Testaussuunnittelua

Olen jo todennut, että pienoismallikokeilu toisi varmuutta täyskokoisen veneen toteuttamiseen. Mutta edellä pohdiskelu reynoldsin lukualuiden kriittisestä vaikutuksesta vie pohjaa ajatuksesta kokeilla 1:8 ... 1:4 pienosmallilla, koska se toimisi täysin väärällä reynolds-alueella.

Toinen puoli näin pienessä pienoismallissa olisi se, että käytetty aika, vaiva ja muut kustannukset tuottaisivat vain lelun tai koriste-esineen.

Siksi olen alkanut kallistua siihen, että järkevintä olisi heti rakentaa n. 1:2 pienoismalli, joka olisi oikea käyttökelpoinen vene. Täysin verrattavaa lopulliseen veneeseen tässä suuressa pienoismallissa olisivat rungot ja siivet. Runkojen välinen silta, kajuutta, korvattaisiin avoimella istuinlaatikolla, jossa olisi tilaa kahdelle.

Malli-1/2:n runkojen ja siipien pinta-ala olisi 1/4 täysikokoisesta. Mallin runkojen vaneri olisi ohuempaa ja siten pienten runkojen paino olisi ehkä 1/6 täysikokoisten runkojen painosta. Siivissä painonsäästöä olisi vähemmän. Materiaalikustannukset olisivat ehkä 1/8 - 1/10 täyskokoisen veneen kustannuksista, koska salonkia ei tarvitsisi rakentaa. Mutta esim siipien elektroniikka ja sähkömekaniikka olisivat kutakuinkin identtistä täysikokoisen kanssa. Rakennuskokemukset ja koepurjehdukset antaisivat hyvin suoraan täysikokoiseen veneeseen sovellettaa tietoa.

Ainakin nämä 1:2 rungot saisin varmaan tehtyä tällä rakennuskaudella, mutta siivet ja koekäyttö varmaan jäisivät seuraavaan kesään. Mutta silloin seuraavana kesänä ehkä jäisi myös aikaa aloittaa isojen runkojen valmistus.

Siipiprofiili

Edellisessä tekstissäni mainittu Gabriel Elkaim väittää (perustellusti):

As mentioned previously, the Reynolds number effects of the wingsail section design must be accounted for in order to maximize the efficiency of the wing. Ignoring these Reynolds number effects has been the largest failing of wingsails to date, resulting in sections with poor performance in the field, and, in turn, delaying the transition to rigid wings on sailboats.

Reynoldsinluvulla on todella suuri vaikutus siipiprofiilin kehittämään hyötyvoimaan ja vastukseen ja väärin valitulla profiililla nämä ilmiöt korostuvat. On syytä käyttää siipipurjeessa sellaista profiilia, joko on suunniteltu toimimaan juuri sillä reynoldsilukualueella, kuin millä purjeveneen siiven on tarkoitus toimia. Ongelma on kuitenkin siinä, että siiven on toimittava, ainakin kohtuullisesti, laajalla nopeusalueella. Onneksi pienelle reynoldsinluvulle tarkoitettu profiili toimii ainakin yhtä hyvin myös hieman suuremmillakin tuulen ja veneen nopeuksilla. Siis on käytettävä juuri pienille reynoldsinluvun alueille, selvästi alle 500 000, tarkoitettua profiilia. Esim Elkaimin viittaama vertailuprofiili NACA 0015 on tarkoitettu yli 1000 000 alueelle. Mistä siis on kysymys? Asia on ollut tunnettu jo yli 80v ajan. Tämä vanha mittaustulos kertoo oleellisen:

Kuvassa yllä vaaka-akselilla on reynoldsinluku, pystyakselilla voimat. Ca on hyötyvoimakerroin, "noste" ja Cw vastuskerroin. Kuten kuvasta nähdään, N60-profiilin voimatasot muuttuvat rajusti n. 73 000 Re-tasolla: Ca kasvaa ja Cw, vastus pienenee. Siis esimerkiksi nopeuden kaksinkertaistuminen sopivalla Re-alueella parantaa Ca:n 0,45:stä 0,81:een, lähes kaksinkertaistuen. Kun nopeuden kaksinkertaistuminen muutenkin nelinkertaistaa voiman, tämän Rek-kynnyksen ylityksen yhteydessä siiven noste kahdeksankertaistuu!

