Inverkan av profiltjocklek

Förra inlägget var det andra som handlade om nervinkling av bulben. I det första inlägget om samma sak räknade jag på Bosses Dynamic 35 köl. En direkt jämförelse mellan de två beräkningarna blir missvisande eftersom Bosse - som har fräst fram en 63-012 profil - har en tjockare kölprofil än den jag använde i andra undersökningen (Tack Silversurfer för alla bra påpekanden). Dessutom var planformerna olika, Bosses köl är 700 mm nedtill och 900 mm i överkant, i andra undersökningen hade jag en köl som var 800 mm hela vägen. Man ska ju inte jämföra äpplen och päron. Så här kommer en basic undersökning av kölprofilerna. Resultatdiagrammen ser ut precis som i "Theory of Wing Sections", bibeln med alla möjliga vingprofiler. Jag hade ju kunnat plocka data direkt ur boken, men det blir också en test på det CFD program jag använder. Inverkan av planformen hoppas jag kunna hinna med så småningom. I den frågan finns det intressanta diagram i "Principles of Yacht Design" att jämföra med.
I Silversurfers kommentar nämner han inverkan av kölens tvärsnitt framifrån. En tunn köl har i princip lägre motstånd än en tjockare (under förutsättning att strömningen har samma karaktär - det handlar om tryck och hastighetsfördelning).
I den här omgången har jag med 4 kölprofiler: dom gamla trotjänarna 0010 och 0012 med tjocklek 10 resp 12%. Dessutom Bosses kölprofil 63-012 - 12% - och Pianos GE 8,3% (ritad av Gösta Edvardsson - därav beteckningen GE). Dvs profiler med tre olika tjocklekar. Jämförelsen mellan 0012 och 63-012 ger svaret om Bosse ska fräsa om sin kölprofil. Jämförelsen mellan 0010 och 0012 ger svaret på frågan hur tjockleken inverkar. Att Pianos kölprofil är med får ni finna er i.

De tvådimensionella beräkningarna är gjorda för 0, 2 och 4 graders anfallsvinkel. Jag har satt ytfinheten till noll, dvs helt blank yta. Detta för att fånga upp eventuell laminär strömning. Strömningshastigheten är 3 m/s och kölkordan är 800 mm lång.

Först en bild som visar skillnaden mellan de fyra kölprofilerna.

NACA0010 och 0012 har båda sin maxbredd 30% från framkanten och är riktigt framtunga. 63-012 har maxbredd vid 35% och är mer toppig. GE profilen är utslätad och den relativt sett tunnaste profilen.

Resultaten för varje belastningsfall (totalt 3 anfallsvinklar och fyra profiler) visar kraft vinkelrätt mot strömningsriktningen, kallad Lift och bromskraften riktad mot strömningsriktningen, kallad Drag.

Det första diagrammet visar Lift/Drag:

Trendlinjer för NACA0012 (nederst) och GE 8,3% (i översta gruppen).

En bra köl levererar hög Lift i förhållande till Drag, dvs finns högst upp i diagrammet. Upp till 2 grader är NACA0010, 63-012 och GE 8,3% jämförbara. 63-012 tappar lite vid 4 graders anfallsvinkel. 0012 profilen är klart sämst.

Vid presentation av resultat från 2-dimensionella körningar (tänk dig en oändligt lång profil där strömningen är likadan i alla tvärsnitt) presenterar man Lift och Drag som koeffecienter CL och CD beräknade som Lift respektive Drag dividerat med arean gånger det dynamiska trycket.

Såhär blir resultatet för CD:

Trendlinjerna visar NACA0012, 63-012 och NACA0010. Ge 8,3% har smugit sig in nära NACA0010.

I CD diagrammet ligger en bra profil långt ner, bäst är följaktligen de två tunnaste profilerna NACA0010 och GE 8,3%. Beräkningen av 63-012 egenskaperna visar inte den karaktäristiska "Drag bucket", dvs påtagligt sänkta bromsverkan vid anfallsvinklar nära 0 grader. Det betyder förstås inte att "drag bucket" inte finns, det tyder bara på att parametrarna för övergången mellan laminär och turbulent strömning inte är korrekt inställda. Men det är ändå tydligt att 63-012 profilen är klart att föredra framför NACA0012.

