 |
 |
|
| HYDROFOILS | ||
| ÎNTREBĂRI SAU COMENTARII | ||
|
|
AUTORI: | Tina Rosado |
| E-MAIL: | [email protected] | |
| COURSE: | 2 | |
| CLASĂ/AN: | 2 | |
CERINȚĂ FUNCȚIONALĂ PRINCIPALĂ:
: Ridicarea corpului bărcii în afara apei.
PARAMETRU DE PROIECTARE: Hydrofoil(Este o folie sau o aripă sub apă folosită pentru a ridica corpul bărcii până când aceasta se află total în afara apei.)
GEOMETRIE/STRUCTURĂ:
Detalii ale geometriei hidroforului
EXPLICAȚII PRIVIND CUM FUNCȚIONEAZĂ/SE UTILIZEAZĂ:
1. La viteze mici, coca (corpul navei) stă în apă, iar hidrofoarele sunt total scufundate în apă.
2. Pe măsură ce viteza ambarcațiunii crește, hidrofoarele creează portanță.
3. La o anumită viteză, portanța produsă de hidrofoare este egală cu suma greutății ambarcațiunii și a încărcăturii. Prin urmare, coca iese din apă.
4. În loc de a avea o creștere a rezistenței la înaintare odată cu creșterea vitezei, deoarece coca este ridicată din apă (spre deosebire de ceea ce se întâmplă în cazul ambarcațiunilor tradiționale din cauza rezistenței la presiune), hidrofoilele oferă un mod mai eficient de croazieră. Diminuarea rezistenței la înaintare contribuie la o mai bună utilizare a puteriinecesare pentru deplasarea ambarcațiunii.
FIZICA DOMINANTĂ:
Cum se produce portanța – Dinamica fluidelor.
În scopul acestui proiect se vor prezenta două explicații în mod general și de bază. Aceste teorii sunt aplicarea ecuației lui Bernoullis și a ecuației luiEulers pentru efectul de curbură a liniei de aer.
Ecuația Bernoullis: Po = P1 + ½
rv1² + rgy1 = P2 + ½rv2² + rgy2
| Variabile | Unități |
| Po Presiunea de stagnare | sau |
| P Presiunea | sau |
| r Densitatea | sau |
| V Viteza | sau |
| g Constanta gravitațională | sau |
| y Înălțime | sau |
Detalii ale hidroavionului: a) Profilul de presiune b) Transferul de moment cinetic c) Circulația d) Linii de curent
Această ecuație se aplică curgerilor de-a lungul unei linii de curentcare pot fi modelate ca fiind: invizibile, incompresibile, staționare, irotaționale și pentrucare forțele corpului sunt conservative. De asemenea, diferența de înălțime a foliei (distanța de la secțiunea inferioară la cea superioară) este suficient de mică pentru ca diferența rgy2 – rgy1 să fie neglijabilă în comparație cu diferența dintre restul termenilor. Ceea ce rămâne este că presiunea plus jumătate din densitate înmulțită cu viteza la pătrat este egală cu o constantă (presiunea de stagnare).
Ca urmare a creșterii vitezei de-a lungul acestor linii de curent,presiunea scade (acest lucru va deveni important în scurt timp). Fluidul care se deplasează pe suprafața superioară a foliei se deplasează mai repede decât fluidul de pe partea inferioară. Acest lucru se datorează în parte efectelor vâscoase care duc la formarea de vârfuri la capătul foliei.Pentru a conserva momentul unghiular cauzat de rotația în sens invers acelor de ceasornic a vârtejurilor, trebuie să existe un schimb de moment egal, dar opus, cu vârtejul de la marginea de fugă a foliei. Acest lucru duce la circulația fluidului în jurul foliei. Însumarea vectorială a vitezelor are ca rezultat o viteză mai mare pe suprafața superioară și o viteză mai mică pe suprafața inferioară.Aplicând acest lucru la Bernoullis, se observă că, pe măsură ce folia taie fluidul, schimbarea vitezei produce căderea de presiune necesară pentru ridicarea. Așa cum este prezentată în diagramă, forța rezultată sau netă (forță= (presiune)(suprafață)) este ascendentă. Această explicație poate fi îmbogățită cu principiul conservării momentului (moment = (masă) (viteză)). Dacă viteza unei particule cu un moment inițial este mărită, atunci există un moment reactant egal în mărime și opus în direcție cu diferența dintre momente. (A se vedea diagrama).(Mi = Mf + DM)
Ecuația lui Eulers: d(p+rgy)/dn = rv²/R
| Variabile | Unități |
| P Presiune | sau |
| r Densitate | sau |
| V Viteza | sau |
| g Constanta gravitațională | sau |
| y Înălțimea | sau |
| n Vector în direcție radială | — |
| R Raza de curbură a liniei de aer | sau |
Detalii ale presiunii în punctele de deasupra unui profil aerodinamic
Iarăși aici, termenul care se referă la înălțime este considerat neglijabil în comparație cu ceilalți termeni din ecuație. Această ecuație spune că, pe măsură ce vă îndepărtați de centrul razei de curbură a unei linii aerodinamice, presiunea pe liniile aerodinamice crește. Suprafața superioară a foliei este mai aproape de centrul de curbură al liniilor de curgere, prin urmare va exista o presiune mai mică decât presiunea ambientală deasupra foliei. Diferența dintre presiunea de pe suprafața superioară și presiunea mediului ambiant de la suprafața inferioară va produce o presiune netă care va cauza portanța.(Seediagramă.)
