Det handlar om kölar


Vendee Globe minibiografier gör en liten paus. Det här handlar om kölar.

För drygt ett år sen startade en köldiskussion på BLUR (här). Det handlade bl.a. om hur bulben ska utformas. Ska bulben ha rak undersida, ska den ha bäversvanssvslutning? Ska bulben vara integrerad, dvs utformas som en utvidgad fortsättning på kölbladet för att kunna ta upp en del av sidkraften? Eller är torpedformad bäst?
Jag fick ett intryck av att många av inläggen mest handlade om att framhäva fördelarna hos kölen på den egna båten. Faktiskt väldigt lite saklig information baserad på genomförda jämförande undersökningar fanns med i inläggen. (Även jag kan väl förfalla till att ibland kanske inte helt vetenskapligt baserat framhäva fördelarna hos Pianos köl).
Köldiskussionerna på BLUR fortsatte sedan efter ett inlägg om Chalmersprojektet Q380 (här).
På Båtmässan Allt för Sjön 2011 presenterade Stefan Qviberg resultat från en Chalmersundersökning där 4 olika kölar jämfördes. Vimeovideon från BLUR hittar du (här). Klippet är nästan 20 min långt. Det intressanta avsnittet kommer mellan 6.20 och 10 min. Kölegenskaperna beräknades med CFD, dvs datorbaserade teoretiska flödessimuleringar och bestämning av kraftverkan på (de vertikala) kölarna. .

Under 2010/2011 utfördes 3 examensarbeten på Chalmers med inriktning på egenskaper hos bulbkölar. Stefan Qviberg visade resultat från examensarbete #1.



Kölvarianter i examensarbete #1. Fenköl upp t.v. Integrerad upp t.h. L-köl ner t.v. T-köl ner t.h. T-kölens bulb har i hvdsak plan undersida och ser framifrån ut som L-kölen.

Examensarbete #1 och #2 var inriktade på att rangordna de fyra kölarna, se figuren ovan. Examensarbete #3 var helt inriktad på formoptimering av den integrerade kölen.

Kölens prestanda anges med två storheter: bromsande inverkan och förmåga att ge sidkraft. Fenkölen vinner i båda fallen. Men hur mycket sämre är bulbkölar? Och vilken bulbvariant är bäst?
Resultatet från examensarbete #1 utan hänsyn till rätande moment visade alltså att fenkölen var bäst (ingen bromsande bulb), följd av integrerad köl, L-köl och med T-köl sämst. Examensarbete #2 var var en upprepning av den första undersökningen och en utvidgning till att också undersöka kölarna i vindtunnel. T-kölen i den första undersökningen hade fått en riktigt dålig utformning (strömningsfältet från CFD simuleringarna som Stefan Qviberg visar i videon ser förskräckliga ut) och i jämförelserna mellan kölarna i undersökning 2 introduceras en ordentligt modifierad (optimerad) T-köl.


Modifierad T-köl t.v. T-köl från första undersökningen t.h.

Omslagsbild till Examensarbete #2. CFD simulering av strömningsfältet runt en T-köl. Kölbladet har tjocklek 15%, NACA profil 63-015. Bulbelns bredd är 30% av bulblängden, bulbens undersida är i huvudsak plan.

Strömningsfältet runt kölen beräknas vid olika anfallsvinklar. Bilden härovanför visar ett typiskt resultat. En virvel bildas runt bulben. Det finns två motstridiga egenskaper, som ska optimeras i förhållande till varandra. Dels ska virveln lämna bulben så långt ner som möjligt (för att kölen ska få så stort effektivt djup som möjligt). Dels ska virveln vara så liten och väldefinierad som möjligt. Det var just här T-kölen i undersökning 1 falerade. Bulben hade sin största tjocklek på samma ställe som kölbladet (se två bilder ovan). Just där blir därför strömningshastigheten störst (och trycket minst). Vid snedanströmning släppte strömningen på läsidan vid maxtjockleken och en stor virvel bildades.

Dålig T-köl t.v., bra t.h. Dom virvlande linjerna bakom bulbarna antyder storleken på virvelbildningen bakom kölarna. Båda bulbvarianterna har "bäversvans", dvs avslutas med plan horisontell del.

