 |
Глава 2 ПРИКЛАДНАЯ АЭРОДИНАМИКА ПАРУСА Современная теория паруса основывается на положениях аэродинамики крыла, элементы которой были рассмотрены в гл. 1 (см. 1.7. «Сопротивление дрейфу». Механика возникновения аэродинамической силы на парусе, изготовленном из ткани, в принципе аналогична и для жесткого профилированного крыла. В любом поперечном сечении паруса должна развиться циркуляция потока воздуха, как вокруг профиля крыла (см. рис.8), чтобы появилась подъемная сила. Естественно, что аэродинамика паруса из ткани имеет ряд существенных отличий от жесткого крыла, каким, например, является яхтенный киль. Вследствие эластичности ткани парус изменяет свой профиль под влиянием потока воздуха. Он обладает способностью скручиваться — изменять угол атаки по отношению к ветру по высоте. В отличие от получивших распространение аэродинамических профилей со сравнительно толстой входящей кромкой парус имеет острую переднюю кромку и выпукло-вогнутую форму, образованную тонким материалом. Наконец, передней кромкой парус может крепиться к мачте, имеющей довольно большое поперечное сечение, что вносит существенное изменение в картину обтекания паруса потоком и в распределении давления по ширине паруса. Наиболее важные элементы, влияющие на аэродинамику паруса, будут рассмотрены дальше, но для начала установим влияние составляющих аэродинамической силы на движение яхты при различных курсах относительно ветра . Рис. 19. Схема сил, действующих на паруса яхты; основные угловые параметры движения и установки парусов: b — путь яхты по отношению к вымпельному ветру; l — угол дрейфа; a — угол атаки паруса; d — угол установки паруса относительно ДП яхты; Vи — скорость истинного ветра; V — скорость яхты; Vв — скорость вымпельного ветра; Vнв — скорость прямо против ветра Если яхта идет курсом бейдевинд, то под действием набегающего потока воздуха на парусах, установленных под углом атаки а к направлению вымпельного ветра, возникает результирующая аэродинамическая сила А (рис. 19). По аналогии с жестким крылом эту силу можно разложить на две составляющие: подъемную силу У, перпендикулярную направлению .вымпельного ветра, и лобовое сопротивление X, действующее по направлению ветра. В дальнейшем эти силы мы будем использовать для рассмотрения характеристик паруса и всего парусного вооружения в целом. Для того чтобы оценить влияние аэродинамической силы А на движение яхты, представим ее в виде двух других составляющих: силы тяги Т, направленной по оси движения судна, и перпендикулярной ей силы дрейфа D. Направление движения яхты (путь) отличается от ее курса на величину угла дрейфа l однако в дальнейшем анализе этим углом можно пренебречь. Предположим, что на выбранном курсе бейдевинд удалось увеличить подъемную силу на парусе до величины Y1, а лобовое сопротивление не изменилось. Силы Y1 и X, будучи сложенными по правилу сложения векторов, образуют новую аэродинамическую силу A1. Изменятся и ее составляющие относительно оси движения яхты T и D. Без вычислений можно сказать, что в данном случае с увеличением подъемной силы увеличатся и сила тяги, и сила дрейфа (рис. 20).
Рис 20. Роль составляющих аэродинамической силы на различных курсах относительно вымпельного ветра Аналогичное построение позволяет убедиться, что при увеличении лобового сопротивления на курсе бейдевинд сила тяги уменьшается, а сила дрейфа увеличивается. Таким образом, при плавании в лавировку экипаж яхты должен стремиться по возможности добиться образования на парусах максимальной подъемной силы при минимальной величине лобового сопротивления. Иными словами, для острых курсов необходима работа паруса с максимальным аэродинамическим качеством, которое численно выражается в отношении подъемной силы к лобовому сопротивлению K=Y/X Отметим, что на курсе бейдевинд вымпельный ветер, являющийся результатом сложения векторов истинного ветра и движения яхты, имеет наивысшую скорость ив (см. рис. 19, б), что сказывается на величине обеих составляющих аэродинамической силы— Y и X. На курсе галфвинд подъемная сила является силой тяги, а лобовое сопротивление—силой дрейфа. Если лобовое сопротивление увеличить, то увеличится только сила дрейфа. Однако на ходовые качества яхты это влияет в заметно меньшей степени, чем на курсе бейдевинд, поскольку скорость вымпельного ветра на курсе галфвинд снизилась и, следовательно, величина силы дрейфа меньше. На курсе бакштаг парус работает на больших углах атаки, при которых подъемная сила оказывается значительно меньше лобового сопротивления. Если увеличить лобовое сопротивление, то