 |
 |
|
| HYDROFOILS | ||
| PYTANIA LUB UWAGI | ||
|
|
AUTOR: | Tina Rosado |
| E-MAIL: | [email protected] | |
| KURIER: | 2 | |
| KLASA/ROK: | 2 | |
GŁÓWNE WYMAGANIE FUNKCJONALNE: Podniesienie kadłuba łodzi poza wodę.
PARAMETR PROJEKTOWY: Wodolot (jest to folia lub skrzydło pod wodą używane do podniesienia kadłuba łodzi, aż znajdzie się on całkowicie poza wodą.)
GEOMETRIA/STRUKTURA:
Szczegóły geometrii wodolotu
WYJAŚNIENIE JAK TO DZIAŁA/ JEST UŻYWANE:
1. Przy małych prędkościach kadłub (korpus statku) siedzi w wodzie, a wodoloty są całkowicie zanurzone w wodzie.
2. Gdy prędkość łodzi wzrasta, wodoloty wytwarzają siłę nośną.
3. Przy pewnej prędkości siła nośna wytwarzana przez wodoloty równa się sumie masy łodzi i ładunku. Dlatego kadłub wychodzi z wody.
4. Zamiast wzrostu oporu wraz ze wzrostem prędkości, ponieważ kadłub jest podnoszony z wody (w przeciwieństwie do tego, co dzieje się w tradycyjnych łodziach z powodu oporu ciśnieniowego), wodoloty zapewniają bardziej efektywny sposób pływania. Zmniejszenie oporu przyczynia się do lepszego wykorzystania mocy potrzebnej do poruszania się łodzi.
FIZYKA DOMINANTÓW:
Jak powstaje siła nośna – Dynamika płynów.
Dla celów tego projektu zostaną przedstawione dwa wyjaśnienia w sposób ogólny i podstawowy. Teorie te są zastosowaniem równania Bernoullisa i równania Eulersa dla efektu zakrzywienia linii strumienia.
Równanie Bernoullisa: Po = P1 + ½
rv1² + rgy1 = P2 + ½rv2² + rgy2
| Zmienne | Jednostki |
| Po. Ciśnienie spiętrzenia | lub |
| P Ciśnienie | lub |
| r Gęstość | lub |
| V Prędkość | lub |
| g Stała grawitacyjna | lub |
| y Wysokość | lub |
Szczegóły wodolotu: a) Pressure Profile b) Momentum Transfer c) Circulation d) Streamlines
Równanie to stosuje się do przepływów wzdłuż linii strumienia, które mogą być modelowane jako: inviscid, incompressible, steady, irrotational and forwhich the body forces are conservative. Również różnica na wysokości folii (odległość od dolnej części do górnej) jest na tyle mała, że różnica rgy2 – rgy1 jest pomijalna w porównaniu z różnicą pozostałych członów. Pozostaje więc fakt, że ciśnienie plus połowa gęstości razy prędkość podniesiona do kwadratu równa się stałej (ciśnienie stagnacji).
W miarę wzrostu prędkości wzdłuż tych linii strumienia, ciśnienie spada (będzie to ważne za chwilę). Płyn, który porusza się nad górną powierzchnią folii, porusza się szybciej niż płyn na dole. Aby zachować moment pędu spowodowany obrotem wirów w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, musi nastąpić równa, lecz przeciwna wymiana pędu z wirem na spływowej krawędzi folii. Prowadzi to do cyrkulacji płynu wokół folii. Suma wektorowa prędkości daje w wyniku większą prędkość na górnej powierzchni i mniejszą na dolnej. Stosując to do Bernoullisa zauważa się, że gdy folia przecina płyn, zmiana prędkości wytwarza spadek ciśnienia potrzebny do uzyskania siły nośnej. Jak widać na wykresie, siła wynikowa lub netto (siła= (ciśnienie)(powierzchnia)) jest skierowana ku górze. Wyjaśnienie to można wzbogacić o zasadę zachowania pędu.(Pęd = (masa)(prędkość)) Jeżeli prędkość cząstki o pędzie początkowym jest zwiększana, to powstaje pęd reakcyjny równy co do wielkości i przeciwny co do kierunku do różnicy pędów. (Patrz wykres).(Mi = Mf + DM)
Równanie Eulersa: d(p+rgy)/dn = rv²/R
| Zmienne | Jednostki |
| P Ciśnienie | lub |
| r Gęstość | lub |
| V Velocity | lub |
| g Gravitational Constant | lub |
| y Height | lub |
| n Vector in Radial Direction | -.– |
| R Radius of Curvature of Streamline | or |
Detail of Pressure At Points Over An Airfoil
Tutaj ponownie, termin odnoszący się do wysokości jest z założenia pomijalny w porównaniu z innymi terminami w równaniu. Równanie to mówi, że w miarę oddalania się od środka promienia krzywizny linii opływowej, ciśnienie na linie opływowe rośnie. Górna powierzchnia folii znajduje się bliżej środka krzywizny strumienia, dlatego też ciśnienie na niej będzie niższe niż ciśnienie otoczenia nad folią. Różnica między ciśnieniem na górnej powierzchni a ciśnieniem otoczenia na dolnej powierzchni wytworzy ciśnienie netto, które spowoduje uniesienie.(Seediagram.)
