Яхтинг в Украине (www.stugna.kiev.ua).

Пирс "Обучение".
Гидроаэродинамика в парусном спорте.

 

1. Общая картина обтекания паруса
2. Основные принципы возникновения подъемной силы
3. Гоночный бейдевинд и гистерезис линии отрыва потока
4. Полные курсы и дорожка Кармана
5. Обтекание плавников
6. Полнота паруса
7. Угол входа потока
8. Закрытость задней шкаторины
Литература

1. Общая картина обтекания паруса

Большинство яхтсменов считают, что поток, обтекающий парус, параллелен плоскости воды, но реальная картина обтекания совершенно другая - поток сильно растекается по поверхности паруса. Линии тока, особенно в нижней и верхней части, искривлены настолько, что порой располагаются под прямым углом к основному потоку. Причем это справедливо не только для больших углов атаки, характерных для полных курсов, но и для лавировочного режима. Аэродинамики в этом случае говорят, что картина обтекания носит сугубо трехмерный характер. Максимальное искривление линий тока наблюдается на наветренной стороне в передней части паруса. Несмотря на большую разницу в траекториях линий тока на наветренной и подветренной сторонах, поток с паруса все-таки сходит в одном направлении и с одинаковой скоростью. Однако, сходит уже не совсем обычный поток, а вихревая пелена. Вихревая пелена сносится потоком и продолжает еще долго жить своей жизнью, образуя сложные когерентные структуры. Для яхтсменов этот возмущенный поток доставляет много неприятностей. Достаточно сказать, что в авиации вихревые жгуты от самолетов тянутся на несколько километров, живут достаточно долго и могут привести к катастрофам, попавших в них самолетов. Изучение дальнего вихревого следа это большая область гидроаэродинамики, но об этом бы еще успеем поговорить.

Еще одним интересным фактом является независимость основных параметров обтекания от силы ветра. Исключение может составлять лишь совсем слабый ветер, когда доминируют ламинарные режимы обтекания. Но на практике чаще встречаются турбулентные режимы. Турбулентность легче представить, как явление перемешивания слоев жидкости в потоке. Скорость в турбулентном потоке постоянно пульсирует, но для нас этот факт сам по себе мало интересен. Замечательным свойством турбулентных потоков является свойство автомодельности, благодаря которому и получается упомянутая выше независимость основных параметров обтекания от силы ветра. Т.е. с паруса неизменной формы будет сходить поток с одного и того же места, образуя одни и те же вихревые поля. Все это привело к тому, что инженерам для расчета крыла достаточно знать лишь несколько коэффициентов, зависящих только от формы крыла и направления набегающего потока. Эти коэффициенты могут однозначно охарактеризовать паруса как плохие или хорошие. Самым главным для нас является коэффициент подъемной силы Cy, менее важны коэффициент лобового сопротивления Cx, а также приводящий лодку момент Mz. Таким образом, можно сказать, что настраивая парус, мы оптимизируем его Cy, Cx и Mz. Реальная сила, действующая на парус, зависит от соответствующего коэффициента, квадрата скорости набегающего потока, размера паруса и плотности среды.

Из вышесказанного следует, что идеальный профиль не зависит от силы ветра. Это нашло свое отражение в создании высокоэффективных жестких парусов-крыльев, которые оптимально работают почти во всех диапазонах ветра. Но в гоночной практике все совсем иначе - при изменении силы ветра, как правило, меняют и настройку паруса. Но все не так просто, в двух словах эти исключения не описать и мы еще остановимся на настройке конкретных параметров формы паруса - полноте, угле входа потока и закрытости задней шкаторины. Но в широком диапазоне сил ветра, на ровной воде, существует некий оптимальный профиль паруса, который в дальнейшем будем называть идеальным. Сейчас лишь замечу, что при усилении ветра, когда нет возможности нести парус с идеальной формой, его уплощают до такой степени, чтобы избавиться от заполаскивания передней шкаторины. Для сильного ветра такой уплощенный парус является оптимальным, однако более тяжелый экипаж сможет дольше нести идеальную форму.

2. Основные принципы возникновения подъемной силы

Обтекание паруса и возникновение на нем подъемной силы это очень сложный физический процесс. По этой причине трудно отыскать оптимальный профиль паруса, угол его расположения к ветру и расположение относительно яхты. Рассмотрим отдельно обтекание наветренной и подветренной стороны паруса.

Простейшей для понимания является наветренная сторона. Ее роль в создании подъемной силы проста - нагнетание давления. Парус должен эффективно тормозить поток и создавать давление на наветренной стороне. В гидроаэродинамике существует зависимость, выведенная для идеальной жидкости, которая связывает скорость потока с давлением. Из нее следует, что чем меньше скорость потока в определенной точке относительно скорости ветра тем выше давление, т.е. чем сильнее мы остановили поток тем он оказывает нам большее сопротивление. Если скорость равна скорости ветра, то в данной точке давление равно нулю.

Итак, цель наветренной стороны паруса как можно сильнее уменьшить скорость потока. Форма здесь не имеет принципиального значения. На яхты зачастую ставят жесткие крылья, у которых вообще наветренная часть получается выгнутой в обратную сторону. В обоих случаях суммарное давление на наветре слабо отличается друг от друга, т.е. жесткие крылья и обычные приблизительно одинаково тормозят поток.