Miksi näin tapahtuu? Miten kriittisen kynnyksen jälkeinen tilanne eroaa sitä pienemmästä. Täytyy huomata myös, että ei kynnys riipu vain nopeudesta vaan myös profiilin pituudesta. Leveä siipi on parempi. Ilman tiheys ja viskositeettia voidaan ehkä jättää vähemmälle huomiolle, kun puhutaan purjehduksesta. Yllä olevan kuvan pikkukuvat paljastavat, että "alikriittisellä" alueella virtaus irtoaa profiilin pinnasta ja aiheuttaa voimakkaan turbulenssin. Näin tapahtuu siksi, että ennen irtoamista virtaus on laminaaria. Laminaari virtaus irtoaa siiven pinnasta helposti, kun virtauksen nopeus muutenkin hidastuu profiilin yläpinnan alaspäin kaarevalla pinnalla. Mutta "ylikriittisellä" Re-alueella virtaus on jo valmiiksi ei-laminaarista, rajakerros profiilin pinnassa on hieman turbulenttinen ja tällainen virtaus ei niin helposti irtoa.

Tässä nähdään haitallisen irtautumiskuplan muodostuminen:

Siinä pinnassa oleva virtaus kääntyy takaisin "ämmänvirraksi", joka itseään ruokkivasti kasvaa suureksi turbulenssiksi, kehittäen vastusta ja pienentäen nostetta. Seuraavassa esitetään symmetrinen NACA 0015 -profiili 13 asteen kohtauskulmalla, Re-alueella 230 000, jolloin virtaus sen yläpinnalta alkaa irrota jostakin puolestavälistä alkaen. Noste on silti aika hyvä 1,12. Mutta irtoaminen onkin hillittyä, koska ilmeisesti ollaan osittain ei-laminaarisella alueella. Huomaa, että vastus, Cd, on 0,035. Nosteen ja vastuksen suhde, L/D on 32,14. Kuva on Elkaimin tekstistä.

Elkaimin oma, parannettu profiili on erilainen: Se on paksumpi ja profiilin jättöreuna on "kovera", jolloin kaartuva virtaus painaa rajakerrosta kohti siipeä:

Elkaimin omalla profiililla kohtauskulma tässä simuloinnissa on vain 8,7 astetta ja noste on hieman pienempi, 1,015. Vastus on kuitenkin oleellisesti pienempi, 0,023, ja L/D on hyvä 43,63. Onhan Gabriel hieman parantanut standardirofiilia, mutta ei radikaalisti!? No oikeassa ratkaisussa hän lisää siipeen vielä nostetta kasvattavan pikku laipan, jota minä en aio tehdä.

Olisko muita tapoja pienetää rajakerroksen irtaumistaipumusta? Tunnettu keino, jota linnut, valaat, golf-ja tennispallot käyttävät, on tehdä virtaus hallitusti hieman turbulentiksi. Sen voi tehdä esim näin:

Lisätään pieniä nököjä siipeen, jotka hallitusti rikkovat laminaarin rajakerroksen. Rajakerros pyrkii palautumaan, mutta jää hieman turbulentiksi, mikä estää irtautumisen, pientäen vastusta ja lisäten nostetta. Tuota voi kokeilla.

