Аэродинамическое качество паруса

Термином аэродинамическое качество паруса обозначают вполне определённое число – отношение величины подъёмной силы к величине лобового сопротивления К = Y / X =
C_Y / C_X . Такое именование этого отношения обусловлено тем, что именно оно определяет качество паруса как ветрового движителя.

Сила лобового сопротивления Х возникает при обтекании любого тела, лишь бы оно имело достаточную поверхность, обращённую к ветру. Значительные усилия конструкторов машин, предназначенных для движения в воздушной среде, направлены на уменьшение силы Х. Эта сила направлена всегда в ту же сторону, что и движение ветра, поэтому её можно использовать только для плавания по ветру. Если бы парусное судно ограничивалось использованием только силы Х, оно было бы целиком в зависимости от направления ветра и не могло бы двигаться во встречном к ветру направлении. То есть, уйдя из одного места в другое на парусном судне, мы должны были бы ожидать смены погоды, смены ветра, чтобы вернуться обратно. К счастью, хорошие парусные суда могут ходить как по ветру, так и навстречу ветру почти с одинаковой скоростью. Именно этим и определяется практическая ценность парусного судна. В противном случае никогда бы развитие парусного мореплавания не получило такого размаха, какой наблюдался в эпоху до изобретения паровых двигателей.

Движение парусного судна навстречу ветра может осуществляться только за счет подъемной силы паруса Y. Будучи направлена перпендикулярно ветру, она всегда имеет определенную составляющую вперед по движению судна, если только нос судна не направлен строго против ветра (см. рис. 3.7).

Рис. 3.7.

Тогда, если мы каким-либо образом исключим возможность бокового сноса судна, оно под действием подъемной силы будет идти вперед при любом курсе, лишь бы был какой-нибудь, пусть малый, угол между направлением ветра и направлением судна. Однако прямо против ветра даже подъемная сила двигать судно не может. Но это не беда: достаточно лишь отклониться от направления ветра, как судно пойдет ему навстречу. Если же из точки А (рис. 3.7) необходимо попасть в точку В, находящуюся прямо в направлении, от которого дует ветер, следует после того, как судно достаточно прошло одним галсом, отклоняясь от цели, сделать поворот на другой галс, и уклониться в другую сторону так, чтобы попасть как раз в заданную точку.

Этот способ движения парусного судна против ветра называется лавировкой. Способность к лавировке определяется как раз подъемной силой, точнее соотношением величины подъемной силы к величине лобового сопротивления. Наличие лобового сопротивления приводит к тому, что при лавировке встречный ветер все-таки сносит судно назад, и если поставить судно под слишком малым углом к ветру, то лобовое сопротивление будет тянуть его назад с большей силой, чем подъемная сила – вперед. Иначе говоря, следует при лавировке выбирать оптимальный угол движения к ветру (угол лавировки) такой, при котором имеется достаточная тяга вперед, но уклонение от направления ветра не слишком значительно.

Способность к лавировке в наибольшей степени и напрямую определяется аэродинамическим качеством судна – отношением величины подъемной силы парусов к силе лобового сопротивления.

Аэродинамическое качество паруса в первую очередь зависит от угла атаки. Как при очень малых углах атаки (около 0°), так и при очень больших подъемная сила снижается до нуля. Следовательно, до нуля снижается и качество. При отклонении потока воздуха от нулевого угла атаки подъемная сила паруса резко растет, а лобовое сопротивление остается практически постоянным. Поэтому максимальное аэродинамическое качество паруса наблюдается при небольших углах атаки. Точке максимального качества на поляре паруса соответствует та точка, где поляры касается луч, проведенный из центра координат. Соответствующий угол является оптимальным углом установки паруса при лавировке против ветра. Его величина обычно находится где-то около 15°. Следует обратить внимание на то, что в точке оптимального качества парус развивает не максимальную подъемную силу, а обеспечивает наилучшее соотношение подъемной силы и лобового сопротивления.

Снижение аэродинамического качества паруса при увеличении угла атаки происходит по двум причинам. Первая состоит в том, что равнодействующая разницы давлений по сторонам полотнища паруса, направленная перпендикулярно поверхности паруса, отклоняется от перпендикуляра к направлению воздушного потока, и часть ее дает вклад в силу лобового сопротивления. Вторая причина – в том, что начиная с некоторого критического угла атаки поверхность паруса в задней его части оказывается сильно отклоненной от исходного потока, поэтому струи воздуха отрываются от поверхности паруса, и за точкой отрыва образуется область завихрений с повышенным давлением и потерями энергии на вихреобразование. При этом одновременно снижается подъемная сила и возрастает сопротивление.

Рассмотрим теперь влияние различных конструктивных особенностей на аэродинамическое качество и тяговые свойства паруса.

Влияние трения

Наиболее очевидная причина появления силы лобового сопротивления паруса, снижающей аэродинамическое качество, - это трение ветра о его поверхность.

По своей физической природе трение воздушного потока о поверхность паруса является не однородным фактором, а складывается из двух различных процессов, которые рассмотрим ниже.

Струя, непосредственно прилегающая к парусной ткани, как бы прилипает к ней и обволакивает ее неподвижным слоем воздуха, поверх которого скользят замедленные слои, и лишь на некотором удалении от поверхности скорость потока принимает значение, свойственное открытому пространству. Это – так называемое, ламинарное обтекание. Толщина замедленного поверхностного слоя при ламинарном обтекании очень мала и составляет не более 5% от длины обтекаемого профиля. Тем не менеее на замедление потока в поверхностном слое тратится определенная энергия, которая и приводит к появлению силы лобового сопротивления, причем эта сила становится тем больше, чем толще поверхностный слой.