тяга и сила дрейфа увеличатся. При возрастании подъемной силы тяга также увеличивается, а сила дрейфа уменьшается. Следовательно, на курсе бакштаг рост и подъемной силы и (или) лобового сопротивления увеличивает тягу. Сила дрейфа тем больше, чем больше лобовое сопротивление. На курсе фордевинд угол атаки паруса близок к 90°, поэтому подъемная сила на парусе равна нулю, а лобовое сопротивление направлено по оси движения яхты и становится силой тяги. Сила дрейфа равна нулю. Следовательно, на курсе фордевинд для увеличения силы тяги нужно увеличивать лобовое сопротивление парусного вооружения, что на гоночных яхтах достигается постановкой дополнительных парусов—спинакера и блупера, имеющих большую площадь и плохо обтекаемую форму. Отметим, что на курсе фордевинд на паруса действует вымпельный ветер минимальной скорости, в результате чего на паруса действуют сравнительно умеренные силы. 2.2. Особенности работы паруса как крыла Только при небольшом значении угла атаки, когда на остром и тонком профиле еще не образуется подъемная сила, парус обтекается потоком воздуха, одинаково плавным с нижней и с верхней стороны. При небольшом увеличении угла атаки критическая точка перемещается на нижнюю сторону профиля и потоку приходится огибать острую кромку с большой скоростью. В результате у входящей кромки образуется значительное разрежение и под влиянием этого разрежения пограничный слой отрывается от поверхности профиля, образуя на его спинке вихревой пузырь. При достаточно большой скорости ветра поток быстро поглощает энергию вихрей и слой вновь присоединяется к поверхности профиля на некотором расстоянии от входящей кромки (рис. 21). Рис. 21. Режим обтекания паруса и распределение пониженного давления (разрежения) по ширине профиля в зависимости от угла атаки a Вихревой пузырь, размеры которого увеличиваются по мере увеличения угла атаки, вносит существенные изменения в распределение пониженного давления вдоль подветренной стороны паруса по сравнению с показанным на рис. 10 распределением давления на жестком профиле с толстой скругленной передней кромкой. Напомним, что именно разрежение на подветренной стороне паруса играет основную роль в создании подъемной силы и, следовательно, силы тяги на острых к ветру курсах. На рис. 21 представлены результаты замеров разрежения на жестком выпукло-вогнутом профиле, аналогичном парусу. На малых углах атаки профиль обтекается плавным ламинарным потоком. При а = 4° начинается отрыв пограничного слоя. В этот момент достигается наивысшее разрежение, пик которого расположен вблизи входящей кромки. При a = 6° вихревой пузырь занимает на подветренной стороне около 25% хорды профиля Ь. Разрежение уменьшается, и эпюра его становится более плавной. При a = 10° пузырь охватывает всю ширину профиля, его толщина составляет 3,5% Ь. Давление повышается в 2,5 раза по сравнению с разрежением при a=4°; пика разрежения практически нет—оно равномерно распределено по всей ширине профиля. Значит, подъемная сила существенно снизилась, а лобовой сопротивление возросло (см. рис. 27). Таким образом, на курсе бейдевинд увеличение угла атаки паруса к вымпельному ветру более 5—6° нежелательно. На реальном парусе вихревой пузырь представляет собой невидимый глазу цилиндрический валик, распространяющийся по всей высоте паруса. Чем больше выбран шкот, тем большая часть подветренной поверхности паруса захватывается вихревым валиком, уменьшая подъемную силу. Для выбора оптимального угла атаки в последние годы используются индикаторы обтекания в виде ленточек из тонкой ткани, закрепленных на определенном расстоянии от передней шкаторины с обеих сторон паруса (рис. 22) . Рис 22 Принцип работы (а) и установка индикаторов обтекания на стакселе (б): О—критическая точка. А—точка отрыва пограничного слоя, Б—точка возврата пограничного слоя. В—переход ламинарного режима потока в турбулентный Таким местом является точка Б возврата пограничного слоя к поверхности паруса. При угле атаки a = 5° она отстоит от передней шкаторины примерно на 15% ширины паруса в каждом его поперечном сечении. Как только вихревой пузырь достигнет этой точки, ленточка индикатора на подветренной поверхности паруса, ранее направленная назад по потоку воздуха, отклонится вверх и вперед, указывая на возникновение здесь вихрей. Дальнейшее выбирание шкотов — увеличение угла атаки — не только бесполезно, но даже вредно, так как приводит к большой потере подъемной силы. Установка трех-четырех подобных индикаторов, равномерно распределенных по высоте стакселя, облегчает рулевому