Mutta ehkä on muunkinlaisia pienen Re-alueen profiileita. Elkaimin profiilia voi ehkä parantaa siirtämällä profiilin paksuinta kohtaa paljon taemmaski, sitten lyhyt muutos kuperasta koveraksi ja kovera loppu jättöreuna:

Tarkoitan tässä vain profiilin yläpintaa. Alapinta symmetrisoitaisiin samanlaiseksi. Tai ehkä sitten viedään profiilin paksuin osa hyvin taakse, kuten NACA 66:n yläpinnalle on tehty:

Molemmat kaksi viimeistä on tarkoitettu käytettäväksi pienehköillä Re-alueilla, mutta niiden symmetrisistä versioista minulla ei ole tietoa. Yhtä kaikki, joudun vielä tekemään kokeita ja opiskelemaan lisää. XFOIL-ohjelman käyttö on opiskeltava. XFOIL Tutorial

Symmetrinen siipipurje

Olen, ainakin tässä vaiheessa, valinnut veneeni rikiksi kaksi, rinnakkaista, ei peräkkäistä, symmetristä, yksielementtistä, jäykkää, ei siis reivattavaa, siipipurjetta. Olen empinyt ratkaisun toimivuutta, mutta nyt tuntuu siltä, että merkittäviä heikkouksia ideassa ei ole löytynyt, eikä ole odotettavissakaan.

Tom Speerin selittely huolestutti eniten:

A single, symmetrical airfoil does not produce high lift and as a result the acceleration of a yacht so equipped is very poor. So rigid wing rigs typically have two or more symmetrical airfoils hinged so that they form a slotted flap when deflected.

Tom Speer's Home Page. Siis erityisesti "kiihtyvyys on hyvin huono" huolestuttaa. Olen selvitellyt sitä, mihin tämä väite perustuu. Purjeveneensuunnittelukursiilla oli viime kerralla asiaa köleistä ja peräsimistä. Nehän ovat lähes aina symmetrisiä siipiprofiileita. Siksi oppitunnin sisältö oli erittäin kiinnostava. Oletin jo etukäteen, että sisältöä voi soveltaa jotenkin myös siipipurjeen suunnitteluun. Niin tulkitsin asian olevan myös luoennon jälkeen.

Toinen kiinnostava tietolähde on John S. Denkerin siipiteoriasivu, jossa Denker mm. toteaa:

At small angles of attack, a symmetric airfoil works better than a highly cambered airfoil. Conversely, at high angles of attack, a cambered airfoil works better than the corresponding symmetric airfoil. The airfoil designated “631-012” is symmetric, while the airfoil designated “631-412” airfoil is cambered; otherwise the two are pretty much the same.9 At any normal angle of attack (up to about 12 degrees), the two airfoils produce virtually identical amounts of lift. Beyond that point the cambered airfoil has a big advantage because it does not stall until a much higher relative angle of attack. As a consequence, its maximum coefficient of lift is much greater.

Siis pienillä kohtauskulmilla, n. 12 asteen kulmaan asti, symmetrinen profiili on yhtähyvä tai parempi kuin epäsymmetrinen. Sitä suuremmoilla kulmilla, jolla toisaalta myös lift/drag -suhde alkaa huonontua, epäsymmetrinen tuottaa paremman venettä eteenpäin vievän voiman, jota voidaan siis käyttää hyväksi eteenkin kiihdytysvaiheessa, veneen pienillä nopeuksilla. Tällä on iso merkitys kilpaveneessä, mutta pienempi matkaveneessä, jossa huippunopeus on kiinnostavampi. Suurilla nopeuksilla lift/drag on tärkeä ja kohtauskulma pienempi, jolloin symmetrinen profiili on OK.

Kolmas kiinnostava lähde on Gabriel H. Elkaimin väitöskirja.

Many previous designers have come to the false conclusion that adequate lift coefficient could only be achieved with an asymmetric (cambered) wing. ...The history of both symmetrical and asymmetric designs is presented here, as well as advances in the areas of sail-assisted propulsion. Though this section is rather detailed, it shows the advancement of the wingsail from the early 1920’s to almost present day. During this span of time, almost every conceivable configuration has been built and tested. By studying the failures and successes of such a long history, advantageous choices can be made in selecting the exact type of wingsail for this specific application.