Если наветренная сторона паруса тормозит поток, то подветренная призвана его ускорять, вызывая разрежение давления. Если мы разогнали поток выше скорости ветра, то в такой точке мы получили разрежение давления и оно становится отрицательным. Работа отрицательного давления хорошо видна в воронке воды, где вращательная скорость частиц жидкости создает отрицательное давление, которое всасывает воду. Современная форма паруса позволяет эффективно разгонять поток на подветренной стороне, вызывая такое же всасывание, как и в примере с воронкой. Если мысленно отключить наветренную часть паруса от создания подъемной силы, то современное крыло все равно будет тянуть, за счет одной подветренной стороны! Это очень важно понимать, т.к. почти вся магия настройки паруса заключается в обеспечении эффективного обтекания подветренной стороны паруса. Мы должны сделать так, чтобы поток на ней максимально ускорился и не сорвался в отрыв. Однако совсем отрыва избежать в слабый ветер не удается. В этом случае задача сводится к тому, чтобы линию отрыва потока свести как можно дальше назад, т.к. за зоной отрыва наблюдается относительный застой и никакого разрежения уже не получается.

Если более пристально посмотреть на явление отрыва, то следует уточнить некоторые вещи. Так одной линии отрыва на самом деле не существует. Отрыв обычно множествен и есть много зон отрыва потока. Физика застойной зоны тоже не является черным ящиком. В ней наблюдаются возвратные течения. Так некоторые гонщики раньше вешали индикаторы в заднюю часть паруса и вели лодку таким образом, чтобы они указывали в обратную потоку сторону. Польза от такого подхода крайне сомнительна, но это уже другой вопрос. Отрыв приводит к устойчивому вихреобразованию, а вихри, в свою очередь, в дальнем следе, образуют когерентные структуры. Все это, в том числе и множественный отрыв, поддается прямому численному моделированию и компьютерному анализу.

Теперь поговорим немного о изгибе паруса, его форме. Почему она такая? Профиль должен эффективно ускорять поток на подветренной стороне. Если профили крыльев самолетов можно сделать не симметричными, причем так, что подъемная сила будет образовываться и при нулевом угле атаки только за счет подсоса с подветра, то у парусов так не получится. Отдельно профилировать разные стороны паруса возможности нет. С другой стороны, наветренная сторона не такая чувствительная к потоку как подветренная, а потому, рассматривать форму паруса следует в контексте только подветренной стороны. Нужно сделать такую поверхность, чтобы поток изогнулся, огибая ее, и сильно ускорился, не сорвавшись в отрыв. Здесь нужно еще знать, что изменения скорости потока без изменения его траектории не бывает. За это отвечает уравнение неразрывности сплошной среды. Это уравнение накладывает на векторное поле скоростей требование солиноидальности, т.е. в таком поле не может существовать источников и стоков. В итоге, если мы хотим плавно ускорить поток, не сорвав его, то мы должны его элегантно изогнуть. Посмотрите сейчас на свой парус, сможет ли его форма плавно изогнуть и ускорить поток?

3. Гоночный бейдевинд и гистерезис линии отрыва потока

Описание этого замечательного явления я нашел в одной из последних книг очень известного в мире "крыльевика", профессора С. М. Белоцерковского. Для парусных гонок плавание линии отрыва имеет решающее значение. Думаю, многие задавались вопросом, каким образом в физике проявляется техника руления на лавировке у спортсменов высокого уровня. Если стараться держать лодку прямолинейно хорошего результата не добиться. Например, гонщик, который идет очень тонко, зачастую перекручивая, оказывается не только выше, но еще и дальше своего более прямолинейного соперника. Этот парадокс привыкли списывать на что угодно, но только не на конкретные физические процессы. Снимая все вопросы, процитирую в вольном переводе Бена Эйнсли. Говоря о лавировке в слабый ветер, он рекомендует периодически перекручивать, а потом снова разгоняться. Лучшие мировые гонщики в совершенстве владеют этой техникой. Так почему лодка при такой технике идет не только круче, но и быстрее, ведь по уму на перекрутках лодка в скорости должна терять.

Все дело в плавании линии отрыва потока. Главное в обтекании паруса - подветренная сторона. Парус именно такой, чтобы на подветре вызвать нужное ускорение потока и, как следствие, разрежение давления, которое как бы подсасывает парус с подветра. Если на подветре случился отрыв, то парус обтекается с большой скоростью только до точки отрыва. Главный смысл настройки паруса должен сводиться к тому, чтобы сместить эту точку как можно дальше назад. На пузатых парусах, в слабый ветер, этот отрыв всегда есть. Причем он может начинаться еще до середины паруса. Если мы перекручиваем, то ветер смещает линию отрыва назад, а когда уваливаемся, линия отрыва возвращается на прежнее место. Казалось бы, ну и что - при перекручивании хоть и получаем более эффективное обтекание подветренной стороны, но сильно теряем в нагнетании давления на "наветре", причем эти потери заметно останавливают лодку. Смысла в этом действительно никакого нет, но все дело в том, что при уваливании на прежний курс линия отрыва возвращается вперед не сразу! Она как бы залипает в смещенном назад состоянии после перекрутки. В эти самые мгновения парус обтекается супер эффективно. Это и есть явление гистерезиса отрыва потока - при возвращении паруса в исходное положение, отрыв же в свое исходное состояние возвращается с некоторой заметной задержкой или вообще, при идеальных условиях, может так и остаться смещенным назад. Опытные гонщики, не зная ничего о физике, на ощущениях добиваются нужного ритма разгона и перекрутки. Грубейшей ошибкой является стабилизация курса с положения "полнее", отрыв потока в этом случае будет самым неблагоприятным.

