Дельта парус
Основы гравитационной механики
В этой дискуссии о дельтаобразные и родственные паруса, опыт работы с прототипами парусов описан первым. Паруса имеют щадящий характер, обеспечивая значительная подъемная сила, а также тяга при движении против ветра, и создают относительно небольшое усилие крена. Результаты численное моделирование, проведенное Адамом Райаном, затем обобщается. В дискуссии об аэродинамике парусов (и крыльев), что имеют коническую или усеченную коническую форму, предполагается, что Образование вихрей от кончика паруса сведено к минимуму за счет искривление верхней части паруса к ветру, по стреловидности, и путем вымывания. По-видимому, дельта-образные паруса особенно важны эффективны из-за того, как они управляют воздушным потоком через них в Три измерения.
Определение
Парус дельтообразной формы имеет сильно наклон (т.е. 40º или более от вертикальная) передняя кромка, поддерживаемая либо лонжероном, либо штагом, ногой которая примерно параллельна поверхности воды, а задняя кромка, которая приблизительно вертикальна.
Существует несколько традиционных парусное вооружение, несущее паруса в форме треугольника, например, Lateen и Краб-Коготь. Доля стакселей, генуэзских и асимметричных Спинакеры также можно рассматривать в категории Дельтаобразные паруса, как указано выше. Есть и другие буровые установки несущие паруса, частично соответствующие конической геометрии паруса дельта-формы, например, Lug, Junk, Gaff и Transition rig – они будут называться в этом обсуждении усеченными дельты.
Знакомство
Вдохновение для этого Исследование парусов дельтообразной формы началось с просмотра фильмов Австралийские 18-футовые ялики («Awesome Aussie Skiffs» 1 и 2). Эти легкие лодки перевозят экипаж из трех человек, которые могут кататься на трапеции от широких крыльев по бокам лодки и несут пропорционально большая площадь парусности. В подходящих условиях австралиец Ялики способны глиссировать на большинстве точек парусности. Парусный По ветру экипаж поднимает большой ассиметричный спинакер с опорой от форштага, и судно следует быстрым зигзагообразным движением по ветру Курс, переходящий от галса к галсу. От просмотра фильмов стало Понятно, что спинакер – помимо того, что генерирует значительные Поступательное усилие - также создает подъемную силу, удерживая носовую часть аппарата вверх вынырнуть из воды и снизить риск ныряния носом в спину волны впереди.
Рисунок 1:
Идея для участия в конкурсе Concept Boat
У В то время я разрабатывал запись для Concept Boat 2005 конкуренция. Задача состояла в том, чтобы спроектировать корабль, который бы поощрял семей на воде, и я работал с идеей легкое судно, которое можно было перевозить на крыше автомобиля, и что было бы просто плыть. Я решил, что простая парусная доска Лучше всего, с дополнительным объемом (и, следовательно, плавучестью) для Поддержка других членов семьи. Рассмотрев различные парусных оснасток, в том числе стандартных парусных такелажей, я придумал Идея дельта-образного паруса с наклонным, изогнутым рангоутом, поддерживающим передняя кромка паруса и А-образный шпангоут с задней части судно, поддерживающее кормовую оконечность рангоута (рис. 1).
Испытательный стенд
Чтобы проверить производительность этого паруса, прежде чем продолжить концепцию дизайна, я сделал испытательный стенд для швертбота Fireball. Был изготовлен рангоут, несущий парус из алюминиевых труб, изогнутых в кривую и усиленных спиралью слои углеродной ленты, встроенные в эпоксидную смолу. Изготовлена А-образная рама из алюминиевой трубы и опираться на алюминиевую поперечную трубу при Корма швертбота. Парус был вырезан из существующего «Огненного шара» парус и рукав мачты, добавленный вдоль новой передней кромки. Кривая передней кромки паруса точно совпадала с изгибом лонжерон, так что, когда он был установлен в неподвижном воздухе, он висел плашмя под лонжерон без встроенного развала. Три горизонтальные обрешетки Добавили. Они были сделаны из конических трубок из углеродного волокна (рыболовные стержни), которые сужались к передней кромке. Основной лист был прикреплялся к шкоту паруса и действовал вокруг веревочного путешественника К концам привязывают поперечную трубу. Такое расположение позволило триммерное натяжение, прикладываемое к парусу как вниз, так и назад.