Elkaim tulee siihen tulokseen, että symmetrinen siipiprofiili on ihan hyvä, suhteessa yksinkertaiseen ja kevyeeseen rakenteeseen. Tosin hänkin lisää oman ratkaisunsa jättöreunaan yksinkertaisen laipan, hieman kuin lentokoneen siivissä. Kiinnostava on hänen huomionsa, että tunnetut, esim (NACA-) profiilit toimivat huonosti pienillä reynoldsin luvuilla ja siksi hän suunnitteli robottikatamaraaninsa siipipurjeeseen oman profiilin.

Speerin väite huonosta kiihtyvyydestä symmetrisellä profiililla perustuu ilmeisesti tuohon reynoldsinlukuongelmaan ja siihen, että ohuilla profiileilla maksimivoima saadaan hyvin kapealla kohtauskulman alueella, jonka ulkopuolella teho on huono tai siipi sakkaa. Hän on oikeassa, mutta ongelmaan on ratkaisu.

Mutta jatkan siipipurjeista lisää seuraavalla kerralla.

Kurssi käynnissä

Edellä mainitsemani purjeveneensuunnittelukurssin kaksi ensimmäistä neljän tunnin iltaa on mennyt. Erityisesti hämmästyttää kurssin valtava yleisömenstys. Onko PK-seudulla noin paljon oman veneen suunnittelua aikovia? Tuskin.

Ensimmäisellä kerralla pääsisältönä oli yleinen, syklinen, iteratiivinen suunnitteluprosessi. Samoin käsiteltiin veneen rungon linjapiirustuksia ja miten niistä laskettiin manuaalisesti mm. pinta-aloja ja tilavuuksia.

Toisella kerralla teemana olivat vastukset, nimenomaan veden vastukset ja niiden optimointi. Illan alkupuoli oli täyttä asiaa, mutta loppuillasta hieman turhautti useiden sellaisten jippojen esittely, joiden avulla pyrittiin optimoimaan pulleiden yksirunkoveneiden vastusta runkonopeuden tuntumassa. Koska pääkiinnostuksenkohteeni ovat monirunkoveneet, niin minua erityisesti kiinnostavat selvästi runkonopeutta suuremmat nopeudet.

Seuraavaksi on muistaakseni esillä kölin ja peräsinten hydrodynamiikka, joka yleisen siipiteorian puolesta lienee sovellettavissa myös siipipurjeeseen. Saapa nähdä sivutaanko siipipurjetta edes lauseen verran sinä iltana, jolloin rikin suunnittelu on esillä.

Yhtäkaikki, koen kyllä saavani kurssilta paljon juuri sitä ajattelun kirkastumista, jota menin hakemaan.

Lisää ajatuksia yksityiskohdista

Jatkan hieman tavoiteveneen erittelyitä ja perusteluita: miksi olen ainakin tällä hetkellä vielä sitä mieltä kuin nyt olen.

1. Yleisratkaisu: kapeat, kevyet rungot (ei sisätiloja), kevyt, matala runkojen välinen kansi ja salonki. Veneen normaalikäyttö ei ole matkakäyttöä vaan sukkulointia sataman ja mökkisaaren välillä. Laadukkaita yöpymistiloja ei tarvita. Satunnaiset yöpymiset voivat tapahtua salongin sohvan tyynyillä. Rungoissa on vain tavaratiloja.

2. Rungot ovat siis pituuteen suhteutettuna kapeita ja melko syviä. Syvyys aiheuttaa suuremman märkäpinnan seurauksena viskoosista vastusta, mutta ei niinkään allonmuodostusta, joka veneen normaalilla nopeusalueella (yli runkonopeus) on muuten vallitseva (suhteessa viskoosiseen vastukseen). Siis saman uppoaman, kantavuuden aikaansaava syvä, kapea runko tekee vähemmän aaltoja kuin leveä, matala. Olenko väärässä?