Лодки со стакселем не такие чувствительные к гистерезису. Возможны такие ситуации, когда "плавающая" техника ничего не даст. Основной поставщик тяги - грот обдувается с подветра стакселем, что и так смещает отрыв назад до предела. Приведение приведет к уменьшению этого благоприятного потока со стакселя. Однако, однозначно сказать о вреде или пользе плавающей техники на "двойках" можно только с помощью экспериментов.

При усилении ветра роль этого явления нивелируется. Гонщики парус вынуждены делать плоским, чтобы избежать заполаскивания. Парус обтекается под очень маленьким углом атаки. Все это приводит к тому, что отрыв перестает существовать. Соответственно не может идти речи и о гистерезисе линии отрыва потока.

Возникает вопрос, а какой должна быть форма паруса для того, чтобы увеличить амплитуду перемещений линии отрыва. Очень много вопросов имеется по лодкам со стакселем. Также хотелось бы количественно оценить параметры плавающей техники. Насколько нужно перекручивать, сколько по времени должно длиться приведение, зависание, уваливание и прямолинейное движение. Имеет ли это все смысл при сильном ветре, когда отрыва с плоского паруса вообще может не оказаться. Чтобы ответить на эти вопросы нужно исследование. Натурные эксперименты в этой ситуации не годятся, т.к. кроме аэродинамической трубы нужно сделать сложные механизмы для перемещения самого паруса, отслеживания усилий на нем и визуализацию потока. Хорошим выходом здесь видится численный эксперимент. Современные методы расчета вязких течений позволяют с высокой точностью моделировать все явление без потерь, а также оперативно искать оптимумы для профилей паруса и ритма перемещений. Причем это все стало возможно только сейчас и содержательных исследований на эту тему пока еще не наблюдается.

4. Полные курсы и дорожка Кармана

Дорожка Кармана появляется на курсе фордевинд. Когда парус перебит и стоит под прямым углом к ветру, то образуются одинаковые условия срыва потока на передней и задней кромках паруса. Однако, в действительности отрыв происходит не совсем одинаково. Вихревая пелена, сорвавшись с паруса, выстраивается в шахматном порядке, срываясь с периодической интенсивностью с передней и задней шкаторин. Поток как бы гуляет по парусу, направляя большую свою часть то к передней, то к задней шкаторине. Образовавшуюся при этом когерентную структуру и принято называть дорожкой Кармана. На первый взгляд это явление яхтсменов должно слабо интересовать, но все дело в том, что пелена сильно влияет на распределение давления на парусе. Дорожка Кармана приводит к тому, что лодку на фордевинде в сильный ветер начинает раскачивать. А это уже очень большая проблема для яхтсменов.

Давайте попытаемся разобраться, какие есть способы избавления от дорожки Кармана. Для быстроходных яхт ситуация проще - в гонках они вообще не ходят курсом фордевинд, выставляют парус остро к ветру и картина обтекания паруса соответствует лавировочным режимам. Таким образом, если спускаться по ветру бакштагами, то проблемы раскачивания можно избежать. Но для многих швертботов это может оказаться не эффективно.

Чтобы упорядочить поток можно ослабить оттяжку гика. Психологически это сложно сделать, ибо лодка начинает крениться на наветренный борт, что не естественно. При ослабленной оттяжке гика появляется сопло в районе задней шкаторины паруса, там, где парус больше всего открыт. В это сопло и устремляется большая часть потока. Таким образом, передней шкаторине почти ничего не достается, поток становится упорядоченным, а поведение лодки предсказуемым. На практике было замечено, что при порыве, когда сила ветра гнет мачту и открывает парус, лодку не бросает в раскачку, а появляется однонаправленный кренящий момент на наветренную сторону. Наибольшие проблемы появляются у лодок с перебитым гротом. Так у Лазеров и Финнов становится сильно опущен нок гика, который при раскачке может зацепиться за воду и тогда уже переворот довольно сложно избежать.

Неопытные гонщики прибегает к другому способу предотвращения раскачки на фордевинде. Опасаясь потравить оттяжку гика, вдобавок, они добирают шкоты намного больше чем обычно. В таком режиме поток уже уходит в основном через мачту. Лодка ведет себя более предсказуемо и что самое главное, на порыве она кренится на "положенную" подветренную сторону. Но скорость при этом невелика. Кроме этого вследствие небольшой скорости на парус постоянно оказывается большое давление ветра, т. к. скорость вымпельного ветра на фордевинде в таких условиях растет. Яхтсменам, перебивающим парус, еще следует опасаться раскачки от волн, ведь за устойчивое глиссирование зацепиться уже намного сложнее.