Рисунок 2: Наполнение и подъем паруса за счет обтекания его воздушным потоком
На суше с буровой установкой, соответствующим образом выровненной по отношению к ветер, было ясно, что необузданный парус имеет тенденцию отвести в сторону и поднять вверх (рис. 2). Когда он вздымался, Кривизны появились как спереди, так и сзади поперек паруса (горизонтальный развал) и сверху вниз (вертикальный развал). В качестве Как следствие кривизны мачты, тем больше плоский парус отодвигался в сторону, тем больше это «раздувание» эффект стал. Лучше всего это можно понять, подумав о ситуация, когда парус поднялся до тех пор, пока не полетит почти горизонтально вдоль лонжерона. В таком положении, если смотреть с сверху лонжерон кажется прямым, а изогнутая передняя кромка Парус должен ему соответствовать. Это приводит к провисанию ткани между средней областью рангоута и подошвой паруса, поощрение формирования изгибов. Это адаптивное изменение паруса от Относительная плоская поверхность при плавании на близком расстоянии от более изогнутой При плавании против ветра этому способствовала его эффективность.
Рисунок 3: Плавание против ветра
Рисунок 4: Плавание против ветра
На воде буровая установка показала себя хорошо (рис. 3 и 4). Лонжерон и А-образная рама обеспечивали стабильную, свободную от помех опора для паруса. По сравнению с более традиционными оснастками, низкая Соотношение сторон паруса с соответствующим низким центром усилия уменьшил момент опрокидывания, создаваемый порывами ветра и более сильным ветром, придание швертботу более устойчивого ощущения. В условиях от Сила 2 к Силе 4 было относительно легко установить курс и поддерживали его, и парус казался терпимым к углам шкота. Тем Швертбот можно было плыть по всем обычным точкам парусности, хотя он был заметно медленнее на мертвом пробеге по ветру, особенно в более слабые ветры. Вероятно, это было связано с уменьшенной площадью к ветру полностью распущенным парусом. В этих условиях Большая часть более широких кормовых частей паруса разлеталась почти горизонтально сбоку от верхней трети лонжерона, а ветер направлялся вперед в основном на более узкие, более узкие, вертикальная часть паруса возле носовой части.
Чтобы узнать больше о воздушном потоке через и позади паруса, шерстяные накладки были прикреплены сетчатым узором поперек как поверхности паруса, так и растяжки, прикрепленные к хвостовому кромка в верхней части паруса и в местах обрешетки. Это может быть увидели, что с наветренной стороны паруса воздушный поток в Окрестности поверхности несколько отклонялись вверх по мере того, как прошел от ведущих к задним кромкам. Стример в верхней части парус плавно струился сзади, почти не трепеща по сравнению со стримером у подножия паруса.
Модификации буровой установки понятие
Благодаря опыту, полученному на испытательном стенде, удалось вернуться к дизайну оснастки для участия в конкурсе Concept Boat. Чтобы улучшить возможность движения по ветру при слабом воздухе, я решил двухслойный парус, который можно было раскрывать, как спинакер, когда требуется, удваивая его площадь (рис. 5, а). На других точках парусности, две пластинки паруса останутся вместе (рис. 5, б).