3. Veneeseen haluan mukavat, mutta yksinkertaiset ja matalat sisätilat: salongin, jossa on U-muotoinen sohva ja pöytä keskellä. Ne voidaan rakentaa kevyiksi. Salongin toisella laidalla on pieni pentteri, toisella huussi. Perän puolella vasemmalla sisäänkäynti ulkokannelle, oikealla komentosilta, pieni ohjaushytti, joka nousee n. 40cm salongin yläpuolelle: sieltä on hyvä näkyvyys eteenpäin salongin yli koska mastot ovat rungoissa, sivuilla. Salongin ja komentosillan ulkoiset muodot ovat virtaviivaisia, jotta ilmanvastus pidetään minimissä.

4. Runkoja yhdistävän sillan, jonka päällä salonki ja komentosilta lepää, rakenteen lujuus muodostuu pääasiassa kaarevista ontelopalkeista, jotka tehdään vanerista ja lasikuidusta. Myös seinät kantavat hieman, mutta päävastuu on palkeilla. Oletan, että ontelopalkkirakenne on kevyempi kuin itsekantava runko. Olenko väärässä?

5. Eksoottisin ja uskaliain ratkaisu ovat runkoihin, sivulle sijoitettavat siipipurjeet. Maailmalta niistä on kokemuksia vuosikymmenien takaa, mutta ei paljon Suomessa, niin luulen? Suomessa siipipurje liittyy jäälajeihin leijojen seuraksi.

Siipipurjeella tavoittelen äärimmäisen yksinkertaista ohjattavuutta, ja riittävää tehoa. Siiven peräsin, jonka kulma siiven suhteen on ainoa säätyvä parametri, säilyttää vapaasti mastonsa ympäri pyörivän siivin kohtauskulman suhteelliseen tuuleen koko ajan vakiona, vaikka veneen suuntaa muutetaan. Kiinteää, "kovaa" siipipurjetta ei reivata normaaliolosuhteissa. Sen kohtauskulma säädetään nollaksi, jolloin sen vastus on pienempi kuin tyhjällä mastolla. Americas Cup -kisoissa on käytetty kaksielementtisiä siipiä. Toistensa suhteen kiertyvien elementtien välissä on sola. Tämä on minulle liian monimutkainen rakenne. Käsittääkseni jo yksinkertaisen yksielementtisen, symmetrisen siiven teho pinta-alaa kohti sekä lift/drag on parempi kuin kangaspurjeella ja kokeilen ensin sitä (siis jo ennen katin rakentamisen aloitusta). Ajatukseni on ohjata siiven peräsintä sähköisellä lineaariservolla. Järjestely tarvitsee hätäkatkaisimen, jolla servon hajotessa irroitetaan napista painamalla peräsin ja kohtauskulma nolla-asentoon. Silloin mennään yhdellä siivellä. Mukana on oltava myös varaservo.

Koitan jossakin vaiheessa toteuttaa 3D-mallin, jota voi katsella eri suunnista.

Koulutusta

Ihan konkreettisesti, olen menossa kurssille. Ilmoittauduin lyhyelle, kuuden illan pikkukurssille, jossa aiheena on purjeveneen suunnittelu. Suunnittelukurssi

Kurssi on tietysti yleistä purjeveneen suunnittelua, mutta suurin osa sisällöstä on sovellettavissa omaan unelmaprojektiini, vaikka monirunkoveneistä ei juuri puhuta, siipipurjeista puhumattakaan. On syytä tarkistaa ymmärrykseni taso ihan perusasioissa. Kurssikirja Principles of Yacht Design tuntuu loistavalta. Olen sitä hieman jo lueskellut.

Olen myös opiskellut ilmaissoftan, DELFTship™Free käyttöä. Se pyörii linux-koneessani WINE-ympäristön alla. Saan sillä (ennenpitkää) piirrettyä katin rungot ja laskettua ainakin niiden staattiset tunnusluvut, kantavuuden, märkäpinta-alan, märkätilavuuden painopisteen, kokonaispainopisteen, levypintojen taivutettavuuden ym.