В последнее время очень популярна техника хождения с периодическими переходами от прямого бакштага к обратному. Назовем такую технику плавающей. Эта техника хорошо описана, например, в книге Бена Эйнсли. Парус при таком подходе настраивают следующим образом: сильно отпускают оттяжку гика и кэннингхем. Траектория движения зависит от волны. Яхтсмен подбирает большую волну, а потом на обратном бакштаге с сильно потравленным гиком скатывается с нее. Рекомендуются большие углы. Следует заметить, что во всех режимах здесь основная часть потока уносится с задней шкаторины, благодаря потравленной оттяжке гика. Это действительно очень сбалансированная и эффективная техника движения курсом фордевинд. Так при скатывании с волны на обратном бакштаге, лодка накренена на гонщика, что позволяет избавиться от давления на руле и подставить волне днище лодки, что благоприятно сказывается на глиссировании. Если грамотно применять плавающую технику, то дорожка Кармана не будет образовываться. Высокая скорость добавит лодке остойчивости. Единственный минус такой техники ее сложность. Нужно очень точно рулить, практически на грани, и тонко чувствовать крен, зачастую перенося вес своего тела на борт, на котором расположен гик.

5. Обтекание плавников

Отойдем на короткое время от парусов и поговорим об особенностях обтекания килей, швертов и рулей. Тут тоже имеют место достойные внимания явления. Гонщику эта глава даст понимание, как следует расставить акценты в подготовке матчасти, яхтенному конструктору она даст намного больше.

С точки зрения гидродинамика яхтенные плавники это крылья. Их задача - подъемная сила. Не секрет, что на острых курсах яхта идет под некоторым углом, который фактически является углом атаки крыла, в данном случае - шверта и корпуса. Если на руле гонщик ощущает усилие, то это значит, что подъемная сила руля создает стабилизирующий момент, который компенсирует приводящий момент от парусов. Эти углы могут быть достаточно большие, например, многие обращали внимание, какой большой бурун образовывается на подветренной стороне яхты, а на наветренной маленький. Или замечали угол поворота руля, при большом крене доходящий до нескольких десятков градусов. По сути, парус, такое же крыло, как и плавники, и все, что справедливо было для паруса справедливо с небольшими дополнениями и для плавников.

Ошибочно считать, что толстый киль это плохо. Да, он создает сопротивление, но тонкий киль не сможет обеспечить достаточной подъемной силы. Однако для быстроходных яхт киль может быть намного тоньше и меньше. Подъемная сила увеличивается как квадрат скорости, что на больших скоростях приводит к неизбежному уменьшению угла атаки. Меньше угол атаки - следовательно, меньше вероятность отрыва потока с подветренной стороны шверта, и появляется возможность сделать его тоньше. Это приводит к интересной специфике скоростных катамаранов, так для Торнадо большой проблемой является сильный дрейф после потери скорости - шверты у катамарана маленькие, тонкие и при небольшой скорости работают крайне неэффективно, но стоит только катамарану ускориться, как лодка начинает идти с завидной крутизной.

У конструкторов килевых яхт часто появляется соблазн сделать киль тоньше. Здесь очень важно сохранять разумный компромисс. Ведь тонкий киль кроме низкой подъемной силы, низких весовых и прочностных характеристик имеет еще один серьезный недостаток, относящийся к особенностям его обтекания. Это небольшая подсасывающая сила, возникающая на передней кромке. Если передняя кромка хорошо спрофилирована, то она способна сильно компенсировать потери, возникающие из-за силы сопротивления. Правда, это справедливо только для острых курсов и больших углов атаки. На полных курсах более толстый киль проигрывает тонкому без вариантов. Но швертботы вообще лишены этого недостатка, а при проектировании килевых яхт основное внимание уделяется лавировочным качествам.

Итак, то за счет чего толстый киль может компенсировать потери на сопротивление, это подсасывающая сила. Давайте разберемся в ее сущности. Обтекая переднюю кромку крыла, расположенного под углом атаки, поток сильно ускоряется. Если передняя кромка имеет правильную эллиптическую форму, то на этой кромке образуется сильное разрежение давления, намного более сильное, чем на подветренной стороне крыла. Это вызвано тем, что искривление линий тока на передней кромке очень большое, а как было выше сказано, чем больше искривление, тем сильнее изменяется скорость потока - за это отвечает уравнение неразрывности. В данном случае поток резко ускоряется, доводя коэффициент давления до отрицательного значения. Это разрежение приводит к тому, что передняя кромка как бы тащит киль вперед. Таким образом, профилируя киль или шверт для относительно тихоходных яхт, следует особенное внимание обратить на переднюю кромку - она должна быть эллиптической и достаточно телесной. Тонкие передние кромки не смогут обеспечить хорошую подсасывающую силу. Швертботистам стоит уделить особое внимание подготовке шверта. Часто по передней кромке идет шов от соединения двух сторон, что вызывает сильные искажения формы передней кромки.

