Гидродинамика плавниковых элементов

Как мы видели при рассмотрении аэродинамики паруса, кроме силы тяги, направленной вдоль оси судна, ветер обычно вызывает появление силы дрейфа, направленной вбок. Часто сила дрейфа намного превосходит тягу, однако хорошее парусное судно не должно иметь заметного дрейфа (т.е. смещаться под ветер относительно направления корпуса). У классических спортивных судов это достигается тем, что корпус, имеющий значительное удлинение, оказывает гораздо меньшее сопротивление движению вдоль своей оси, чем поперек. При этом боковое сопротивление корпуса увеличивают приданием ему специальной формы с глубоко опущенным килем.

Современная практика яхтостроения показала, что задачу создания бокового сопротивления и противодействия дрейфу целесообразно решать с помощью устройства плавниковых элементов, которые собственно не являются частью корпуса. Такое решение представляется единственно возможным для разборных парусных судов, поскольку еще не предложено приемлемой схемы разборного судна с глубоко погруженным конструктивным килем. В действительности на всех разборных парусных судах борьба с дрейфом обеспечивается опусканием в воду крыловидных плавников (шверта или шверцев), плоскость которого примерно параллельна диаметральной плоскости судна.

Действие шверта полностью подобно работе крыла, поставленного вертикально. От работы паруса оно отличается только тем, что шверт имеет жесткую форму, которая не зависит от силы набегающего потока. Поэтому для усвоения дальнейшего материала полезно повторно рассмотреть разделы, посвященные аэродинамике паруса.

Под действием суммарной аэродинамической силы, имеющей как составляющую силы тяги, так и составляющую силы дрейфа, судно должно приобрести определенную скорость как по направлению оси судна, так и в перпендикулярном направлении. Следовательно шверт, находящийся в диаметральной плоскости, окажется в потоке воды, набегающем на него, с определенным углом атаки δ (угол дрейфа).

Этот угол определяется численным равенством силы дрейфа и подъемной силы шверта, которая может быть определена по поляре крыла. При малых углах дрейфа подъемная сила, возникающая на шверте симметричного профиля, может быть выражена формулой

F = ½ (ρ V²) C¹_у δ S ,

где ρ – плотность воды, V – скорость судна, C¹_у - коэффициент прироста силы на один градус угла атаки шверта, δ – угол дрейфа, S – площадь шверта.

Принимая во внимание, что эта сила уравновешивает силу дрейфа D, получим следующую формулу для угла дрейфа: δ = 2D/(ρ V² C¹_у S) (*). Иными словами: угол дрейфа прямо пропорционален силе дрейфа и обратно пропорционален площади шверта и квадрату скорости. Эффективность шверта кроме того определяется коэффициентом C¹_у , связанным с коэффициентом подъемной силы простым соотношением C_у = C¹_у δ . Из полученной формулы следует, что угол дрейфа сильно зависит от скорости судна. Поэтому площадь шверта, достаточно обеспечивающая противостояние дрейфу на максимальных скоростях данного судна, оказывается недостаточной при слабых ветрах. Однако увеличение площади шверта не только утяжеляет конструкцию судна, но и приводит к повышению его гидродинамического сопротивления, которое особенно на малых скоростях прямо зависит от площади смоченной поверхности. Повышенное лобовое сопротивление шверта в свою очередь снижает скорость судна и следовательно может привести к росту дрейфа.

На практике площадь шверта выбирается как компромисс между тремя факторами: вес судна, необходимая подъемная сила и дополнительное лобовое сопротивление. Поскольку шверт должен компенсировать силу дрейфа D, пропорциональную площади лавировочных парусов, площадь шверта выбирается как определенная доля от площади парусности судна. Считается, что достаточным является шверт площадью погруженной части в 5% от площади лавировочных парусов, (во всяком случае он должен быть не менее 3%). Так для 10-метровой парусности площадь шверта – 0,5 кв.м. Такая величина шверта определяется тем, что гидродинамические силы при прочих равных условиях значительно больше аэродинамических сил, пропорционально отношению плотности воды (ρ_воды ≈ 1 г/см³ ) к плотности воздуха (ρ_{воздуха} ≈ 0,0013 г/см³ ), т.е. в 800 раз. Однако при этом характерная скорость ветра (10 м/сек) в 3 раза превышает характерную скорость набегающего потока воды (8 м/сек), что приводит к уменьшению гидродинамических сил в 10 раз. С учетом этого мы можем взять площадь шверта в 20 раз меньше площади паруса и получить силу на нем в 4 раза больше силы тяги паруса при равном коэффициенте подъемной силы C_у . Равенство сил на парусе и шверте наступит тогда, когда угол атаки шверта (равный углу дрейфа) снизится в 4 раза по сравнению с углом атаки паруса и будет находиться в пределах до 5°, что является вполне приемлемым дрейфом на острых углах.