Рисунок 5: Различные конфигурации оснастки – а) плавание по ветру с помощью парусных пластин раздельные, б) нормальное плавание с пластинками вместе, в) парус зарифленный и ножки А-образного шпангоута, выдвинутые вперед, чтобы опустить рангоут и привести в движение опору паруса Близко к Халлу
Такой двухслойный подход открыл новые возможности для рифления. Была изменена компоновка обрешетки – нижняя обрешетка была расположена вдоль подножие каждого паруса, а затем верхняя лата располагаются от переднего нижнего кончика каждой пластинки наискось поперек парус до середины задней кромки. Для рифления нижний сегмент каждой пластинки может быть сложен между две пластинки и фиксируются в таком положении, что верхняя обрешетка становится Новая опора паруса. Затем шкот для паруса будет перемещен в люверсы, примыкающие к концам верхних реек. Парус, теперь уменьшается вдвое по площади, может быть использован либо в своем нормальном положении, чтобы дать больший запас высоты для тех, кто находится на борту, или понижен для использования при сильном ветре скольжение ножек А-образной рамы вперед вдоль боковых труб до тех пор, пока новая нога паруса находится близко к борту (рис. 5, в).
Рисунок 6: Флеш идет против ветра
с парусными пластинками вместе
Рисунок 7: Флеш идет по ветру
с разделенными пластинками паруса
Прототип Flèche
Был изготовлен прототип Flèche. Первичный тест Отплытия указывали на то, что неподвижный путешественник поперек кормы нужен был для основного листа, но в целом концепция сработала хорошо (Рисунок 6). Плавание по ветру с двумя разделенными пластинками паруса доказала свою эффективность (рис. 7).
Численное исследование Оснастка Flèche
Адам Райан, студент, изучающий для получения степени в области спортивных наук в Университете Плимута, смоделированная свойства буровой установки Flèche с использованием вычислительной гидродинамики (CFD). CFD — это метод, использующий уравнения механики жидкости для описания поля течения на поверхности и вокруг нее. По числовому выражению моделируя исследуемую форму и помещая ее в заданный жидкостной области, можно рассчитать характеристики поля потока. Кому упрощают расчеты, лонжерон передней кромки, обрешетку, изменяя формы паруса под нагрузкой, а также взаимосвязь паруса с корпуса не были смоделированы, поэтому результаты должны быть интерпретированы с помощью Это имеет в виду.
Рисунок 8: Движение центра усилия под
разными углами падения (по Ryan 2007)
Смоделированный парус был изучен под разными углами Угол падения воздушного потока от 5º до 40º. Парус производил максимум CL (коэффициент подъемной силы) при температуре около 30º, за пределами которой парус заглох, и CL быстро упал, в то время как CD (коэффициент лобового сопротивления) увеличился. С точки зрения наибольшего подъема до коэффициент лобового сопротивления, наиболее эффективный угол срабатывания составлял 15º. Тем Центр усилия находился на самом низком уровне при падении 5°, а затем неуклонно поднимался вверх и в корму на парусе до 25° (рис. 8). Под большими углами Центр усилий снова опускался вниз и вперед. Наибольший момент крена возник при угле падения 30°.
При меньших углах падения смоделированный парус Флеша производил большее сопротивление, чем у бермудских буровых установок, но работает эффективнее, чем при больших углах падения. Низкое соотношение сторон (0.7) Флеш заглох на 31º по сравнению с 14° и 25° у бермудских буровых установок с соотношением сторон 6 и 1,5 соответственно. Однако, по сравнению с цифры, опубликованные для буровой установки «Краб-Коготь», оснастка «Флеш» была относительно неэффективны.
Вычисленные линии тока проиллюстрировали обтекание паруса воздушным потоком (рис. 9). Линии тока показали хорошее сцепление до частоты 30°, после чего начался отряд. Несмотря на то, что высвобождение воздуха при верх паруса был чистым, у подножия образовался большой вихрь паруса под большими углами падения, так как воздух выплескивался из С наветренной стороны с более высоким давлением на подветренную сторону с более низким давлением.
