Vinkla ner bulben

Här följer resultatet av en serie CFD (Computational Fluid Dynamics) beräkningar jag gjort på inverkan av att vinkla ner bulbens bakkant. Det var en kommentar från Jimmy som gav mig iden. Dvs det handlar om att inte längre ha bulben horisontell. Beräkningarna visar hur kölens sidkraft och strömingsmotstånd ändras som funktion av vinkeln.


2 grader nervinklad bulb.

 Kölen har 63-012 profil, den är 900 mm lång i överkant och 700 mm vid anslutning till bulben. Djupet från bulbens spets till överkant köl är 1,55 m. Bladets area innan bulbens monteras är 1,24 m2.


5,5 grader nervinklad bulb.

Beräkningarna är gjorda för en hel massa vinklar mellan horisontell och 5,5 grader. Beräknar Lift och Drag vid 4 graders avdrift i farten 3 m/s, dvs ca 6 knop. Hela tiden med vertikal köl, dvs ingen krängning. Lift och Drag är krafterna vinkelrätt och längs med båtens avdriftsriktning.

Lift ökar linjärt från 1530 vid horisontell bulb till 1660 N vid 5 grader, dvs ca +8%. Upp till 5 grader nervinkling varierar Drag (hela kölen inklusive bulben) inom intervallet knappt 114 till drygt 117 N. Värdet hoppar lite osystematiskt upp och ner inom det riktigt snäva intervallet. Min bedömning är att Drag i princip är konstant så Lift/Drag stiger från 13,2 till 14,3 (räknar med Drag=115,5 N). Vid 5,5 graders nervinkling börjar bulben bromsa och då slutade jag med beräkningarna.

Beräkningarna är gjorda för väldigt många nervinklingar, helt enkelt som en kontroll av att allt hänger ihop. Från början visste jag inte om det skulle bli ett nästan linjärt samband. Inte heller om det hoppande värdet för Drag hade en trend eller om det mer handlade om att beräkningsprogrammet inte gav så stor precision.

Så här ser diagrammen ut:

Lift/Drag för 13 beräknade nervinklingar. Alla beräknade värden är baserade på L och D för de individuella körningarna.

Lift [N] på Y-axeln, nervinkling [grader] på X-axeln. Trendlinjens ekvation har slunkit med i diagrammet.

Drag [N] på Y-axeln och nervinkling [grader] på X-axeln. Beräknade värden för Drag hoppar lite upp och ner. Det är ett vanligt fenomen vid beräkningar av den här typen. Den stora kraften (Lift) blir relativt noggrannare bestämd än den lilla kraften (Drag).

Nästa bild visar strömlinjer som går igenom en cylinder rakt mot bulbcentrum. Vi tittar alltså rakt mot kölens rörelseriktning. Vattnet letar sig runt bulben och börjar rotera under bulben från lä (t.v.) åt lovart (t.h.). Man ser också att nästan allt vatten inom cylindern passerar kölen på dess lovartsida - tänk dig att ett gummimembran spänns upp av de blå strömningslinjerna. Membranet bubblar ut i lovart.

Bulben är något tillplattad. Nervinkling 5,5 grader. Beräkningarna är gjorda för vertikal köl. Här är den lutad lite för att man bättre ska kunna uppfatta tryck (lä) och sug (lovart) sidorna.

Bakifrån syns tydligt hur virveln lämnar bulben. Lite diffust ser man att bulben har en liten bäversvans dvs den är ordentligt tillplattad därbak och sen kapad lite.

Lovart t.v. och lä t.h. Nervinkling 5,5 grader.

Kölens läsida. Det är glest mellan strömlinjerna, vattnet försvinner snabbt under bulben till lovartsidan. 5,5 grader.