Для скоростных парусных досок подсасывающая сила не особо актуальна, там гидродинамики стараются бороться с кавитацией, что приводит к совершенно другим формам. Многокорпусники и яхты, развивающую скорость, достаточную для очень острых лавировочных углов, тоже слабо заинтересованы в подсасывающей силе. Конструкторы могут ее игнорировать. Интересно с этих позиций выглядит не самый скоростной класс Финн, имеющий в качестве шверта тонкий лист из тяжелого сплава. Этот монотип является ярким примером устаревания подходов к гидродинамике яхт.

В контексте подсасывающей силы все-таки стоит упомянуть паруса. От инженеров часто можно услышать о том, что жесткие крылья работают эффективней тканевых парусов. Так получается во многом благодаря подсасывающей силе. На простой мачте эта сила почти не образуется. Поворотная мачта-крыло это уже очень хороший компромисс, ну а полностью жесткое крыло с аэродинамической точки зрения оптимально. Единственная проблема здесь - скос вымпельного ветра по высоте - для максимальной эффективности необходимо иметь возможность изменять угол атаки по высоте крыла. В памятной серии гонок на кубок Америки между новозеландской мега-яхтой и американским катамараном, можно было увидеть жесткое крыло, состоящее из секций, которые могли поворачиваться на заданный угол. Такой парус стоял на катамаране и проблему скоса вымпельного ветра в принципе решал. Интересно в этой связи отметить, что эта громоздкая, ступенчатая конструкция - пока лучшее, что было создано для преобразования силы ветра в тягу. Идеальное решение - это жесткое крыло, деформирующееся необходимым образом под воздействием ветра для изменения углов атаки по высоте. Технологически, создание подобного, оправданного с практической стороны, паруса, пока представляется как фантастика.

Стреловидность киля тоже может иметь значение. Так, при крене яхты верхняя часть киля или шверта работает менее эффективно. Это обусловлено тем, что поток, обтекая днище накрененной яхты, попадает на киль уже возмущенным. При очень большом крене у некоторых килевых яхт киль вообще может частично выйти из воды. Все это приводит к тому, что центр давления опускается вниз, и если киль имеет стреловидность, то еще и назад. Это полезный эффект, т.к. при крене появляется сильный приводящий момент, который можно как раз и компенсировать отклонением плавника назад. На швертботах, имеющих поворотный шверт, например 470, Летучий голландец, в сильный порывистый ветер полезно отклонять шверт назад. Но если экипаж хорошо подготовлен и эффективно справляется с креном, или же приводящий момент компенсируется другими средствами, то поднятие шверта может не принести выгоды. Выгода от стреловидности также сомнительна на яхтах, у которых киль погружен глубоко и обводы не препятствуют эффективному обтеканию верхней части киля при крене. Вообще же стреловидность в чистом виде имеет цель упорядочить трехмерный поток, например, сильно отклоненные назад крылья истребителей обеспечивают устойчивую форму вихревых жгутов в большом диапазоне углов атаки. Для яхт это не так актуально, и как следствие мы наблюдаем обилие различных килевых форм.

6. Полнота паруса

В парусном спорте принято варьировать полноту паруса в зависимости от силы ветра. В слабые ветра полноту увеличивают, а в сильные, наоборот, парус делают площе. Однако и здесь все не так просто. Например, в книге Лари Смита по настройке семидесятки, в слабый ветер не рекомендуется нести полный грот. В действительности, однозначный ответ на вопрос о полноте дать сложно. С аэродинамической точки зрения, существующий диапазон скоростей ветра на картину обтекания принципиально не влияет, поэтому можно обойтись без перенастроек. Для яхт достаточно одного оптимального профиля. Если поставить на яхту жесткое, не настраиваемое крыло, то такая яхта ничуть не потеряет в эффективности. В сильный ветер, у жесткого крыла будет необходимо лишь уменьшить угол атаки для сброса опасного крена, а тканевый парус необходимо обязательно сделать площе, т.е. изменить его профиль.

Вообще же с сильным ветром вопрос достаточно прозрачен. Парус необходимо делать плоским настолько, чтобы предотвратить заполаскивание. Этот очевидный факт хотелось бы подтвердить описанием картины обтекания заполаскивающего паруса. Картина эта ужасная и крайне не эффективная. Передняя шкаторина полощет, а не разгоняет поток, вызывая сильное лобовое сопротивление. Это единственный случай, когда сила сопротивления равноправна в своем влиянии с подъемной силой. Когда парус цепляет ветер одними латами, то появляется сильнейший приводящий момент от смещения центра давления назад. Кроме того, расположение эффективной зоны паруса относительно яхты и ее профиль, мягко говоря, оставляют желать лучшего. Практика показывает колоссальную разницу в скорости яхты, несущей плоские паруса и яхты, которая несет пузатые, наполовину работающие, паруса.

Следует отметить, что у яхт со стакселем проблема упомянутого выше приводящего момента от заполаскивающих парусов эффективно решается. Достаточно вести лодку с полным стакселем, а ветер сбрасывать гротом. Тогда стаксель будет давать уваливающий момент и компенсировать приведение. Такая техника общепринята и еще хотелось бы добавить, что полный стаксель, кроме благоприятного уваливающего момента, эффективно ускоряет поток на подветре у грота, т.е. оказывает двойной полезный эффект.

