فیزیک قایقرانی، تجزیه و تحلیل CFD

از بین همه قایق ها، به نظر من قایق های بادبانی جذاب ترین هستند، به خصوص وقتی بادبان ها تنها وسیله پیشران آنها هستند. انرژی جنبشی از باد به بادبان ها منتقل می شود که منجر به نیروی بالابر می شود که نیروهای کششی را متعادل می کند و به قایق بادبانی اجازه می دهد در آب حرکت کند. همه ما با قطعات یک قایق در بالای خط آب آشنا هستیم: عرشه، اسپارها، بادبان ها و سکان مورد استفاده برای چرخاندن قایق (شکل 1c). اگرچه همه به آنچه در زیر بدنه است توجه نمی کنند. قسمتی که اغلب نادیده گرفته می شود، کیل است (شکل 1d)، یک باله عمودی وزنی که در پایین قایق قرار گرفته است. وزن آن با ایجاد یک لحظه راست کردن که به بادبان ها اجازه می دهد تا به طور موثر کار کنند و واژگونی قایق بادبانی و واژگونی آن را بسیار دشوار می کند، پاشنه پا را کاهش می دهد.

شکل 1 (اقتباس از اندرسون). (الف) مجموع برداری نیروهای وارد بر یک قایق بادبانی متحرک. (ب) نیروهایی که روی یک قایق بادبانی فقط زیر بادبان اصلی وارد می شوند و با یک مسیر و سرعت ثابت پیش می روند. ج) قطعات اصلی قایق بادبانی؛ (د) نمای جلویی یک کیل لامپ.

همه قایق های بادبانی Sidle

وقتی باد از کنار قایق می‌آید، چیزی برای جلوگیری از سر خوردن بیش از حد لازم است، و این «چیزی» همان کیل است. بیایید نگاهی به شکل های 1a و 1b بیندازیم، جایی که نیروهای وارد بر یک قایق بادبانی که با سرعت و مسیر ثابت حرکت می کند، نشان داده شده است.

بادبان اصلی مانند یک بال نامتقارن عمل می کند که در هوا حرکت می کند. نیروی بالابر تولید شده دارای دو جزء است: یکی بالا بردن قایق بادبانی به سمت جلو و دیگری مسئول حرکت قایق بادبانی به سمت پایین باد. کیل مانند یک بال متقارن عمل می کند که در آب با زاویه حمله حرکت می کند، زیرا به دلیل حرکت بادبان به سمت پایین به دلیل بادبان اصلی حرکت می کند. یک نیروی بالابر نیز در این مورد ایجاد می شود که جزء اصلی آن با حرکت رانش به سمت پایین باد مقابله می کند. وقتی همه نیروهای وارد بر قایق بادبانی یکدیگر را متعادل می‌کنند، قایق بادبانی همچنان به سمت باد حرکت می‌کند، اما فقط اندکی، به لطف کیل. چنین حرکتی به صورت غیر مستقیم، لیوی نامیده می شود . بنابراین، طراحان قایق بادبانی با یک پارادوکس (شکارچی و کشتن) مواجه می شوند: آنها باید به آن اجازه دهند تا کمی آزادی عمل داشته باشد.برای اینکه کیل زاویه حمله داشته باشد و بالابر مورد نیاز برای مقابله با آزادی عمل ایجاد کند .

کیل های لامپ

طراحی کیل برای استفاده از تئوری بال و تحلیل دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) تکامل یافته است. روند فعلی برای قایق های بادبانی تفریحی این است که یک کیل نه چندان عمیق و باریک با حباب با لبه های بیضوی در پایین داشته باشند. چنین طراحی مقدار مناسبی از گشتاور درست را ارائه می دهد و پسا را ​​به حداقل می رساند. من به عنوان یک علاقه مند به CFD، وقتی بیرون از آب هستم، اغلب به فیزیک قایقرانی فکر می کنم. در این روحیه است که من یک تجزیه و تحلیل CFD از یک کیل لامپ را انجام داده ام و می خواهم نتایج را با شما به اشتراک بگذارم.

فیزیک قایقرانی: تجزیه و تحلیل CFD یک کیل حباب

هندسه کیل حباب مورد استفاده برای تجزیه و تحلیل CFD دارای مقطع بیضوی است و در شکل 2 نشان داده شده است. سرعت آب روی 5 گره تنظیم شده است ، حدود 86 درصد سرعت بدنه برای یک قایق بادبانی 19 فوتی، و در زاویه 45 درجه است. با کیل حباب، به این معنی که قایق بادبانی با زاویه حدود 30 درجه در جهت مخالف باد حرکت می کند (شکل 1b). من هندسه را مستقیماً در COMSOL Multiphysics ساخته‌ام و از ماژول CFD برای استفاده از قابلیت‌های مدل‌سازی جریان آشفته آن استفاده کردم.

هدف از شبیه سازی مشاهده جزئیات جریان سیال در اطراف کیل، تعیین فشار و توزیع تنش کل، مشاهده تشکیل گرداب مسئول کشش القایی ، و یافتن بالابر تولید شده و مرکز فشار آن بود . نتایج شبیه سازی در شکل های زیر نشان داده شده است.

شکل 2. نمای پورت هندسه سه بعدی لامپ.

شکل 3. سطوح هم سطح سرعت. نماها: سمت پورت (تصویر در سمت چپ) و سمت راست (تصویر سمت راست).

شکل 4. توزیع فشار. نماها: سمت پورت (تصویر سمت چپ) و سمت راست (تصویر سمت راست).

شکل 5. خطوط جریان تشکیل گرداب در پشت کیل لامپ را نشان می دهد. آب با زاویه 45 درجه با کیل لامپ جریان دارد. نماها: سمت پورت (تصویر در بالا)، از سمت عقب (تصویر در پایین سمت چپ)، و سمت راست (تصویر در سمت راست پایین).

شکل 6. توزیع کل اجزای تنش روی کیل حباب. نماها: سمت راست (تصویر در بالا) و سمت پورت (تصویر در پایین).

شکل 7. موقعیت مرکز فشار (نقطه اولیه بردار قرمز) و جهت بالابر ایجاد شده. توجه داشته باشید که مرکز فشار خارج از کیل لامپ قرار می گیرد. به این معنی که توزیع فشار منجر به اعمال نیرو و گشتاور در جهت عقربه های ساعت بر روی کیل می شود. قدر لحظه را می توان با ضرب مقدار نیرو و فاصله آن از مرکز ثقل کیل تعیین کرد.

طراحی قایق بادبانی یک کار چالش برانگیز است، هنری که به مهارت های مهندسی و بهترین نرم افزار شبیه سازی نیاز دارد. آیا نیروی بالابر تقریباً 450 پوندی تولید شده برای فراهم کردن قایق بادبانی من با مقدار مناسب آزادی عمل کافی است؟ خیلی به انتخاب سکان، بدنه و بادبان بستگی دارد. دفعه بعد که در بندر بوستون به قایقرانی می‌روم، قایق‌های بادبانی موجود در مرکز قایقرانی شجاع را بررسی خواهم کرد . گام بعدی در کشف فیزیک قایقرانی اضافه کردن یک سکان به شبیه سازی من است.

بیشتر خواندن

• The Physics of Sailing Explained , BD Anderson, 2003, Sheridan House
• طراحی قایق بادبانی توضیح داده شده ، D. Hunter و S. Killing، 1998، WW Norton