 |
 |
|
| HYDROFOILOK | ||
| KÉRDÉSEK VAGY KOMMENTÁR | ||
|
|
AUTHOR: | Tina Rosado |
| E-MAIL: | [email protected] | |
| COURSE: | 2 | |
| OSZTÁLY/ÉV: | 2 | |
FŐ FUNKCIONÁLIS KÖVETELMÉNY:
FŐ FUNKCIONÁLIS KÖVETELMÉNY: A hajótest kiemelése a vízből.
TERVEZÉSI PARAMÉTER: Hydrofoil (Ez egy fólia vagy szárny a víz alatt, amelyet a hajótest kiemelésére használnak, amíg az teljesen ki nem kerül a vízből.)
GEOMETRIA/STRUKTÚRA:
A hidroprofil geometria részletei
Magyarázat arra, hogy hogyan működik/használódik:
1. Alacsony sebességnél a hajótest (a hajótest) a vízben van, és a szárnyashajók teljesen a vízbe merülnek.
2. Ahogy a hajó sebessége nő, a szárnyashajók felhajtóerőt hoznak létre.
3. Egy bizonyos sebességnél a szárnyashajók által létrehozott felhajtóerő megegyezik a hajó és a rakomány súlyának összegével. Ezért a hajótest kiemelkedik a vízből.
4. Ahelyett, hogy a sebesség növekedésével nőne a légellenállás, mert a hajótest kiemelkedik a vízből (ellentétben azzal, ami a hagyományos hajóknál a nyomásellenállás miatt történik), a hidroprofilok hatékonyabb utazási módot biztosítanak. A légellenállás csökkentése hozzájárul a hajó mozgatásához szükséges teljesítmény jobb kihasználásához.
DOMINÁLT FIZIKA:
Hogyan keletkezik a felhajtóerő – áramlástan.
Ezért a projektért két magyarázatot mutatunk be általános és alapvető módon. Ezek az elméletek a Bernoullis-egyenlet ésEulers-egyenlet alkalmazása az áramvonal-görbületi hatásra.
Bernoullis egyenlet: Po = P1 + ½
rv1² + rgy1 = P2 + ½rv2² + rgy2
| Változók | Egységek |
| Po Állónyomás | vagy |
| P Nyomás | vagy |
| r Sűrűség | vagy |
| V Sebesség | vagy |
| g Gravitációs állandó | vagy |
| y Magasság | vagy |
Detail of Hydrofoil:
Ez az egyenlet olyan áramlásra vonatkozik, amely egy áramvonal mentén halad, amely modellezhető: inviszid, inkompresszibilis, állandósult, irrotációs és amelynél a testerők konzervatívak. A fólia magasságának (az alsó szakasz és a felső szakasz közötti távolság) különbsége is elég kicsi ahhoz, hogy az rgy2 – rgy1 különbség elhanyagolható legyen a többi tag különbségéhez képest. Ami megmarad, az az, hogy a nyomás plusz a sűrűség fele szorozva a sebesség négyzetével egyenlő egy konstanssal (a stagnálási nyomás).
Amint nő a sebesség ezen áramvonalak mentén,a nyomás csökken (ez rövidesen fontos lesz). A fólia felső felületén mozgó folyadék gyorsabban mozog, mint az alján lévő folyadék. Ez részben a látóhatásoknak köszönhető, amelyek a fólia végén csúcsok kialakulásához vezetnek.Az örvények óramutató járásával ellentétes irányú forgása által okozott szögnyomaték megőrzése érdekében a fólia hátsó szélénél lévő örvényekkel azonos, de ellentétes irányú nyomatékcserének kell történnie. Ez a folyadék keringéséhez vezet a fólia körül. A sebességek vektoriális összegzése a felső felületen nagyobb, az alsó felületen pedig kisebb sebességet eredményez.Ezt Bernoullisra alkalmazva megfigyelhető, hogy amint a fólia átvág a folyadékon, a sebességváltozás a felhajtóerőhöz szükséges nyomásesést eredményezi. Az ábrán látható módon a keletkező vagy nettó erő (erő=(nyomás)(terület)) felfelé irányul. Ez a magyarázat gazdagítható az impulzusmegmaradás elvével (impulzus = (tömeg)(sebesség)) Ha egy kezdeti impulzusú részecske sebessége megnövekszik, akkor az impulzusok különbségével azonos nagyságú és irányú reaktív impulzus keletkezik. (Lásd az ábrát).(Mi = Mf + DM)
Eulers egyenlet: Egységek
A szárnyvonal feletti pontokon a nyomás részlete
Itt is, a magasságra utaló kifejezés elhanyagolhatónak tekinthető az egyenletben szereplő többi kifejezéshez képest. Ez az egyenlet azt mondja ki, hogy az áramvonal görbületi sugarának középpontjától távolodva az áramvonalra ható nyomás növekszik. A fólia felső felülete közelebb van az áramvonalak görbületi középpontjához, ezért a fólia felett a környezeti nyomásnál alacsonyabb lesz a nyomás. A felső felületen lévő nyomás és az alsó felületen lévő környezeti nyomás közötti különbség nettó nyomást eredményez, amely a felhajtóerőt okozza.(Seediagram.)