Увеличить подъемную силу шверта и, следовательно, уменьшить его площадь можно путем выбора оптимальной формы, обеспечивающей высокий коэффициент C_у . Как мы видели в разделе о подъемной силе паруса, этот коэффициент при малых углах атаки зависит от формы в плане (удлинение) и формы профиля в разрезе.

Оптимальный профиль шверта может быть выбран по специальным гидродинамическим атласам, но в практике самостоятельного изготовления трудно соблюсти требуемую форму. Однако достаточно хорошие результаты дает соблюдение нескольких простых условий:

а) Профиль шверта должен быть достаточно полным (аналогично пузу паруса). Толщина профиля – от 5 до 10% хорды.

б) Передняя кромка должна плавно соединять боковые поверхности без каких-либо резких изломов и острых граней.

в) Сечение профиля должно иметь каплевидную форму с максимальной толщиной, смещенной вперед. Поверхность шверта в каждой точке должна быть выпуклой, без провалов и вмятин.

г) Задняя кромка должна сходить на нет, но особенно заострять ее нет необходимости.

На многих спортивных парусных судах можно видеть шверты, изготовленные из одного тонкого листа фанеры или дюраля. Это, видимо, наихудший профиль. Его использование оправдывается исключительно простотой изготовления.

Форма шверта в плане должна характеризоваться достаточным удлинением. Значительная подъемная сила при углах атаки менее 5° появляется при удлинении 3 и выше. При этом только за счет перехода от удлинения 3 к удлинению 5 можно увеличить подъемную силу, противодействующую дрейфу на 30% или соответственно снизить угол дрейфа.

Обтекаемое каплевидное сечение и достаточное удлинение шверта не только увеличивает его подъемную силу, но и снижает лобовое сопротивление. Особенность обтекания плавниковых элементов состоит в том, что за счет малой длины обтекающих профиль струй возникает реальная возможность добиться ламинарного потока на большинстве режимов движения. Рассматривая обтекание корпуса и парусов, мы уже отмечали, что ламинарное обтекание характеризуется гораздо меньшей величиной сопротивления, чем обычно наблюдаемое турбулентное. Опыты на моделях яхт показали, что в этих условиях сопротивление шверта может составлять всего лишь 10% от сопротивления корпуса, хотя разница площади смоченной поверхности вовсе не столь велика. (Шверт площадью 0,5 м² имеет смоченную поверхность 1 м² , а днище корпуса – 2–3 м² ). Поэтому следует всячески заботиться о гладкой поверхности шверта, особенно в передней его части. Наличие зазубрин, выбоин, выступающих заклепок в районе передней кромки нарушает ламинарное обтекание и приводит к сильному росту сопротивления шверта.

Дополнительного снижения угла дрейфа можно добиться за счет несимметричности плавников. Действительно, если в условиях, когда шверт обеспечивает угол дрейфа 5°, его поставить не параллельно плоскости симметрии судна, а с углом атаки к курсу, равным также 5° в наветренную сторону, то корпус судна будет двигаться строго по курсу без дрейфа. Реализовать этот эффект можно, применяя шверт, качающийся вокруг вертикальной оси на 2-3° в стороны.

Другой способ используют на судах, оборудованных двумя шверцами. Их часто делают не с каплевидным сечением, а имеющими профиль самолетного крыла с выпуклой поверхностью, обращенной к борту, и плоской – снаружи. На каждом галсе работает только подветренный шверц, а наветренный выбирается из воды. При таком профиле шверц имеет заметную подъемную силу уже при нулевом угле атаки и может обеспечить движение судна без дрейфа.