Vad har jag lärt mig av detta? NACA fyrsifferserien är sämre än 63- profilerna. Jag ska ringa till Bosse och avråda honom från att fräsa om kölen. Men han kan minska tjockleken om han vågar med hänsyn till hållfastheten. För det andra att GE 8,3% profilen är OK men kölen är sannolikt inte riktigt så bra som den skulle kunna vara om jag valt tex 63-009. Ännu mer att räkna på.

Några av er protesterar säkert när de gäller ytfinheten - superblank yta har ju ingen. Det måste väl betyda att man inte alls kan lita på resultaten? Jag vill påstå att detta är ett dilemma för många som seglar hel- eller halvseriöst. Det finns specialprofiler som kräver absolut slät yta. Men en vanlig segelbåtsköl? Ska man polera eller inte? Jag kan bara säga att jag polerar ordentligt. Ingen epoxi, bara blank acetontvättad gelcoat med flera lager VC17 som jag polerar med 2000 eller 4000 polerduk. Bosse har tidigare slätsicklat VC17 (med en riktigt rundad kant) men ska prova nytt eftersom han inte tycker att den ytan blir fin nog. Gubbarna på kajen skakar på huvet när jag tar upp båten för polering innan kappsegling.

Nervinklad bulb och konstant maxdjup

Förra inlägget handade om inverkan av nervinklad bulb. Det gör det här inlägget också. Fortfarande handlar det om symmetriska bulbar, alltså inte bulbar där undersidan är betydligt planare än översidan. Platt undersida innebär att tyngdpunkten flyttas ner och att bulbens bakände hamnar närmare maxdjupet, faktorer som båda två innebär en effektivare köl. Men samtidigt finns ju alltid risken att strömningen runt kölens undersida störs och kraftverkan blir sämre. I sinom tid ska jag räkna på det också.
Det handlar fortfarande om en L-köl, dvs bulben spets ligger i kölfenans framkant. Jag använder samma bulb - den som Bosse Fransson har ritat och som han tidigare använt till sin modiferade RJ85:a - kallad RJS - men nu ska använda till Dynamic 35. Bulben var helt enkelt för tung för RJS. Det är en tillplattad bub med längden 1,6 m och vikt knappt 800 kg. Det finns lite fler bilder på den i förra inlägget (bläddra ner).

BF bulben, 1,6 m lång, med bäversvans. 38 cm bred och 25 cm hög.

Den här gången räknar jag på en kölfena med en riktig tjotjänarprofil: den fyrsiffriga NACA 0010. I hela min tidigare verksamhet när det gäller kölar har jag föredragit femsifferserierna 63 oh 64. Dom har lockat mig med sina "Drag bucket", dvs möjligheten att bromskraften sjunker påtagligt vid anströmning rakt framifrån. Detta gäller under förutsättningen att strömningen är laminär. Vid turbulent strömning är 63 och 64-profilerna sämre än fyrsiffer profilerna vid alla anfallsvinklar.
Mitt CFD kan särskilja på laminär och turbulent strömning och har hittills inte kommit fram till slutsatsen att det är helt eller delvis laminär strömning vid någon körning.

Kölarna har olika nervinkling och hela tiden samma maxdjup. Det betyder att kölfenans area minskar är nervinklingen ökar - det kanske hade varit bättre att använda begrepper "uppvinklad bulb". I den tidigare analysen var det hela tiden samma fena. Bosse har ju redan tillverkat sin fena och bulb, det enda som för hans del inte är bestämt är nervinklingen.

Kölfenan har 800 mm korda och djup 1600 mm, area 1,28 m2. Bakkanten är kapad till bredden 4 mm och fram och bakkant är parallella. Bosses köl har en trapetsformad planform med kordalängden 900 mm i överkant och 700 mm i underkanten. När bulben är monterad så täcks förstås fenan delvis av bulben. Kölbladets area är alltså justerad så att maxdjupet ska vara konstant 1,725 m. Vid tex 6 graders nervinkling kapades fenan 95 mm i överkanten. Alla beräkningar är gjorda för 4 grader avdrift.