Рисунок 9: Обтекаемые линии с парусом, установленным на 5º (вверху) и 35º (внизу) к воздушному потоку (из Ryan, 2007)
Вортексе У подножия флешского паруса он стал особенно заметен в большие углы падения. Вихрь увеличивает сопротивление паруса и снижает его эффективность. Для упрощения вычислений взаимодействия паруса с корпусом и водной поверхностью не было включенный. Если зазор между парусом и корпусом может быть сведен к минимуму или - в идеале - закрытым, тогда вихреобразование можно было бы затормозить или Предотвратить. (Иногда это явление называют эффектом «торцевой пластины». В В 1980-х годах виндсерферы начали пользоваться улучшением производительность, которую можно получить, «сократив разрыв». Они добились Это было сделано путем изменения кроя нижней части паруса и регулировка рейки используемой буровой установки, чтобы закрыть зазор.) Тем Парус Флеш был сформирован с целью сохранить этот зазор как узкие, но на практике величина зазора изменяется по мере того, как Парус дифферентируется в соответствии с курсом, по которому идет плавание.
Существует несколько способов, по которым разрыв может быть эффективно закрывается при использовании оснастки типа Flèche на воде. Одним из способов было бы подровнять парус до требуемого курса, а затем сдвиньте ножки А-образной рамы вперед, чтобы опустить опору лонжерона. парус до тех пор, пока подошва паруса не окажется как можно ближе к корпусу возможный. Затем А-образная рама может быть зафиксирована в этом положении до тех пор, пока Следующая смена направления. Другим способом было бы закрыть разрыв с помощью ткань, идущая от основания паруса до крепления вдоль средняя линия корпуса. Нужно было бы как-то приспособиться Количество ткани, доступной для адаптации к изменениям паруса; отделки, так что, возможно, можно было бы устроить подпружиненный конический ролик по средней линии, чтобы заполнить провисание ткани, закрывающей зазоры.
Вместо того, чтобы стремиться сократить разрыв, это может быть можно уменьшить вихреобразование, приняв стратегию Оснастка «Краб-Коготь», использующая вихревые свойства вогнутой оснастки пиявка и стреловидный кончик в нижней части паруса, а также при сверху.
Основные характеристики дельта-формы Паруса
Эти исследования с участием полноразмерных прототипов и Компьютерное моделирование показало, что паруса дельтообразной формы имеют Несколько характерных свойств:
поскольку они имеют более низкое соотношение сторон, чем большинство других парусных вооружений, У них соответственно более низкий центр усилий, который, в свою очередь, приводит к более низкому крутящему моменту для данной площади парусности (другие при равных условиях)
Они могут работать более эффективно при более высоких углах падения, чем другие паруса и имеют задержку свалива. Это делает их толерантными в использование
За исключением плавания на узкой дистанции, дельтаобразные паруса производят значительное увеличение подъемной силы, направленной вверх, в дополнение к прямому толчок
Вихри на кончиках сводятся к минимуму, хотя большой вихрь развивается при нога паруса, если он находится недостаточно близко к корпусу или воде для Наслаждайтесь эффектом торцевой пластины.
Аэродинамика Паруса в форме треугольника
Интересно рассмотреть аэродинамика треугольных парусов и связанные с ними усеченно-дельта-формы. Я пришел к убеждению, что толерантные, Эффективность этих парусов обусловлена тем, как они направляют потока воздуха по их поверхностям, а затем выпустить его из задняя кромка, особенно на кончике. Эти парусные формы, и также некоторые формы крыльев, встречающиеся как в природе, так и у некоторых видов летательных аппаратов, имеют общую коническую геометрию, и это приводит к несколько желательных свойств. Как следствие их общей 3-D Паруса конической формы, кажется, способны управлять воздушным потоком плавно по наветренной и подветренной поверхностям. С их помощью стреловидные, слегка размытые кончики, а с верхними частями паруса, изогнутые к ветру, они, по-видимому, обладают способностью подавлять вихри на кончиках, вызывающие сопротивление.