правильный выбор курса при лавировке. Выбрав наивыгоднейшим образом шкоты для данного курса, ведут яхту таким образом, чтобы индикаторы на наветренной стороне стакселя слегка подрагивали, а на подветренной были вытянуты в сторону задней шкаторины (рис. 23). Рис. 23. Поведение индикаторов в зависимости от угла атаки паруса Причиной падения подъемной силы на парусе является срыв потока с его подветренной стороны при увеличении угла атаки (что соответствует подбиранию шкотов или уваливанию яхты), поэтому главную роль играют индикаторы, расположенные на подветренной стороне. Если они начинают подниматься и совершать беспорядочные движения, значит, необходимо привести яхту к ветру или потравить шкоты. Угол атаки, при котором подъемная сила перестает расти, называется критическим углом атаки. Его величина зависит от глубины и формы «пуза» паруса, аэродинамического удлинения l (оно для парусов вычисляется так же, как и для килей и рулей), наличия у передней шкаторины мачты или обтекателя штага. В слабый ветер поток воздуха происходит при меньших углах атаки, чем в сильный. При постановке стакселя перед гротом благодаря повышению скорости потока в зазоре между обоими парусами момент срыва сдвигается в сторону больших углов атаки. Обратное действие оказывает мачта: срывающиеся с нее на подветренную сторону паруса вихри способствуют срыву потока при меньших углах атаки. При увеличении угла атаки сверх критического подъемная сила падает, одновременно растет лобовое сопротивление. При a = 90° подъемная сила на парусе не создается: он обладает лишь лобовым сопротивлением.
Рис. 24. Поляра паруса (а) и силы, действующие на парус на курсе галфвинд (б) Скручивание паруса. С выбором оптимального угла атаки паруса связано его свойство скручиваться, т. е. изменять угол атаки по высоте. При выбирании шкотов удается контролировать только нижнюю треть паруса; в верхней же части ткань имеет возможность несколько отклоняться на подветер, уменьшая тем самым угол атаки. Если не предусмотреть специальных средств для контроля скручивания паруса, то разность в углах атаки или угол скручивания может достичь 20°. А так как парус выбирают, ориентируясь на поведение его верхней части (пока не перестанет заполаскивать ткань у передней шкаторины), то нижняя часть оказывается работающей с избыточными углами атаки. Здесь может произойти срыв потока с подветренной стороны и соответственно упасть подъемная сила. Следовательно, тяга скрученного паруса оказывается ниже, чем если бы каждое его сечение по высоте имело оптимальный угол атаки. Особенно сильно заметно скручивание паруса на полных курсах и при свежем ветре, когда шкоты потравлены и нок гика задирается вверх. При этом верхняя часть паруса уходит под ветер и почти заполаскивает, а нижняя работает под слишком большим углом атаки. Для уменьшения скручивания грота на большинстве яхт применяют оттяжки гика, препятствующие задиранию нока вверх, а также проводку гика-шкота с одним или двумя поперечными погонами, простирающимися на всю ширину яхты. При смещении ползуна гика-шкота к борту яхты тяга шкотов становится почти вертикальной, благодаря чему удается держать заднюю шкаторину паруса на острых курсах более тугой. Свидетельством правильной регулировки натяжения оттяжки гика может служить одновременное (по всей высоте) заполаскивание ткани у передней шкаторины при потравливании шкота. Было бы ошибкой считать, что парус вообще не должен иметь скручивания по высоте, т. е. иметь все сечения повернутыми относительно гика на один и тот же угол. На крупных яхтах надо учитывать изменение скорости и направления вымпельного ветра по высоте и наличие в верхней части паруса перетекания воздуха из зоны повышенного давления на подветренную сторону. В зависимости от высоты парусности и скорости ветра получается разность в углах атаки от 3—5° в бейдевинд до 10—12° на курсе бакштаг. В таких пределах скручивание паруса допустимо и способствует более эффективной его работе. Циркуляция воздуха вокруг крыла (см. рис. 10), появляющаяся вместе с аэродинамической силой, вызывает незначительные по скорости поперечные потоки воздуха Vu у входящей и выходящей кромок. Вследствие перетекания воздуха через кромки у концов крыла эти потоки усиливаются и отклоняют основной поток, набегающий на крыло, так, что угол атаки жесткого треугольного бермудского паруса по мере приближения к вершине увеличивается и близ фалового угла примерно на 20% превышает угол атаки средней части паруса. Близ гика фактический угол атаки, наоборот, несколько уменьшается. Таким образом, если