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