseen kalvon päähän.Jotta pyörteiden vastapäivään tapahtuvasta pyörimisestä aiheutuva kiertomomentti säilyisi, kalvon takareunan pyörteeseen on vaihdettava yhtä suuri mutta vastakkainen momentti. Tämä johtaa nesteen kiertoon kalvon ympärillä. Nopeuksien vektorisummaus johtaa suurempaan nopeuteen yläpinnalla ja pienempään nopeuteen alapinnalla.Soveltamalla tätä Bernoullisiin havaitaan, että kun kalvo leikkaa nestettä, nopeuden muutos tuottaa nosteeseen tarvittavan painehäviön. Kuten kaaviossa on esitetty, tuloksena oleva voima tai nettovoima (voima = (paine) (pinta-ala)) on ylöspäin. Tätä selitystä voidaan täydentää momentin säilymisperiaatteella (momentti = (massa)(nopeus)) Jos sellaisen hiukkasen nopeus, jolla on alkuperäinen momentti, kasvaa, syntyy reaktiomomentti, joka on yhtä suuri ja vastakkaissuuntainen kuin momenttien erotus. (Katso kaavio).(Mi = Mf + DM)
Eulersin yhtälö: d(p+rgy)/dn = rv²/R
| Muuttujat | Yksiköt |
| P Paine | tai |
| r Tiheys | tai |
| V Nopeus | tai |
| g Gravitaatiovakio | tai |
| y Korkeus | tai |
| n Vektori säteittäisessä suunnassa | — |
| R Virtausviivan kaarevuussäde | tai |
Detail of Pressure At Points Over An Airfoil
Here again, korkeuteen viittaava termi oletetaan merkityksettömäksi verrattuna yhtälön muihin termeihin. Tämän yhtälön mukaan virtaviivan kaarevuussäteen keskipisteestä kauemmas mentäessä virtaviivoihin kohdistuva paine kasvaa. Kalvon yläpinta on lähempänä virtaviivojen kaarevuuskeskipistettä, joten kalvon yläpuolella on pienempi paine kuin ympäristön paine. Yläpinnalla olevan paineen ja alapinnalla olevan ympäristön paineen välinen ero tuottaa nettopaineen, joka aiheuttaa nosteen.(Seediagrammi.)
Angle of Attack:
Angle of Attack
Kuten on esitetty, noste syntyy nesteen dynamiikasta foliota ympäröivillä alueilla. Nostovoima voidaan kuitenkin optimoida sijoittamalla kantosiipi kulmaan (suhteessa tulevan nesteen virtaukseen), jota kutsutaan kohtauskulmaksi (ks. kaavio). Tavoitteena on optimoida nostovoiman ja vastuksen suhde. Tämä suhde riippuu kalvon muodosta, joka tässä tapauksessa on ohut kalvo. Pienellä kohtauskulmalla nostovoima kasvaa nopeasti, kun taas vastus kasvaa pienellä nopeudella. Kun kulma on ~10°, nostovoima kasvaa hitaasti, kunnes se saavuttaa maksiminsa ~15°:ssa. Sakkaus voi alkaa ~15°:n jälkeen. Kun kohtauskulma on 3-4°, nostovoiman ja vastuksen suhde on suurimmillaan.Niinpä kalvo on tehokkaampi näissä kulmissa (3°ja 4°), jolloin nostovoiman ja vastuksen suhde on ~ 20-25:1.
LIIKEFYSIIKKA:
Kantosiivekkeen geometrian yksityiskohdat
Aluksi voi ajatella, että sakkaus olisi todennäköisesti kantosiivekkeissä samanlainen ongelma kuin ilmakilvissä, mutta yllättäen näin ei ole. Jyrkkää kohtauskulmaa ei tarvita kantosiiven suunnittelussa. Päinvastoin, kantosiivissä käytetään pieniä kohtauskulmia nostovoiman ja vastuksen suhteen optimoimiseksi, kuten edellä on selitetty.
Ensisijainen huolenaihe on siivekkeen, jousien/tukien ja niiden sijoittelun suunnittelu. Kaikki nämä ominaisuudet on otettava huomioon. Ominaisuudet on siis suunniteltu siten, että ne tuottavat vähimmäisnopeuden, joka nostaa tietyn painoisen veneen ja pitää sen folion pinnalla.
Yksi kantosiipialuksen ongelmaksi voi muodostua aaltojen korkeus, joka on suurempi kuin tukijalat. Jos vene kulkee aaltoja nopeammin, kalvot saattavat myös rikkoutua pintaan ja veden ulkopuolelle, jolloin nostovoima heikkenee ja nousukulma on negatiivinen, kun kalvo sukeltaa seuraavaan aaltoon, jolloin vene syöksyy mereen. Insinöörit ovat suunnitelleet kantosiivekkeitä minimoidakseen nämä rajoitukset ja parantaakseen alusten suorituskykyä.
PLOTS/GRAPHS/TABLES:
None Submitted
SOME HYDROFOILS JA NIIDEN KÄYTTÖ:
Kantosiivekkeistä on tullut erittäin suosittuja. Niitä käytetään monenlaisessa merimatkailussa,sotilaskäytöstä vesiurheiluun. Suurta nopeutta, tasaista kulkua ja parempia käännöksiä, joita kantosiivekkeet tarjoavat, on käytetty sotilasaluksissa. Myös purjehduksessa kantosiipialukset on otettu käyttöön nopeuden lisäämiseksi. Ne mahdollistavat uusia keksintöjä, jotka voivat tyydyttää ihmisten halun haastaa vaarat, kuten sky ski. Se on vesihiihto, johon on kiinnitetty kantosiipi, jonka avulla ihmiset voivat lentää veden pinnan yläpuolella. Kantosiipialuksia käytetään päivä päivältä enemmän, ja tulevaisuudessa ne voivat olla vallitseva tapa matkustaa merellä.
LISÄTIETOJA/LISÄTIETOJA:
Katso myös tältä sivustolta: Airfoil, Sailboats
Alexander, Alan, James Grogono ja Donald Nigg; Hydrofoil Sailing. JuanitaKalerghi: London, 1972.
Bertin, John ja Michael Smith; Aerodynamics for Engineers, Third Ediotion.Prentice Hall: New Jersey, 1998.
Hook, Cristopher ja A.C. Kermode; Hydrofoils. Pitman Paperbags: London, 1967.
The International Hydrofoil Societys Web Page:http://www.erols.com/foiler/index.html
.