Vad har jag lärt mig av det här? Det första är att det inte alls är fel att vinkla ner bulben. Man kan - precis som Jimmy skrev i sin kommentar till ett tidigare inlägg - vinkla ner ända till 5 grader och det blir bara bättre hela tiden. Hur kan man förklara det? I första hand handlar det om att kölens effektiva djup (som bestäms av djupet till virveln) ökar. Vid 5 grader nervinkling flyttas den 1,6 m långa bulbens bakkant ner 14 cm. Det ger högre prestanda och sannolikt kostar det mättal därefter. Nästa steg blir att utforma en bulb som har plattare undersida, i första hand så att bulbens bakkant ligger vid maxdjup.

Efter att ha gjort den här serien av beräkningar och plottat strömlinjer och tryckfördelningar så inser jag att nervinklingen också ger en vackrare köl. Kan ju glädja alla som dyker och kollar båtar från det hållet. På land finns det risk att båten sätter sig på nosen och ser ledsen ut.

Du kanske undrar vilken båt jag räknat på? Bosses Dynamic 35 förstås! Med kölbladet han just har fräst fram och bulben från RJS. Undrar hur mycket han tänker vinkla ner den?

Bosses Dynamic 35 (5)

I mina diskussioner med Bosse var han ett tag inne på att fräsa om kölprofilen. Men inte längre. I morse kom en rapport. Som först hade en kommentarer om köldesign:

Är väl så att det är de små detaljer man får rikta in sig på, nosradie,avslut och finish.

Jag kör vidare med min köl så som den var från början, NACA63012. Är kanske ett lite försiktigt val men den kurvan funkar hyfsat även om bottenfinishen inte är hundra framåt hösten.

Jag har gjort en bottenstock i helgen, två lager riktad 400 gram kol och två remsor med UD i kol med ett lager triradal glasfiber över. Körde med vakum och en tunnare epoxi från NM, 625A.

Funkade kanon så nu kan jag ta en bottenstock per dag. Kul när man börjar att känna att man gör åt rätt håll och inte bara river sönder.

Har även lagt tre lager kol för att förstärka övergången mellan mastbalken och skrovet, hoppas kunna göra köl och mastparti så styvt som möjligt. Tyvärr kom jag inte åt att bagga men det blev bra ändå. På bilden syns att jag har sågat bort en del trä i nedre delen av mastskottet. Träet var murket och laminatet fuktigt. Nu är det torrt och fuktmätaren visar grönt efter att tidigare ha visat rött och pipit.

Hls Bosse

... och ner som en pannkaka!

Jimmys kommentar ledde mig på spåret. GE profilen är som vilken NACA profil som helst, kanske med en tendens att tappa vid anfallsvinkeln 5 grader. Det var ett simpelt inmatningsfel, en 8:a för mycket hade smugit sig in vid areaberäkningen. Istället för 1 kvadratmeter räknade programmet ut kraften för 1,08 m2. Fortfarande är Lift 3% större än för NACA profilerna, men Lift i förhållande till Drag tom tappar vid 5 grader.

Ett effektivt sätt att öka Lift är ju att öka kölens area. Då kan jag segla med lite mindre avdrift och kanske minskningen av skrovets Drag då blir större än ökningen av kölens Drag pga den större arean. Val av kölstorlek är ju en viktig designparameter för en båtkonstruktör.

Jag blev nog mer upphetsad av dom första resultaten (som sen visade sig vara fel) än ni blev. Och framför allt mer upphetsad än Jimmy, som vet hur det egentligen är.

Jag ber er alla hövligt om ursäkt för att jag kanske misslett er. Förhoppningsvis har ingen ännu hunnit slipa om sin köl.

Fast jag undrar fortfarande varför Piano seglar så fort?

10% högre Lift?

Det här inlägget är borttaget. Slutsatserna i inlägget, som handlade om en jämförele mellan tre NACA profiler och den GE-profil som finns på min båt Piano, var felaktiga pga fel inmatade data i CFD modellen. Den tidigare slutsatsen var att GE-profilen var något bättre än NACAprofilerna 0009, 63-009 och 64-010. Eter korrigering av siffrorna visade det sig att resultatet blev tvärtom, men som tur är (för min självkänsla när jag seglar) så är skillnadena små.