бы парус не имел скручивания, то его верхняя часть работала бы при закритических углах атаки и практически не участвовала бы в создании движущей силы. Опытный экипаж постоянно контролирует и регулирует скручивание паруса в зависимости от силы ветра и курса яхты с помощью оттяжки гика и перемещения нижнего блока гика-шкота по погону. Рис 25 Характер обтекания мачта—с эллиптическим поперечным сечением, б — с параболической передней кромкой, в — с парусом, поставленным по подветренной кромке Поляра паруса. Характеристикой аэродинамических качеств паруса является поляра — график изменения подъемной силы в зависимости от лобового сопротивления и угла атаки (рис. 24, а). Для того чтобы поляру можно было применить к парусу любых размеров, по осям координат откладывают не значения сил, а безразмерные коэффициенты подъемной силы Су и лобового сопротивления Сх. Данные для построения поляры получают в результате продувок моделей парусов в аэродинамических трубах. С помощью поляры можно определить величины подъемной силы и лобового сопротивления, а также их составляющих — проекций на направление движения яхты. Опустив, например, из точки поляры, соответствующей углу атаки a = 20°, перпендикуляр на ось движения яхты, можно найти величину коэффициента силы тяги СT как отрезка прямой АО. Длина самого перпендикуляра АВ будет не что иное, как коэффициент силы дрейфа CD. Умножив численные значения коэффициентов СT и CD на площадь паруса S и скоростной напор r·v/2 , можно получить величину соответствующих сил. Поляра паруса позволяет определить наивыгоднейший угол установки парусов на данном курсе по отношению к ветру. Максимальная тяга, очевидно, определяется перпендикуляром к оси движения яхты, который одновременно является касательной к поляре. Угол атаки a = 14°, определяемый точкой касания С, будет в данном случае наивыгоднейшим. Соответствующий ему угол установки паруса относительно ДП яхты d несложно найти, вычтя из курсового угла (по отношению к вымпельному ветру b дрейф l) и угол атаки а (см. рис. 19). Несложно выполнить аналогичные построения для различных значений курсового угла b и определить наивыгоднейшие углы установки паруса и соответствующие им углы атаки. Можно убедиться, что для данного паруса почти на всех острых углах к ветру, вплоть до бакштага, наивыгоднейшие углы атаки близки и находятся в пределах 14—15°. Влияние мачты. Мачта является источником образования завихрений, которые особенно неблагоприятно сказываются на формировании потока на подветренной стороне паруса. Здесь вихревой след мачты уменьшает разрежение, вследствие чего уменьшается и величина подъемной силы Кроме того, сама мачта обладает достаточно большим лобовым сопротивлением. Большую роль играет форма поперечного сечения мачты, особенно передней ее кромки, на которой формируется поток. Важно, чтобы на курсе бейдевинд, когда яхта идет под углом 25—30° к вымпельному ветру, вихревая дорожка, срывающаяся с подветренной стороны мачты, имела бы минимальную ширину. Парус за мачтой с параболическим поперечным сечением и тупой кормовой кромкой обладает более высоким аэродинамическим качеством, чем за мачтой эллиптического сечения (рис. 25). Наиболее оптимальным оказывается вариант мачты с парусом, закрепленным передней шкаториной близ ее подветренной стороны: качество его работы на 40% выше, чем паруса с эллиптической мачтой. Это лишнее свидетельство тому, что отрицательное влияние мачты в основном распространяется на подветренную сторону паруса. Мачта, имеющая большое поперечное сечение, может снизить подъемную силу паруса на 25% по сравнению с парусом, поставленным на штаге. Особенно велики потери подъемной силы при постановке паруса на рельсе с ползунками, когда в щель между мачтой и парусом перетекает воздух с наветренной стороны паруса в область пика разрежения на подветренной стороне. Неудачны мачты цилиндрического сечения, без сужения к топу в верхней части отношение диаметра мачты к уменьшающейся здесь ширине паруса становится велико. Может оказаться, что часть паруса близ фалового угла вообще не будет участвовать в создании подъемной силы, а следовательно, и тяги на курсе бейдевинд. Наибольшее распространение на яхтах получили мачты, имеющие овальное поперечное сечение, с соотношением около 3 : 2, обеспечивающее большую продольную жесткость. Каплевидные и другие типы обтекаемых профилей целесообразны только в том случае, если мачта вращается для установки под наивыгоднейшим углом к вымпельному ветру при перемене галса. Такими мачтами снабжают обычно буера и катамараны. |
 |
|