Для швертботов с одним гротом ситуация намного хуже, они не так хорошо сбалансированы в отличии от двоек. Если не бороться с приводящим моментом от заполаскивающего паруса, то придется держать руль постоянно на уваливание, а это сильно тормозит лодку, ведь руль не только тянет вбок, но еще и назад. Давление на руле оказывается сильным, яхтсмены в таких случаях говорят, что лодка "лежит на руле". В такой ситуации, когда парус не удается сделать площе, заваливают вперед мачту. Это можно сделать на многих яхтах. Но, вот, например, на Лазере такой возможности нет, и гонщикам приходится вести лодку чуть ли не на ровном киле, и стараться откренивать, не сильно сгибая ноги из-за низкого борта. Поэтому для лазеристов очень важно нести не заполаскивающий парус, в противном случае все эти вредные эффекты приведут к большой потери скорости. Если ветер очень сильный, то одиночки вообще могут оказаться не в состоянии двигаться против ветра. Теоретически возможно с абсолютно плоским парусом полностью избавиться от заполаскивания даже в самый сильный ветер, но на практике качество парусов редко позволяет это осуществить, да и лобовое сопротивление мачты, корпуса и экипажа может оказаться сильнее движущей силы.

Как не странно, но ситуация со слабым и средним ветром в вопросе полноты паруса намного запутанней. По идее должна быть некая оптимальная форма паруса, которую всегда нужно держать вплоть до невозможности ее нести без заполаскивания. Все так и есть, но зачастую в этот вопрос вмешиваются волны и качество ткани паруса. Разный ветер по-разному гнет мачту и растягивает ткань. Наличие волн может потребовать для поддержания скорости дополнительной энергии от паруса, несмотря на увеличение дрейфа и потерю крутизны хода. Все это приводит к тому, что лодку нужно перенастраивать при любом изменении внешних факторов. Большое влияние на настройку оказывают инерционные характеристики лодки и экипажа. Например, тяжелому экипажу намного легче пробить короткую волну, а легкому, возможно, придется увеличивать полноту парусов.

Инерционные качества весьма ощутимы в слабый ветер, настройка паруса здесь является большим исключением из правил. Это происходит из-за того, что начинают доминировать ламинарные режимы обтекания, в которых свойство автомодельности не справедливо. Выше было сказано, что этим свойством характеризуются турбулентные режимы обтекания. Тут уже не действует большинство известных зависимостей гидроаэродинамики. Так все безразмерные характеристики начинают зависеть от числа Рейнольдса, иными словами влияние вязкости становится довольно ощутимым. При малых скоростях уже нет того идеального профиля, о котором здесь много говорилось. Лодку очень тяжело сдвинуть с места, она как бы залипает в вязкости. Нужна хоть какая-то скорость, поэтому паруса стараются делать пузатее, не обращая внимание на увеличившийся дрейф и лавировочный угол. Увеличение "пуза" еще необходимо из-за чисто практических соображений. Так плоский парус может элементарно хлопать в слабый ветер. В этом случае, ни о каком обтекании речи уже не идет.

Возвращаясь к рекомендациям Лари Смита о настройки парусов семидесятки в слабый ветер, следует заметить, что увеличенная полнота может не рекомендоваться по следующим причинам. Пузатый грот легко задувается стакселем и приходится перебираться. Семидесятка способна идти достаточно быстро для того, чтобы держать идеальный профиль парусов, т.е. нет необходимости делать паруса полнее для преодоления увеличившихся сил вязкости. Но в полное безветрие без пузатых парусов хорошей скорости не добиться. Вообще же вопрос о полноте паруса в слабый ветер очень не однозначен, и устойчивых рекомендаций здесь не дать. Для разных классов яхт эти рекомендации могут быть разными, и даже для одного класса возможна ситуация, когда лодки с разными настройками будут иметь одинаковую скорость.

7. Угол входа потока

Поговорим о, так называемой, лобастости паруса. Сразу стоит оговориться, что под лобастостью понимается именно угол входа потока, угол касательной в начальной точке профиля, а не расположение максимальной толщины. Во многих книгах парус принято характеризовать по максимальной толщине и ее расположению. Однако более важным является толщина и угол входа потока. Угол входа потока здесь принимается не в буквальном значении, а относительно максимальной полноты паруса. Т.е. у двух парусов с одинаковым углом входа потока, но с разной полнотой, лобастость разная.

Парусные мастера часто шьют паруса с учетом изгиба мачты и если разложить такой парус на ровной поверхности, то можно увидеть сильный изгиб передней шкаторины. На ровной мачте этот изгиб приводит к сильной лобастости. Если мачту изогнуть, то излишек ткани убирается, и парус становиться таким, какой он и должен быть, т.е. не лобастым. Неопытные гонщики в слабый ветер предпочитают мачту не гнуть и нести парус с очень большим углом входа потока. Это приводит к тому, что заполаскивание случается раньше и лодка идет полнее. Вдобавок на лобастом парусе отрыв происходит намного раньше, чем на правильном, гладком парусе, и кроме крутизны хода можно потерять еще и скорость.