Толщина поверхностного слоя возрастает по мере движения потока вдоль обтекаемой поверхности и тем интенсивнее, чем менее гладка эта поверхность, Отсюда следуют две рекомендации по уменьшению силы трения: нужно уменьшать по мере возможности неровность поверхности паруса и длину хорды паруса (ширину паруса) так, чтобы поверхностный слой не успевал развиваться до полного размера.

Однако ламинарное обтекание сохраняется только при достаточно малых скоростях потока. При больших скоростях в поверхностном слое образуются значительные перепады скорости отдельных слоев потока, что ведет к образованию завихрений, перемешивающих слои друг с другом. Обычно эти завихрения возникают не сразу. Возле передней кромки обтекаемого профиля поверхностный слой имеет ламинарный характер (рис. 3.8 а). Лишь после определенного накопления возмущающих воздействий со стороны шероховатостей поверхности, происходит скачкообразное преобразование потока в вихревой, или, как говорят, турбулентный поток (рис. 3.8 б). При этом часть паруса обтекается ламинарным, а часть – турбулентным поверхностным слоем.

Рис. 3.8.

Толщина турбулентного поверхностного слоя может в 4 раза превосходить толщину ламинарного поверхностного слоя. Соответственно увеличивается потеря энергии в поверхностном слое и сила трения. Существенным является также различие во взаимодействии ламинарного потока и турбулентного с неровностями обтекаемой поверхности. Если ламинарный поверхностный слой как бы сглаживает все неровности, обволакивая их гладкой поверхностью заторможенного воздуха, то в турбулентном слое неровности ведут к дополнительному образованию вихрей, потере энергии и росту силы сопротивления. Кроме того, наличие неровностей, превышающих толщину ламинарного поверхностного слоя, ведет к преждевременной турбулизации его и к тем большему росту сопротивления. За счет неровностей сопротивление турбулентного трения может, в свою очередь, возрасти в три раза. Отсюда видно, что гладкость паруса обеспечивает значительное снижение сопротивления трения; при этом особенно существенно обеспечить гладкость передней части паруса, которая препятствует развитию турбулентности.

Меры по обеспечению гладкости парусов особенно эффективны на малых туристских судах. Это видно из нижеследующей численной оценки коэффициента сопротивления трения.

Величина коэффициента трения в потоке показана на графиках рис. 3.9. Она определяется независимо от размеров тела и свойств обтекающего вещества некоторым безразмерным параметром R, называемым числом Рейнольдса. Это число пропорционально скорости потока V, длине обтекаемого профиля L и обратно пропорционально коэффициенту вязкости ν: R = VL / ν

Рис. 3.9.

На рисунке обозначено: 1 – график коэффициента трения при ламинарном обтекании; 2 – коэффициент трения на переходном режиме, когда передняя часть поверхности обтекается ламинарно, а задняя – турбулентно; 3 – коэффициент трения при турбулентном обтекании идеально гладкой поверхности; 4-7 – графики коэффициента трения при турбулентном обтекании поверхностей с шероховатостями высотой k.

В формуле для числа Рейнольдса коэффициент вязкости воздуха
ν = 1,5 .10^-5, длина профиля L = 2 м (для гротов типичных разборных судов), а скорость V < 10 м/сек (5-6 баллов), что соответствует R = 1,3∙10⁵. Именно в диапазоне чисел Рейнольдса от 10⁵ до 10⁶, характерной для малых судов, наблюдается наиболее существенная разница в силе трения при переходе от ламинарного к турбулентному обтеканию. Когда число Рейнольдса превосходит 2.10⁶ (точка А) сохранить ламинарное обтекание становится практически невозможным. Поэтому для больших судов с хордой паруса в несколько метров обтекание будет всегда турбулентным, независимо от гладкости паруса. Но при R < 10⁶ необходимо прилагать все возможные усилия для сохранения ламинарного обтекания. Для этого необходимо, чтобы шероховатости на парусе целиком помещались внутри поверхностного слоя. Они заведомо не должны превышать 0,5% от хорды паруса, т.е. должны составлять в задней части паруса не более 0,5 см при характерной хорде – 1 м. На передней кромке паруса толщина поверхностного слоя гораздо меньше, и опыт показывает, что ламинарность сохраняется, если в этой части поверхность имеет неровности, не превышающие k = 1,5 V, где скорость ветра V выражена в м/сек а k - в миллиметрах. Для скорости ветра 6 м/сек (4 балла) допустимая высота шероховатости составляет 0,25 мм. Такая степень гладкости недостижима для хлопчатобумажных парусов (с учетом швов), но может быть достигнута при применении синтетических тканей и пленок.

Наличие шероховатости паруса приводит не только к росту силы лобового сопротивления. Как мы видели в разделе 3.1.2, подъёмная сила парусов возникает главным образом за счёт разности скоростей потока с наветренной и подветренной стороны паруса. Сильное развитие поверхностного слоя, особенно при турбулёнтном обтекании существенно притормаживает обтекающий поток в целом и приводит к выравниванию его скорости по обе стороны парусины. Опыт показывает, что на шероховатой поверхности подъёмная сила может снижаться втрое по сравнению с гладкой. А если учесть, что гладкость паруса может уменьшить втрое лобовое сопротивление, приходим к выводу, что она может дать улучшение аэродинамического качества паруса чуть ли не в 10 раз.