Angle of Attack:
Angle of Attack
Angle of Attack
Așa cum a fost prezentată, portanța provine din dinamica fluidului în zonele care înconjoară folia. Dar portanța poate fi optimizată prin poziționarea foliei hidraulice la un unghi (în raport cu fluxul de fluid care intră) numit unghi de atac (vezi diagrama). Scopul este de a optimiza raportul dintre portanță și rezistență. Acest raport depinde de forma foliei, care, în acest caz, este considerată o folie subțire. Cu un unghi de atac mic, portanța crește rapid, în timp ce rezistența la înaintare crește cu o rată mică. După un unghi de ~10°, portanța crește încet până la ~15°, unde atinge un maxim. După ~15° se poate produce o pierdere de viteză. Când unghiul de atac este între 3° și 4°, raportul portanță:rezistență este maxim.Așadar, folia este mai eficientă la acele unghiuri (3°și 4°), cu un raport portanță/ rezistență la înaintare de ~ 20-25:1
FIZICA LIMITARĂ:
Detalii ale geometriei hidroforului
La început, oamenii se pot gândi că este posibil ca în cazul hidroforului, ca și în cazul profilurilor aerodinamice, să existe o problemă legată de pierderea de viteză, dar, în mod surprinzător, nu este așa. Un unghi de atac abrupt nu este necesar în proiectarea hidroforului. Dimpotrivă, unghiurile de atac mici sunt folosite la hidrofori pentru a optimiza raportul portanță/ rezistență, așa cum s-a explicat anterior.
Ceea ce este o preocupare primară este proiectarea foliei, a lonjeroanelor/suporturilor și poziționarea lor. Toate aceste caracteristici trebuie să fie luate în considerare. Așadar, caracteristicile sunt proiectate pentru a produce o viteză minimă care să ridice barca de o anumită greutate și să o mențină pe foil.
O problemă cu care se poate confrunta o ambarcațiune hidrofoil este ca înălțimea valurilor să fie mai mare decât cea a lonjeroanelor. De asemenea, în cazul în care ambarcațiunea se deplasează mai repede decât valurile, foilepot să se rupă la suprafață și în afara apei, ceea ce duce la o pierdere de portanță și la un unghi de atac negativ atunci când foile se scufundă în următorul val,făcând ca ambarcațiunea să se prăbușească în mare. Inginerii au proiectat hidrofoile pentru a minimiza aceste limitări și pentru a îmbunătăți performanța navelor.
LOCUINȚE/GRAFICURI/TABELURI:
Nimic prezentat
Câteva hidrofoare și utilizarea lor:
Hidrofoarele au devenit foarte populare. Ele sunt folosite în diferite tipuri de călătorii pe mare,de la uz militar la sporturi nautice. Viteza mare, croaziera lină și virajele mai bune oferite de hidrofoile au fost folosite pe navele militare. De asemenea, navigația cu vele a adoptat hidrofoilele pentru a obține mai multă viteză. Acestea permit noi invenții care pot satisface dorința oamenilor de a înfrunta pericolul, cum ar fi sky ski-ul. Acesta este un schi nautic la care este atașat un hidrofoil care permite oamenilor să zboare deasupra suprafeței apei. În fiecare zi se folosesc tot mai multe hidrofoile, iar în viitor, acestea ar putea fi metoda dominantă de deplasare pe mare.
REFERINȚE/MAI MULTE INFORMAȚII:
Vezi și pe acest site: Airfoil, Sailboats
Alexander, Alan, James Grogono, and Donald Nigg; Hydrofoil Sailing. JuanitaKalerghi: Londra, 1972.
Bertin, John și Michael Smith; Aerodynamics for Engineers, Third Ediotion.Prentice Hall: New Jersey, 1998.
Hook, Cristopher și A.C. Kermode; Hydrofoils. Pitman Paperbags: London, 1967.
Pagina web a Societății Internaționale de Hidrofori:http://www.erols.com/foiler/index.html
.