Итак, выше была дана рекомендация гнуть мачту в слабый ветер. Рекомендация эта расходится с классическими канонами, которые требуют наоборот все распустить для того, чтобы увеличить полноту паруса и открыть заднюю шкаторину. Тут необходимо учесть то, что гнуть мачту нужно только для лобастых парусов, которые шились с учетом изгиба мачты. Например, паруса на Лазер шьются по одним лекалам и о них говорить проще. Они как раз на прямой мачте имеют сильный изгиб передней шкаторины. Бен Эйнсли в своей книге рекомендует в слабый ветер добить оттяжку гика, и так ходят все опытные лазеристы. Т.е. они гнут мачту, игнорируя то, что задняя шкаторина паруса оказывается закрытой. О роли задней шкаторины будет сказано ниже. Изгибая мачту, яхтсмен как бы придает ей тот изгиб, на который шился парус. Но, если продолжать говорить о Лазере, то следует заметить, что при максимально поднятом гике, на прямой мачте, лодка испытывает тенденцию к уваливанию и руль уже здесь не работает на увал, что более привычно, а работает на привод. Это происходит обычно в слабые ветра, без всякого усилия на руле и не так заметно, однако это есть, и углы поворота руля довольно ощутимы. Поэтому гнуть мачту на Лазере нужно не только по причине избавления от лобастости, но и для того, чтобы сбалансировать яхту.

Главной проблемой лобастости, как было уже сказано, является большой угол входа потока, из-за которого лодка идет полнее и его ранний отрыв. Однако у лобастости есть, как ни странно, и свои плюсы. Если предположить, что отрыва все-таки не случается, то поток уже на самой ранней стадии, прямо на входе в парус, получает сильное ускорение за счет изгиба передней шкаторины. Дальше, на протяжении всего своего движения вдоль подветренной стороны воздух движется более быстро, вызывая разрежение на большей поверхности паруса. Получить поздний отрыв удается у плоских парусов - у них по определению более маленькие углы атаки, например, в пределе, на пластине с нулевым углом атаки отрыв вообще никак не возможен. Поэтому на плоских парусах есть возможность увеличить лобастость. Кстати, у парусных досок, катамаранов и других скоростных лодок, несущих плоские паруса, лобастость ярко выражена. Для других яхт работает следующий принцип - чем площе парус, тем лобастее его следует делать. Обычно это делается набиванием оттяжки кэннингхема. Вредного эффекта увеличения угла входа потока здесь не наблюдается из-за того, что весь парус становится площе.

Еще одним полезным свойством лобастости является уменьшение приводящего момента. О моментах как-то очень мало говорится, обычно речь идет о подъемной силе и силе сопротивления. Собственно так же мало говорится и о лобастости, которая существенно перераспределяет центр давления паруса. У лобастого паруса центр давления смещается вперед, что уменьшает приведение лодки. На многих яхтах при усилении ветра гнется мачта, центр парусности смещается назад, что увеличивает приведение. Но центр давления можно сдвинуть вперед, набив кэннингхем. Выше было сказано, что при уменьшении полноты паруса это даже нужно делать, а теперь нашлась еще одна причина для увеличения лобастости - смещение центра давления вперед. Итак, этим мы увеличиваем скорость потока на подветренной стороне и уменьшаем приведение. В рекомендациях Бена Эйнсли для сильного ветра красноречиво сказано - выбивать кэннингхем изо всех сил, до предела, и, поверьте, это не только для того, чтобы уменьшить складки.

8. Закрытость задней шкаторины

Во многих статьях и книгах закрытости паруса уделяется первостепенное значение, а иногда даже единственное. Рекомендация открыть парус самая распространенная среди яхтсменов, часто можно слышать, что латы должны быть параллельны диаметральной плоскости яхты. Нет сомнений, что многие пытались поставить латы в ДП, и помнят, что из этого вышло. Получившийся курс скорее напоминает галфвинд, чем гоночный бейдевинд. Только с усилением ветра, когда гнется мачта и парус становится площе, латы оказываются в ДП, а верх паруса открывается еще больше, образуя столь желанный твист.

Верх паруса без сомнения должен открываться намного сильнее, чем низ. Во многих учебниках говорится об отличии скорости ветра по высоте. Чем выше - тем сильнее ветер. Следовательно, вымпельный ветер меньше отличается от истинного, и углы атаки паруса с высотой увеличиваются. Но есть еще одна причина, по которой следует открывать парус - треугольные паруса сужаются кверху и у них естественным образом уменьшается угол атаки. Т.е. даже без зависимости скоростей ветра от высоты парус должен иметь твист задней шкаторины. Хотелось бы подчеркнуть, что твист здесь ни в коем случае не ставится под сомнение, без него по определению нет эффективного обтекания верхней части паруса. Но под сомнение хотелось бы поставить саму открытость паруса, тем более требование ставить латы в ДП.