 Strömningsbilden för L-kölen påminner om T-kölen före modifieringen.

Även L-kölen har bäversvans.

Också för L-kölen bildas virveln tidigt och har vuxit ordentligt när den lämnar bulben.

Strömningsbild, integrerad köl

Strömningsbilden runt den integrerade kölen visar ett annat utseende. En ganska diffus virvel bildas. Fördelen är att den trycks ner till kölens underkant.

Utöver CFD simuleringarna vindtunnelprovades de fyra kölarna i examensarbete #2 och den optimerade integrerade kölen i #3. Vatten har högre viskositet och densitet än luft. För att strömningsförhållandena ska vara rättvisande (mht Reynolds tal), sker vindtunnelprovningen i ca 40 m/s.

Vindtunnel med fenköl rakt framifrån.

Resultaten från simuleringar och vindtunnelprov i examensarbete #2 visar samma rangordning. Men vid en jämförelse med examensarbete #1 är rangordningen för de tre bulbkölarna helt omkastad. Den modifierade T-kölen är bäst följd av L-köl och med den integrerade kölen på tredje plats. Vindtunnelproven gav generellt något lägre prestanda jämfört med simuleringarna.

I det tredje examensarbetet optimerades formen på den integrerade kölen. Det innebär att formen på de nedre delen varieras på ett systematiskt sätt för att få högre sidkraft och mindre bromskraft.

Orginalkölen med sin plana undersida.

Optimerade varianten. Observera att undersidan inte längre är plan (utom en liten remsa i mitten).

Vid optimering bestämmer man på vilket sätt formen får varieras. Här var förutsättningen att akterkanten fortsatt skulle vara vertikal och gå ända ner. Formen på tvärsnittet vid kölbladets akterkant varierades (inom ganska snäva gränser), volymen skulle vara konstant och bulbens horisontalsnitt skulle alltid vara NACA 65 profil (18% max med varierande tjocklek). Tvärsnitt hos orginal och optimerade varianter nedan.

Den integrerade bulbkölen i orginal t.v. och efter optimering t.h.

Beräknade prestanda blev förstås högre för den optimerade kölen (det var ju det hela optimeringen gick ut på). Intressant är att optimeringen "valde bort" den plana undersidan, på så sätt eliminerades virvelbildningen när vattnet strömmar upp runt den skarpa kanten akter om bulbens maxbredd.

Generellt är skillnaderna i prestanda mellan de tre bulbvarianterna små. Formoptimering av den integrerade kölen och av T-kölen gav bättre egenskaper. Ett villkor för utformningen av kölarna har uppenbart varit att undersidan ska vara plan eller åtminstone ha en rak profil. En slutanmärkning i examensarbete #2 är att L-kölen också borde optimeras för att jämförelsen ska bli fullständig.

Så långt de tre examensarbetena.

Mina fortsatta frågor:
Enbart vertikala kölar utan samverkan med skrovet är undersökta. Hur förändras prestanda om kölen lutar? Hur påverkas samverkan med den typ av moderna skrov vi har idag (dvs raka skrovlinjer både längs och tvärs)? Hur förändras egenskaperna om bulben utförs dubbelsymmetrisk (dvs elliptiskt tvärsnitt med lika krökning på ovan och undersidan)? Hur stor är vinsten med att virveln trycks ner till kölens maxdjup (virveln släpper bulben i dess bakkant)? Är bäversvans bättre än spetsavslutning?

Många frågor, jag letar vidare (Tacksam för tips på referenser).

Referenser:

Examensarbete #1 får du beställa från närmaste bibliotek (fjärrlån från Chalmers bibliotek):

E Bergman, W Pettersson, J Tell och A Tesanovic: Investigation of keel bulbs for sailing yachts. Dept. of shipping and marine technology. Chalmers. Bachelor Thesis SJOX-02. Göteborg Sweden, 2010.

Examensarbeten #2 och #3 finns tillgängliga i fulltext på nätet. #2 har samma titel som #1 ovan. Fulltextlänkarna finns här (klicka på titlarna):

Björn Axfors och Anna Tunander: Investigation of Keel Bulbs for Sailing Yachts

Kasper Ljungqvist: Shape optimisation of integrated bulb-keel