Resultaten visar i princip samma resultat som tidigare, kölens prestanda uttryckt i både L/D och Lift ökar när bulben vinklas ner men den här gången når kölen sin nästan maximala prestanda uttryckt i L/D redan vid 3 grader. Drag är i det närmast konstant för alla vinklar. Sähär blev resultaten:

Lift/Drag som funktion av bulbens nervinkling. Punkterna vid 3 och 4 grader nervinkling är kontrollräknade gnom att jag lagt in 3,1 och 4,1 grader med extremt hög noggrannhet i beräkningarna (och därmed betydligt längre beräkningstider - det handlar om 4 - 5 timmar per punkt). Slutsatsen av kontrollräkningarna är att de övriga punkterna med stor sannolikhet är OK.

Kraft vinkelrätt mot avdriftsriktningen, det är den kraft man behöver för att motverka seglets sidkraft. Lift vid 2 grader är hög men i kombination med det också lite högre värdet på Drag så följer L/D trenden för de övriga resultaten.

Bromskraft rakt emot avdriftsriktningen. Tendensen är svagt sjunkande, men variationen i Drag är väldigt liten

Vid jämförelse med de tidigare resultaten framstår likheter men också några intressanta skillnader.
Lift följer samma trend, men ökningen är mindre, Förklaringen till detta är förstås att ökad vinkel  motverkas av minskad area på kölfenan. Den ökade nervinklingen innebär att virveln som lämnar kölen kommer närmare kölens maxdjup. Här ökar Lift ca 3% redan vid 3 grader nervinkling, den tidigare beräkningen gav knappt 4% vid 3 grader och ca 8% vid 5 grader. Ökningen i L/D från horisontell bulb till 3 grader är bara något mindre än tidigare.

Den stora skillnaden mot tidigare är minskat Drag. Trots att kölarean vid horisontel bulb här är något större - 1,28 m2 mot tidigare 1,24 m2 - så har Drag minskat 20% från ca 115 N till ca 92 N. Därmed stiger förstås L/D med lika mycket.

Den "optimala" nervinklingen enligt de här beräkningarna är ca 3 grader. 4 grader ska man undvika. I den tidigare undersökningen blev kölen bara bättre och bättre upp till 5 grader (eftersom maxdjupet tilläts öka).

Kölfenorna i de två undersökningarna skiljer i två avseenden. Planformen är olika och dom har olika kölprofil. Den stora skillnaden i resultatet beror huvudsakligen på egenskaperna hos de två kölprofilerna.

Det känns som att dom fyrsiffriga profilerna kommer till heders igen!

Efter det förra inlägget kom två kommentarer med frågor. Silversurfer kom just med frågan om hur nervinklingen verkar om man håller maxdjupet konstant Den frågan är redan besvarad.

Den andra frågan handlade om att den nerviklade bulben ger en lyftraft som - när båten kränger - lite grand motverkar kölens lift.
Det är en bra fråga. Rent intuitivt tycker man att den nervinklade kölen ska lyfta båten. Men faktum är att det är tvärtom. Kölen sugs ner då vattnet börjar strömma under kölen från lä till lovart. Strömningslinjerna går ungefär 45 grader i förhållande till bulbens längsriktning. En hög strömningshastighet ger - enligt Bernoullis princip - undertryck. Det handlar inte om stora krafter, ca 60 N vid 4 drader avdrift. Vid anströmning rakt framifrån och 3 graders nervinkling blir det faktiskt också en sugkraft neråt på ca 8 N, ungefär som en knapp liter vatten i kölsvinet alltså.

Men hur påverkas Drag vid anströmning rakt framifrån? Ingenting alls faktiskt. Vid horisontell bulb och vid 3 graders nervinkling blir Drag 45 N. Som att bära en halv spann vatten - från nåt som väger sådär ett ton. Intuitionen stämmer inte riktigt ibland!

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!