Дело в том, что привычная по многим книгам, схема давления на парус, где показано стрелочками как ветер давит на поверхность паруса, причем равномерно по всей длине, в корне неправильная. На этой картинке обычно рисуют закрытый парус и стрелочками в районе лат "убедительно" доказывают, что изображаемые силы направлены против движения и тянут лодку назад. Но это не так. Эпюра распределения давления по поверхности паруса совершенно другая. На ней ярко выраженный пик разницы давления в носу, а затем, ближе к латам, разница давлений с наветра и подветра практически сходит на нет. Таким образом, район лат вообще никак не участвует в создании давления на парус. На практике, в слабый и средний ветер редко можно встретить у гонщиков открытые паруса. Иногда сам гик ставится чуть ли не в ДП. Более того, опытные гонщики, даже имея возможность открыть парус, наоборот выбивают оттяжку гика с целью убрать лобастость, но при этом намертво закрывают заднюю шкаторину паруса. И это оказывается очень даже оправдано. О такой технике говорилось выше. Это ярчайший пример не соответствия широко распространенной теории и гоночной практики.

Теперь разберемся в том, почему именно район лат не участвует в создании давления. Распределение давления по поверхности паруса, это на самом деле распределение разницы давлений с подветренной и наветренной стороны. В лобовой части паруса, на наветре, поток сильно тормозится - он только встретил препятствие, что нагнетает давление, а на подветре поток резко ускорился. По этой причине эпюра разницы давлений имеет яркий всплеск в носу. На эпюре хорошо видно, почему перераспределяется момент у лобастого паруса. Чем лобастей парус, тем раньше будет этот пик давления и тем меньше будет момент относительно передней кромки. Самое интересное начинается потом, за пиком. Дело в том, что скорость потока в задней части паруса, в момент схода, одинакова - в жидкости не может быть сдвига. Поэтому в районе лат скорости потока с подветренной и наветренной стороны стремятся к равенству, а в момент схода они обязательно равны друг другу. В гидроаэродинамике есть даже гипотеза Жуковского о конечности скоростей на задней кромке крыла. По этой гипотезе, разница давлений в задней кромке всегда равна нулю.

Поток, ускорившись на подветре в передней зоне паруса, плавно тормозится ближе к латам. С другой стороны, на наветре, поток в передней части останавливается, а ближе к латам ускоряется. Оба потока встречаются в задней кромке и уже имеют одинаковую скорость. На зону лат приходится минимальная разница скоростей и давлений, потоки там движутся почти одинаково, что не вызывает существенной разницы давлений. Т.е. латы у закрытого паруса назад не тянут, как это обычно представляется.

Одинаковая скорость обтекания с двух сторон в районе лат хорошо видна на практике в средние и сильные ветра, когда парус работает идеально на курсе гоночный бейдевинд. Многие паруса начинают заполаскивать в районе задней шкаторины. Это верный признак одинаковости условий с двух сторон. Понятно, что заполаскивающая зона в создании давления участвовать не может. Интересно, что если немного увалиться или перебрать парус, то заполаскивание исчезает. Это вызвано ранним отрывом на подветренной стороне паруса, да и наветренный поток уже не так эффективно ускоряется в районе лат, что сильно нарушает идеальную картину обтекания. Эпюра давления в этом случае уже не будет столь оптимистична, и в районе лат мы давление все-таки получим. Такое нарушение можно увидеть по колдунчикам, подвешенным прямо на задней шкаторине. При перебранном парусе они начинают указывать на подветер, а не на продолжение лат. Следует заметить, что многих яхтсменов раздражает дребезжание задней шкаторины, и они стараются от него избавиться, сильно перебирая парус. Не стоит этого делать, дребезжание появляется в тот момент, когда парус стоит идеально, а потери от хлопков все-таки не так велики. Единственный выход здесь, это улучшение качества ткани. Хорошо, по определению, в этом отношении себя чувствуют паруса со сквозными латами и отсутствие дребезжания задней шкаторины при идеальном обтекании это хороший довод в их пользу. Возвращаясь к колдунчикам, расположенным на задней шкаторине, отметим, что не стоит добиваться всеми способами того, чтобы они указывали строго назад. Если в слабый ветер приходится закрывать парус с целью устранить лобастость, то, вероятнее всего, правильной индикации таких колдунчиков не будет.

Что касается расположения максимальной полноты паруса, то если ее сместить в корму, то там появится повышенная разница давлений. Это приведет к появлению локальной силы, которая будет работать с проекцией "назад". Смещенного назад максимума быть не должно, это будет означать, что вместо стабилизации скоростей с разных сторон паруса в задней части мы получим их новое расхождение. Плохо иметь излом за счет лат. Когда латы ломают парус, то на наветренной стороне поток дополнительно притормаживает вместо плавного разгона. В этом случае латы действительно тормозят движение. Иначе, закрытости следует уделять минимум внимания. Главные приоритеты это полнота и лобастость, а затем твист. Максимальное расположение полноты никогда не должно быть в задней половине паруса, больше о ней сказать пока нечего. Как видно, в слабый ветер от компромиссов уйти не удается, а парус, даже у самой быстрой лодки, далек от идеала, ведь большинство парусов не шьется на слабые ветра.

Литература

1. Ben Ainslie. The Laser Campaign Manual. Fernhurst Books, 2002.
2. Lawrie Smith. Tuning Your Dinghy. Fernhurst Books, 1994.

07.06.2005

Вы на страничке http://www.stugna.kiev.ua?pirs=education&st=hidroaerodinamika

(с) Copyright since 2000 by "Stugna.kiev.ua team".