Resultat av beräkningar på olika kölar kommer att dyka upp p den här bloggen lite då och då framöver.

Kinesgipp rakt in verkstan

För några veckor sedan vände vi uppochner på #26 (Pianos systerskrov). Bilder på den manövern hittar du (här).  Tanken var (och är - vi har inte gett upp den än) att bygga på förskeppet i sann Bosse Fransson anda. När väl skrovet var vänt och tillbaka i verkstan tog jag fram laserinstrumentet och började kolla läget.


Mäter upp "nollspantet".

Resultatet från uppmätningen var nedslående. Skrovet är skevt. Bl.a. lutar SB fribord mindre än BB. Vad gör man? Slänger båten? Nä - pået igen. Det är bara att ta bort däcket och alla invändiga skott och bända och trycka och vrida skrovet rätt. Ringer efter kranbilsjonglören.

Kinesgipp rakt in i verkstan?

Ett ganska knepigt förskepp!

Kranbilsjonglören himself

Det där förskeppet ser ju faktiskt lite trist ut!

Hur mycket bromsar bulben?

Förra inlägget handlade om inverkan av form på bulben och om ökat djupgående med lite lättare bulb. CFD analyserna tuggar på och idag handlar det om en jämförelse mellan kölar med och utan bulb. En viktig frågeställning är hur mycket bulben bromsar.

Till skaran av dom tre tidigare undersökta kölarna kommer här en kölfena utan bulb. Fenan har samma djupgående som de två djupa kölarna, dvs Hansson 31 med ett kölblad som sticker 2,05 m djupt. Samma kölprofil, dvs NACA64-010. Samma längd upptill som tidigare men ytan blir lite större eftersom där tidigare var bulb, där är nu en nedåt förlängd fena.

Som tidigare räknar jag ut Lift och Drag, dvs krafterna längs och tvärs avdriftsvinkeln. Beräkningarna är gjorda för 1, 3 och 5 grader avdrift och anströmningshastigheten 3 m/s, dvs knappt 6 knop.

Lift som funktion av avdriftsvinkeln. I diagrammet är datapunkter för kölfena utan bulb markerade med rund gul symbol. Klicka på diagrammet så blir det lite lättare att läsa.

Drag skiljer sig för dom olika kölarna. Förstås har köl utan bulb minst motstånd. Men vid 5 graders avdrift är bromskraften ca 170 N och lika för alla kölarna.

Diagrammen visar enligt min uppfattning två viktiga egenskaper hos de fyra kölarna. För det första har alla fyra kölarna nästan samma egenskaper när det gäller Lift. Det betyder att avdriften blir samma oavsett vilken köl jag väljer. För det andra, så är motståndet hos fenan utan bulb som väntat minst. Skillnaden mellan "Keel64" (bläddra ner till inlägget härunder om du vill läsa detaljerna om den kölen) är ca 30 N vid 1 graders avdrift. Skillnaden mellan Hansson31:ans orginalköl och fena utan bulb är betydligt mindre. Datorerna tuggar vidare och så småningom ramlar en "exakt" siffra ut, men uppskattningsvis blir skillnaden mindre än 20 N vid anströmning rakt framifrån. Vid 3 graders avdrift är skillnaden mellan kölfena och "Keel64" ca 50 N. Det motsvarar bromskraften när jag sticker ner handen i vattnet med lätt kupad handflata mot strömningsriktningen. En ganska saftig broms alltså (båten seglar 6 knop).

Varför blir inte Lift större från kölen utan bulb? En bild illustrerar strömningsförhållandena.

Ett plant skikt vatten som strömmar rakt mot kölens underkant (från höger i bilden) fångas upp av tryckskillnaden mellan lä (övertryck) och lovart (undertryck) och bildar en virvel. Virvelns centrum hamnar över kölens underkant ungefär på samma höjd som de djupa bulbkölarnas avslutande spets. Beräkningen är gjord för tre graders avdrift.