Рисунок 10: Форма крыла раннего дельтаплана
Полезно учитывать геометрию раннего зависания Планеры. Концепция этих тканевых крыльев была впервые запатентована в 1951 Фрэнсис Рогалло (Messenger and Pearson, 1978). Каждое крыло состоял из конического валка ткани, поддерживаемого стреловидной спинкой передняя кромка и срединная труба фюзеляжа (рис. 10). Тем продольной оси каждого вала, угол между передняя кромка и средняя линия, сходящиеся с каждой стороны к носу планера. Разные части крыла имеют разные углы наклона по отношению к приближающемуся воздушному потоку, регионы закрываются к средней линии, имеющей более положительный угол падения, а области к законцовке крыла с уменьшенными углами падения. (Иногда это называют «вымыванием». Это сопоставимо с «скручивание» в верхних частях паруса.)
Эта простая геометрия обеспечивает стабильность вокруг всех три основные оси (тангаж, рысканье и крен). Таким образом, если крыло возмущенный в полете, он автоматически гасит возмущение и вернуться к стабильному полету. (Стабильность повышается за счет размещения пилот ниже крыла и, таким образом, понижает общий центр тяжести для придания дополнительной стабильности маятника. Более поздние дельтапланы имеют уменьшенная стреловидность и двуслойные крылья, которые имеют более толстую аэродинамический профиль для улучшения летно-технических характеристик.)
Сразу видно, что родство есть между расположением ранних конструкций крыла дельтаплана и Здесь обсуждаются паруса в форме дельты. Несмотря на то, что крыло большинство обычно работает в более горизонтальном положении, а парус более по вертикали, чтобы аэродинамические векторы располагались по-разному, Тем не менее, вполне вероятно, что паттерны воздушного потока через их Поверхности сопоставимы. Кроме того, неотъемлемая стабильность этого Коническая форма также может способствовать добродушному ощущению Дельта-образные паруса, вопрос, который был затронут в обсуждении Льюиса (2003).
Рисунок 11: Изменяющаяся коническая геометрия крыла птицы –
оси (розовые) суставов в локтях и запястьях в основном
перпендикулярны воображаемой конической поверхности
, показанной синим цветом. При сгибании и разгибании крыла
эта коническая форма сохраняется
Крылья птиц, которые являются эффективными планеристами как правило, имеют вымывание (все более отрицательный угол падения) к кончику, а кончик обычно направлен вниз (ангэдрический) и в обратном направлении (sweep). Первым это заметил пионер полета Отто Лилиенталь (1889). При разработке переходной буровой установки (Dryden, 2004), мои исследования крыльев птиц (например, крыльев чайка) указывали на то, что их крылья также соответствовали конической форме геометрия (рис. 11). Таким образом, их можно рассматривать как усеченные дельты, соответствующие части конической поверхности. Я обнаружил, что в В общем, оси шарниров крыла были установлены перпендикулярно такому поверхности (плюс-минус ограниченный диапазон движений для управления во время полета), позволяя сохранять коническую форму в качестве крыло сгибается, вытягивается и складывается (рис. 11).