Támadási szög:
A támadási szög
A felhajtóerő a fóliát körülvevő területeken lévő folyadék dinamikájából ered. A felhajtóerő azonban optimalizálható a hidroprofil (a beáramló folyadékáramláshoz viszonyított) szögben történő elhelyezésével, amelyet támadási szögnek nevezünk (lásd az ábrát). A cél a felhajtóerő és a légellenállás arányának optimalizálása. Ez az arány a fólia alakjától függ,amely ebben az esetben vékony fóliának tekinthető. Kis állásszög esetén a felhajtóerő gyorsan nő, míg a légellenállás kis mértékben növekszik. ~10°-os állásszög után a felhajtóerő lassan növekszik ~15°-ig, ahol eléri a maximumot. ~15° után beállhat az átesés. Amikor a támadási szög 3-4°, a felhajtóerő:légellenállás arány a legnagyobb.Tehát a fólia ezeknél a szögeknél (3°és 4°) hatékonyabb, a felhajtóerő-ellenállás arány ~ 20-25:1
Limitáló fizika:
A hidroprofil geometria részletei
Az emberek elsőre azt gondolhatják, hogy a hidroprofiloknál a szárnyprofilokhoz hasonlóan valószínűleg az elakadás is probléma lesz, de meglepő módon nem az. A meredek állásszögre nincs szükség a szárnyasprofilok tervezésénél. Éppen ellenkezőleg, kis állásszögeket használnak a szárnyasprofiloknál a felhajtóerő-ellenállás arány optimalizálása érdekében, ahogyan azt már korábban elmagyaráztuk.
Az elsődleges szempont a fólia, a merevítők/támaszok és azok elhelyezése. Mindezeket a jellemzőket figyelembe kell venni. Tehát a jellemzőket úgy tervezik, hogy egy minimális sebességet hozzanak létre, amely felemeli a bizonyos súlyú hajót, és fóliázva tartja.
A szárnyashajó egyik problémája, hogy a hullámok magassága nagyobb, mint a merevítők. Továbbá, ha a hajó gyorsabban halad, mint a hullámok, a fóliák a felszínre és a vízen kívülre törhetnek, ami a felhajtóerő elvesztését és negatív állásszöget eredményez, amikor a fólia a következő hullámba merül, és a hajó a tengerbe csapódik. A mérnökök szárnyashajókat terveztek, hogy minimalizálják ezeket a korlátokat és javítsák a hajók teljesítményét.
TÁBLÁK/TÁBLÁK:
None Submitted
SOME HYDROFOILS AND THEUR USE:
Hydrofoils have become very popular. Különféle tengeri utazásoknál használják őket,a katonai felhasználástól a vízi sportokig. A nagy sebességet, a sima utazást és a jobb fordulatszámot biztosító szárnyashajókat katonai hajókon használják. A vitorlázás is átvette a szárnyashajókat a nagyobb sebesség elérése érdekében. Olyan új találmányokat tesznek lehetővé, amelyek kielégítik az emberek vágyát, hogy kihívják a veszélyt, mint például a sky ski. Ez egy vízi síléc, amelyhez egy hidroprofil csatlakozik, és amely lehetővé teszi az emberek számára, hogy a vízfelszín felett repüljenek. Napról napra több szárnyashajót használnak, és a jövőben ezek lehetnek a tengeri utazás uralkodó módszerei.
Hivatkozások/TOVÁBBI INFORMÁCIÓK:
Lásd még ezen az oldalon: Airfoil, Sailboats
Alexander, Alan, James Grogono és Donald Nigg; Hydrofoil Sailing. JuanitaKalerghi: London, 1972.
Bertin, John és 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