Kölens effektiva djup är ner till virvelns centrum och blir därför nästan samma för de tre djupare kölarna. Pianos köl är grundare och har därför förstås mindre effektivt djup. Jag fortsätter mina undersökningande/beräkningar för att förstå varför det blir lika fast det borde blivit annorlunda. Tills vidare kan jag iallafall konstatera att mitt tilltro till Pianos kapacitet inte har avtagit som följd av dom här analyserna.

Kölen till Hansson31 #26. Kölbultarna som syns precis över flänsarna går ända ner till bulben, där dom är ingjutna. Vi har just epoxilimmat fast de två vakuminjicerade plastskalen. Senare fyllde vi hålrummet mellan skalen med vinylester som armerades med avklippta glasfiberkanter som stacks ner i hålet mellan skalen. Översidan förseglades med en himla massa lager glasfiber/vinyester.

Pianos köl ser lite udda ut. Jag undrar ibland hur Gösta Edvardsson tänkte när han ritade den. En kombination av erfarenheter från konstruktion av propellerflygplan och ett stor portion intuition när det gäller att tolka om flygplanserfarenheter till segelbåtar handlar det om iallafall!

Som jag nämnde i förra inlägget, så ska man ta beräkningen av Drag i det CFD program jag använder med en nypa salt. Så sådär himla bra är kanske inte Pianos köl.  Detta är en hint till SRS tekniska kommite så att dom inte lockas att ge Piano några extra pinnar med anledningen av de beräkningsresultat jag får fram!


Kölberäkningar

Kölar är ett kärt ämne på den här bloggen. För ett drygt år sen refererade jag tre st undersökningar från Chalmers - klicka på Köl-taggen t.h. så hittar du dom.
Dom tre Chalmersundersökningarna omfattade både vindtunnelförsök på kölmodeller och CFD - Computational Fluid Dynamis - beräkningar. Överensstämmelsen mellan experiment och beräkningar blev inte perfekt - men rangordningen mellan de fyra undersökta kölarna blev samma i båda fallen.

Kölar och köldesign har också i olika omgångar diskuterats på BLUR. Hur stor kölarea är optimalt (ur någon synvinkel)? Vilken form ska kölen ha? Sundetregatta har ett ganska vanligt tema där olika mätreglers bestraffning av bulbköl ifrågasätts. Framförallt gäller detta DH-regeln, som har en också enligt min uppfattning orimligt stor bulbbestraffning. Ett färskt exempel på köl utan bulb är nya Salona 33 (här), som har en 2,15 m djup racingkölvariant ritad av Jason Ker. Standardkölarna till Salona 33 (totalt finns tre förutom Kervarianten) ser ut som vilka moderna bulbkölar som helst med flat undersida.

Jag är själv en riktig bulbnörd och har hävdat och hävdar att bulb är bra, framförallt för att det är ett effektivt sätt att få högt rätande moment så att man kan segla båten optimalt med liten besättning. Visst kan man få samma rätande moment utan bulb (som Jason Ker kölen till Salona 33 ) genom att göra den ihålig upptill och ha allt bly långt ner. Men om man accepterar det större djupgåendet kan man få en ännu effektivare köl med samma rätande moment genom att ha en lättare bulbköl med ett större djupgåendet och därmed en totalt sett ännu lättare båt. Kölvarianten utan bulb är då enbart ett sätt att optimera en mätregel. Detta är inte min målsättning. Jag vill ha en snabb och effektiv båt som är kul att segla.