Jostakin on liikkelle lähdettävä. Kertoilen mielipiteitä kurssista sen alettua ja sen mentyä. Mutta kirja siis on loistava.

Päätin avata tämän uuden blogin, enkä jatkaa näitä, veneilyyn liittyviä asioita toisessa blogissani (Ajatuksia Monimutkaisessa Maailmassa, jonka olen tarkoittanut laaja-alaiseen pohdiskeluun. Tämä blogi liikkuu suppeammissa ympyröissä.

Kertaan taustaa, jonka jo tuossa toisessa blogissa olen esitellyt.

1. Hankimme pienen saunamökin Inkoon saaristosta, siis saaresta. Asumme Espoossa. Kun eläkeikä on melko lähellä, mökillä on tarkoitus tulevina vuosina viettää paljon aikaa, oleellisesti enemmän kuin työelämässä oleva lomillaan ehtii.

2. Nykyinen kulku mökin ja pääasunnon välillä tapahtuu siirtyen ensin autolla venesatamaan, josta moottoriveneellä mökkisaareen. En kovasti pidä käytännöstä. Autossa on ikävä istua ja moottorivene on myös meluisa, epämukava ja epäekologinen (bensaa n. litra/mpk).

3. Olen alkanut haaveilemaan, että voisimme kulkea veneellä Espoosta asti, n. 75km suuntaansa. Ei tietenkään moottoriveneellä vaan purjehtien. Aikaa ei kuitenkaan saisi kulua kohtuuttomasti ja kulun pitäisi olla mukavaa.

4. Ratkaisumallina olen alkanut miettiä katamaraania. Se on yksirunkoista selvästi nopeampi ja kulku on pehmeämpää. Pieni, nopea, avoin malli ei kelpaa, koska mukavuustarpeemme edellyttää hyviä sisätiloja: salonki, huussi, keittiönurkkaus. Mutta raskaat matkakatamaraanit ovat liian painavia, paino se, joka veneessä maksaa. Tavoitteena olisi keskikokoinen (n.30jalkaa eli 9m), mutta kevyt vene. Kajutta pidettäisiin yksinkertaisena, jopa hieman puritaanisena, mutta riittävän mukavana. Katamaraanin kaksi runkoa olisivat kapeita: ei mitään oleskelutiloja, vain tavaratilaa. Minusta tuntuu, että kuvaamani veneluokan kaupallista tuotetta ei ole saatavilla.

5. Kuten yllä esittämästäni luonnoskuvasta näkyy, olen ajatellut kahta siipipurjetta, yksi runkoa kohti. Yksielementtinenkin, symmetrinen "kova" siipurje lienee pinta-alaa kohti tehokkaampi kuin perinteinen rättipurje. Kaksi pienehköä purjetta riittää: purjeet, siis mastot voidaan pitää matalina, kallistava momentti pysyy pienempänä, kuin yhdellä isolla rättipujeella. Jonkinlainen myötätuulipurje tosin siipipurjeiden lisäksi tarvittaisiin.

6. Olen siis ajatellut suunnitella ja rakentaa veneen itse. Mökillä on tilaa pressuhallille, jossa voisi työskennellä n. 4kk vuodessa. Kolme rakennuskautta voisi riittää, budjetti materiaalille saataisi olla 5000-10000€.

7. Vähintään vuosi tästä eteenpäin kuluu opiskeluun, suunnitteluun, kokeiluihin, ennenkuin aloittaisin varsinaisen rakentamisen. Erityisesti tästä prosessista on tarkoitus blogissa kertoa. Tiedän jo useita ongelmia, jotka odottavat ratkaisuaan. En todellakaan väheksy haasteen vaativuutta. Projektinimeksi valitsin "Albatrossi". Sanat: "..lepäämättä liitää.." kuvaa tavoitetta: isohkon, mutta kevytrakenteisen veneen vauhdikasta menoa, tekniikalla, tyylillä, ilman hevovoimien ärjyä..