Рисунок 12: Гипотеза: вершинные вихри, создаваемые различными конфигурациями крыльев – прямые крылья производят большие вихри (слева); анэдрические крылья производят меньшие вихри (второй слева);
стреловидные анэдрические крылья производят еще меньшие вихри;
стреловидные анэдрические крылья с размытием дают
минимальные вершинные вихри (справа)
Рисунок 13: Гипотеза: вершинные вихри, создаваемые различными
конфигурациями парусного вооружения – вертикальный парус крыла (сзади слева) создает большой вихрь;
Вертикальный парус, изогнутый к наветренной стороне, дает меньшую вихрь
(второй слева); вингсейл, который одновременно изогнут к ветру
и также загнут назад, имеет уменьшенный законцовочный вихрь (третий слева);
Вингсейл, изогнутый к ветру, стреловиден назад и закручивается так, что законцовка находится под уменьшенным углом падения
по отношению к кажущемуся ветру, имеет наименьший законцовочный вихрь, и, следовательно,
сопротивление (справа)
Кому Обобщая, кажется, что в этом есть что-то полезное Расположение кончика фойла – паруса или крыла – с изгибом в сторону высокого давления (т.е. с наветренной стороны паруса, или нижняя сторона крыла в нормальном полете), стреловидная назад, а с уменьшенный угол падения (крылья – рисунок 12, паруса – рисунок 13). Предположительно, такая конфигурация ограничивает растекание воздуха вокруг кончик фольги и, таким образом, сводит к минимуму образование вихрей и сопротивление. Оно У меня сложилось впечатление, что дельта- и усеченные дельта-буровые установки выигрывают от это расположение. Это рабочая гипотеза, что интересно тестировать.
Есть Продолжалась дискуссия о буровой установке «Крабовый коготь». В большинстве случаев Краб-Коготь соответствует определению, данному выше для дельтообразные паруса, основное отличие состоит в том, что продольный ось буровой установки может наклоняться на разные углы по вертикали самолет в соответствии с курсом плавания. Это означает, что стопа паруса не всегда параллельна поверхности моря. Marchaj (1996) представил данные, полученные в результате испытаний моделей в аэродинамической трубе что Краб-Коготь был намного эффективнее, чем обычно используемый буровые установки, такие как Бермудские, особенно при больших углах падения. Он предположил, что это связано с формированием передней кромки вихри на подветренной стороне паруса, которые увеличивали подъемную силу генерируется, скорее как крыло Конкорда при полете на низкая скорость и большой угол падения. Совсем недавно Slotboom (2005a, 2005b) поставил под сомнение этот анализ и предположил, что Эффективность Краб-Коготь обусловлена оптимальным развалом и углом наклона падение паруса в разных его положениях.
Исходя из моего опыта работы с парусами дельта-формы и предыдущее обсуждение, я бы добавил, что оснастка «Краб-Коготь» вероятно, генерирует минимальные законцовочные вихри как в верхней части паруса, так и в верхней части паруса и шкот, и что это способствует эффективности буровой установки. Тем численное моделирование буровой установки Flèche Райаном (2007) действительно показать генерацию вихрей вдоль подножия паруса, которая стала более с возрастающими углами падения, и это может привести к поддержка точки зрения Марчая (1996) в отношении передней кромки вихрей, но моделирование показало, что вихревое образование приводит к при быстром увеличении лобового сопротивления по мере приближения паруса к сваливанию, поэтому он представляется маловероятным, что этот механизм объясняет общую эффективность оснастки «Краб-Коготь».
Заключение
Давно признано, что Дельта-образные и усеченные дельта-паруса обладают многими замечательными свойства. Например, они эффективны, снисходительны, имеют низкий центра усилия и, таким образом, с меньшей вероятностью приводят к опрокидыванию, создают как подъемную, так и тяговую тягу и могут поддерживаться мачтами и лонжероны, которые не подвергаются чрезмерной нагрузке из-за низкого удлинения. Прототипы и симуляции буровой установки Flèche дали немного более глубокое понимание аэродинамики дельта-образных парусов, а также обратил внимание на то, что вершинные вихри могут быть сведены к минимуму за счет эту конфигурацию. Эти паруса имеют эффективный способ управления потока воздуха через них в 3-х измерениях (рис. 14), и достойны дальнейшее расследование.
Рисунок 14: Парус в форме дельты (сзади справа) и две усеченные дельты –
Transition Rig (спереди слева) и Junk Rig (в среднем положении).
Обтекание воздушного потока через парус в форме треугольника
подсказывается обтекаемыми линиями