Möjlighet att göra CFD beräkningar kan för en kölnörd närmast liknas med att gräva med fingrarna direkt i syltburken. Helt plötsligt kan jag få svar på alla dom här frågorna som man tidigare varit hänvisad till tex "Principles of Yacht Design" med alla sina tusen diagram för att få indikationer på vad som skulle vara rätt eller bäst. Helt plötsligt kan jag bedöma om små designskillnader alls har någon praktisk inverkan överhuvudtaget? Segelbåtsdesign innebär att man ska välja, i valen och kvalen handlar det om kompromisser. Alla mina tidigare tvärsäkra påståenden om vad som är bra eller dåligt kanske kommer att falla platt till marken?

Jag har CFD räknat kölen till min egen båt. Då blir det för mig mer konkret. Avdriftsvinklar och segelkrafter blir siffror jag kan relatera till.

Först lite data om båten. Rätande moment i kappseglingstrim och utan besättning på railen är ca 20 kNm vid 30 grader. Vid kryss och krängning 15 grader motsvarar det 10 kNm.
Jag antar att blåser ca 7 m/s. Nu tycker du kanske att 15 grader krängning vid segling i 7 m/s är för mycket lut. Inte särskilt optimalt helt enkelt. Jag håller med, med fem man ombord och när vi hänger ordentligt lutar vi mindre. Men se det såhär istället: Om alla sitter inne i båten och inte alls bidrar till något rätande moment, så lutar båten säkert 15 grader. Och då kan jag använda båtens stabilitetskurva för att uppskatta det krängande momentet från vinden. När besättningen flyttar upp på kanten minskar krängningen - för att besättningen tar över en del av det rätande momentet från skrovet. Och båten går fortare för att skrovets strömningsmotstånd minskar och för att kölen blir effektivare när den inte lutar.
Krysstället kraftcentrum är ca 5,6 m över och kölens tryckcentrum ligger ca 1 m under vattenytan. Hävarmen mellan kraft i seglen och kraft på kölen blir alltså ca 6,6 m. Den krängande kraften är rätande momentet genom hävarmen som blir ca 10 000/6,6 = ca 1500 N. Kölen ska leverera lika stor sidkraft.
Jag antar att det blåser idealvind 7 m/s då Piano seglar 6 knop. Då ska kölen också motverka vindkraft åt sidan på besättningen på kanten, uppskattningsvis 200N.
Kölen ska alltså leverera en sidkraft på ca 1700 N.

Jag har räknat på tre olika bulbkölsvarianter. Förstås är orginalkölen, den som nu sitter på Piano med. Dessutom två varianter med djupgåendet ökat från 1,8 till 2,05 m. Jag har valt att ge de två djupare kölfenorna lite mindre area, eftersom en djup/smal kölfena ger större sidkraft i förhållande till arean än Pianos "approximativt elliptiska" fena. Kölareorna för enbart fenan är 1,386 m2 för Piano och 1,275 m2 för de två övriga. De tre kölarna ger samma rätande moment, de två djupare kölarna har något tillplattade bulbar för att få ner tyngdpunkten lite extra och bulbvikt 850 kg jämfört med Pianos rotationssymmetriska bulb med vikten 1100 kg.


Den riktigt knubbiga orginalkölen till Hansson 31. Bulben är 1,7 m lång med diameter 33 cm. Sektionen kallas YLB, Youngs Laminar Body och togs fram för att få ett systematiskt underlag vid utformning av flygplanskroppar för propellerplan. Såna delar av planet som måste vara med och samtidigt bromsa så lite som möjligt.

Pianos köl sett från lä. Avdrift 3 graders, de blå strömningslinjerna visar hur vattnet inom en cylinder som strömmar rakt mot bulbcentrum bildar en virvel efter passage av bulben

Det djupare och smalare kölbladet med NACA64010 profil. Bulben är NACA65A015 profil, som först är roterad och sedan tillplattad, 2 m lång, 24 cm hög och 30 cm bred. Bakkanten är sänkt 4 cm för att få ner virveln som lämnar bulben så mycket som möjligt. Målet med detta är att öka kölens effektiva "aspect ratio" (sidoförhållande) för att därmed ge större sidkraft per area. 