Kąt natarcia:
Angle of Attack
Jak to zostało przedstawione, unoszenie pochodzi z dynamiki płynu w obszarach otaczających folię. Ale winda może być zoptymalizowana przez ustawienie wodolotu pod kątem (w stosunku do napływającego płynu) zwanym kątem natarcia (patrz diagram). Celem jest zoptymalizowanie stosunku siły nośnej do oporu. Stosunek ten zależy od kształtu folii, która w tym przypadku jest uważana za cienką folię. Przy małym kącie natarcia, siła nośna wzrasta gwałtownie, podczas gdy opór wzrasta w niewielkim tempie. Po przekroczeniu kąta ~10° wznoszenie rośnie powoli aż do ~15°, gdzie osiąga maksimum. Po ~15° może nastąpić przeciągnięcie. Gdy kąt natarcia wynosi od 3° do 4° stosunek siły nośnej do oporu jest maksymalny.Tak więc folia jest bardziej wydajna przy tych kątach (3° i 4°) ze stosunkiem siły nośnej do oporu ~ 20 do 25:1
FIZJOLOGIA OGRANICZAJĄCA:
Szczegóły geometrii wodolotu
Na początku ludzie mogą myśleć, że przeciągnięcie będzie problemem w wodolotach, tak jak w płatowcach, ale zaskakująco tak nie jest. Stromy kąt natarcia nie jest konieczny przy projektowaniu wodolotu. Wręcz przeciwnie, małe kąty natarcia są stosowane w wodolotach, aby zoptymalizować stosunek siły nośnej do oporu, jak wyjaśniono wcześniej.
Pierwszym problemem jest konstrukcja profilu, rozpórek/wsporników i ich rozmieszczenie. Wszystkie te cechy muszą być brane pod uwagę. Tak więc cechy te są zaprojektowane tak, aby wytworzyć minimalną prędkość, która uniesie łódź o określonej wadze i utrzyma ją w powietrzu.
Jednym z problemów, jakie może napotkać wodolot jest wysokość fal, która jest większa niż rozpórki. Ponadto, jeśli jednostka jest podróżowanie szybciej niż fale, foilscould złamać do powierzchni i na zewnątrz wody, co powoduje utratę skoku i ujemny kąt natarcia, gdy folia nurkuje do następnej fali, co sprawia, że jednostka rozbić się w morzu. Inżynierowie zaprojektowali wodoloty, aby zminimalizować te ograniczenia i poprawić osiągi statków.
PLOTS/GRAPHS/TABLES:
None Submitted
SOME HYDROFOILS AND THEIR USE:
Hydrofoils stały się bardzo popularne. Są one wykorzystywane w różnego rodzaju podróżach morskich, od zastosowań wojskowych do sportów wodnych. Duża prędkość, gładki rejs i lepsze zakręty dostarczane przez wodoloty zostały wykorzystane w okrętach wojskowych. Żeglarstwo również zaadoptowało wodoloty, aby uzyskać większą prędkość. Umożliwiają one nowe wynalazki, które mogą zaspokoić ludzkie pragnienie stawienia czoła niebezpieczeństwu, jak na przykład sky ski. Jest to narta wodna z zamontowanym wodolotem, który pozwala ludziom latać nad powierzchnią wody. Każdego dnia używa się coraz więcej wodolotów, a w przyszłości mogą one stać się dominującą metodą podróżowania po morzu.
REFERENCJE/WIĘKSZE INFORMACJE:
Zobacz również na tej stronie: Airfoil, Sailboats
Alexander, Alan, James Grogono, and Donald Nigg; Hydrofoil Sailing. JuanitaKalerghi: London, 1972.
Bertin, John i 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
.