Стараясь повысить эффективность швертов, следует помнить, что они создают силу, противостоящую дрейфу, только при наличии достаточной скорости. Но для парусного судна во многих случаях важно избавиться от дрейфа именно при малой скорости. На острых курсах сила тяги составляет только небольшую часть общей аэродинамической силы, поэтому судно не может развить значительной скорости. К тому же при поворотах оверштаг, необходимых для лавировки, легкое судно практически совсем останавливается и должно набирать скорость заново каждый раз. В этих условиях дрейф достигает значительных величин, и шверт должен работать при больших углах атаки. Если же обратиться к полярам, рис. 3.11, то мы увидим, что при больших углах атаки влияние формы на эффективность шверта перестает быть существенным, а удлинение становится даже отрицательным фактором. При больших углах дрейфа, характерных для малых скоростей, эффективность шверта определяется исключительно его площадью. Поэтому улучшение гидродинамических свойств шверта не дает возможность снижать его размеры, но позволяет улучшать ходовые качества судна, которое будет ходить с меньшим углом лавировки и с большей скоростью. При недостаточной площади шверта могут наблюдаться случаи «зависания в дрейфе», когда судно на курсе бейдевинд с нормально поставленными парусами двигается, не набирая скорости, с углом дрейфа около 30° и не слушается руля. Для исключения таких эффектов важно заботиться о сохранении достаточной скорости: прежде, чем ложиться на надлежащий курс, следует набирать скорость, идя с потравленными парусами менее круто к ветру, и лишь потом приводиться до того курса, при котором еще не теряется скорость.

Все выше сказанное о гидродинамике шверта полностью применимо к работе пера руля. Боковая подъемная сила, возникающая на пере, также может вносить свой вклад в компенсацию силы дрейфа. Поэтому площадь пера руля также учитывается наряду с площадью самого шверта при расчете необходимых размеров шверта. При этом необходимо только обеспечить такую настройку судна, чтобы руль в нормальных условиях на прямом курсе создавал силу, направленную на уваливание судна. Это означает, что подъемная сила пера направлена на ветер и складывается с подъемной силой шверта, уменьшая дрейф судна. Соответственно, при конструктивном расчете создаваемого судна ему стремятся сообщить небольшую склонность к приведению, располагая точку приложения аэродинамических сил слегка сзади точки приложения гидродинамических сил – центра бокового сопротивления.

Снизить сопротивление пера руля можно, если исключить его работу с большими углами атаки. Основная функция руля – создавать дополнительную боковую силу, которая поворачивает судно на нужный курс. Эффективность действия руля определяется произведением силы на длину рычага к которому она приложена. Следовательно, выгодно располагать перо руля как можно дальше от центра бокового сопротивления судна: тогда необходимый для поворота момент сил возникает при меньшем угле атаки пера руля, меньшей подъемной силе и меньшем лобовом сопротивлении.

На однокорпусных судах это достигается автоматически, когда рулевой механизм укрепляют на транце или ахтерштевне. Конструкция катамаранов позволяет более свободно выбирать систему подвески руля. Рекомендация относить руль как можно дальше в корму должна быть одним из факторов, влияющих на выбор того или иного варианта общей схемы судна. Хорошая уцентрованность судна также является способом снижения сопротивления руля, который не нужно будет постоянно держать в отклоненном положении.

[1] Слово «пузо» в парусном деле не имеет жаргонного характера, а является общепринятым техническим термином.

[2] Удлинением называют отношение высоты паруса к его средней ширине.

* Правильнее сказать - кинетическая энергия потока. Ниже: точнее, давление является мерой энергии потока.

** В общем случае это не так, но здесь речь о невысоких скоростях движения, когда сжимаемость воздуха не играет роли.

*** При необходимость двигаться под одним стакселем, а потом сбросить и его, при спущенном гроте может быть трудно быстро отдать фал, проходящий через собравшийся гармошкой карман грота.

- Г.Ш.