Den tredje kölvarianten har samma kölfena som kölen i bilden ovanför. Bulben är en lättare och tillplattad variant av Pianos YLB bulb.

Vad har beräkningarna gett för resultat? CFD programmet räknar bl.a. ut Lift och Drag för hela kölen. Skrovet är inte alls med i beräkningsmodellen. Kölen är uppåt avslutad med ett symmetriplan, det är samma resonemang som man för när man säger att man erhåller kölens verkliga sidohållande genom att spegla kölbladet i skrovet. Det fungerar på samma sätt som att kölens avslutades uppåt med en plan skiva utan friktion. Lift och Drag är kraften på kölen inklusive bulb tvärs strömningsriktningen (Lift) och i strömningsriktningen (Drag). Observera att Lift och Drag inte är relaterade till skrovets riktning utan till avdriftsriktningen respektive tvärs avdriftsriktningen.

Lift som funktion av kölens avdrift. De tre kölvarianterna levererar nästan identiskt samma Lift! Lift = 1700 N kräver avdrift ca 4,4 grader. Klicka på bilden så blir diagrammet lättare att läsa.

Drag som funktion av kölens avdrift. Beräkningarna är inte genomförda för alla avdriftsvinklar. Vid 5 graders avdrift har orginalkölen och kölen med förlängd bulb nästan samma Drag. För mindre avdriftsvinklar ger de två kölarna med YLB bulbvarianterna något lägre motstånd.

Vad drar jag för slutsatser av detta?
Den viktigaste slutsatsen är att en "ad hoc" modifiering som går ut på att göra kölbladet djupare och smalare inte direkt gav en bättre köl. Den väldigt djupt förankrade sanningen att smalt och djupt alltid är bättre fick - iallafall för mig - en ordentlig törn.
Den andra slutsatsen är att en längre bulb med mindre framifrån projicerad area inte blev bättre. Knubbigt är uppenbart helt OK.
Sen kan jag vända på problemet. Jag får samma egenskaper med 25 cm ökad djupgående och 250 kg lättare bulb. Det alternativet väljer jag gärna. Då blir det en snabbare båt på undanvinden.
Men när det gäller prestanda på kryss kan det kvitta.

Lite om det beräkningstekniska. Jag har fått möjlighet att göra beräkningarna mha en standard CFD modul som finns i flera av dagens avancerade CAD program. Speciellt storleken på Drag är svårt att få fram med någon bra precision, så ta dom siffrorna med en nypa salt. Vattentemperatur 20C, ytfinhet 20µm.
Stort Tack till Mikko Brummer som har hjälpt mig tillrätta för att kunna komma igång och tolka resultaten.

Bosses Dynamic 35 (4)

Med mer eller mindre jämna mellanrum droppar rapporter från Bosse in i min mailbox . Bosse håller på att modifiera den Dynamic 35 han köpte i Lemvig i Limfjorden (Jylland) i höstas. Senaste rapporten (här) handlade om köldesign och att riva bort den gamla kölen. Arbetet med kölen fortsätter.
I sin verkstad hade Bosse en stålplåt liggande. I ett riktigt höghållfast stål: Armox 370. Ett seghärdat specialstål avsett som tex exposionsskydd, egenskaperna kombinerar hög hållfasthet - sträckgräns 850 MPa - med hög brottseghet. Typiska egenskaper för ett seghärdat konstruktionsstål legerat med mycket Ni. Ett material som vid fräsning tuggar skärstål i högre takt än du orkar tugga tuggummi!
Det blev en kölfena av plåten:

Ena halvan fräst.

Grovslipad. Nu ska 3 mm epoxispackel läggas på och sen åker fenan tillbaka till den NC styrda fräsen.



CAD modell

En svävande Dynamic 35

Stativ för montering av fräs för att plana kölsulan utvändigt

Kölsulan utifrån

Färdigfräst kölsula