Fillet (3)

I Principles of Yacht Design (i fortsättningen PYD) finns en notis om fillet, i min upplaga  (third edition) står på sid 119 i slutet av första stycket under Fig. 6.17:

"The classic design of the fillet is to start at the leading edge and increase the radius along the intersection backwards to the trailing edge, were the fairing radius should be of the order  of the (largest) boundary layer thickness." Texten anger vidare att 5 cm kan var lagom radie vid skrov/köl infästningen för en 40-fotare (motsvarar gränsskiktstjockleken, mer om gränskikt kommer senare), om man har vingköl kan 1 cm radie vara lagom. Fillet ska gå ut i en tunn spets bakom kölen.

Jag slår i mina äldre kompendier inom det här området. Hittar ingenting om fillet i den kompendieversion från 80-talet som var föregångaren till PYD: Segelbåtskonstruktion. Tittar i Sven Ridders kompendium Yachtkonstrukton från 1984. Där står att bakkantfillet är bra. Man ska börja bakom kölens maxtjocklek och bygga på bakåt, typ Expressens bakkant. Står på sid 3.11 om nån till äventyrs har ett ex att bläddra i.

I slutet av samma stycke i PYD som jag citerat i inledningen på det här inlägget står:
"Other ideas for fillet design have been suggested recently, but they do not seem to work at an angle of attack, and are thereore of little use in yacht design".

Det är ju det fallet jag räknat på, dvs inverkan av fillet när man kryssar med avdrift 4 grader. Och kom fram till samma slutsats som anges i PYD.

PYD är en handledning man kan använda när man konstruerar båtar. Gör si, gör så. Gör inte si, gör inte så. Tyvärr innehåller boken inga bra fysikaliska förklaringar till varför si eller varför så.

Svenne Ridder diskuterar först att költjockleken mot skrovet ska begränsas så mycket som möjligt, han anger också en lämplig siffra på relativa tjockleken: 12% max. Nedtill kan kölen göras tjockare.
"Ett sätt att förbättra situationen vid kölens anslutning mot skrovet är att införa en utfyllnad (fillet) i kölanslutningens bakre del. Denna utfyllnad minskar de lokala positiva tryckgradienten och därmed också benägenhten för gränsskiktsavlösning i området".

Mellanspel ett om tryckgrdient:

Ökande strömningshastighet och därmed negativ tryckgradient dvs minskande tryck när man följer vatenströmningen bakåt är bra, det innebär möjligheten att laminär strömning kan upprätthålls, Minskande hastighet ger positiv tryckgradient och helt enkelt risk att vattnet inte orkar följa profilen, när strömningen släpper från profilen kallas det bakkantsavlösning.

Mellanspel två om gränsskiktstjocklek:

Gränsskikt att det tunna vattenlager som helt eller delvis följer med båten. Om du står i aktern på tex en större färja och tittar ner mot vattnet intill skrovet så ser du tydligt hur ett nästan en meter tjockt vattenskikt föjer med, gränsen mellan gränsskiktet och det stillastående vattnet utanför syns tydligt. Tittar du framåt ser du att gränsskikttjockleken är tunnare. Tjockleken ökar bakåt och speciellt efter att skrovbredden minskar. Längst bak blir strömningen helt ostrukturerad med många virvlar. Där har du gränsskiktsavlösning. Fenomenet kan uppträda bakom en dåligt utformad bulb eller i bakkaten på en lika dåligt utformad köl (trubbig bak) när anfallsvinkeln blir för stor.

De CFD beräkningar jag gjort och de försök man tex gör i en vattenränna med modeller tar fram de stationära strömningsegenkaperna, dvs strömningen har pågått ett tag och stabiliserats. Strömningen runt ett stort fartyg i normal drift utan för stora vågor har säkert också den karaktären. Men hur är det med en 10 m segelbåt? Som rör sig hej vilt i vågorna på kryssen. Hinner gränskiktet stabiliseras innan en våg plötsligt flyttar båten. Och strömningen får börja om från början. Det tar ca 3 sekunder att segla en båtlängd med en 10 meters båt i farten 6 knop. Ibland kan man säkert segla stabilt huvudsakligen rakt fram i minst 10 sekunder. Men ofta kommer man inte så långt innan båten rycker till igen. Hur känns det att hänga på railen i stökigt väder? När strömningen ska börja om från början, så börjar båten med gränsskiktstjockleken noll. Dessutom tillkommer det faktum att vattenrörelsen på en vågtopp innebär lite motström, i en vågdal har man lite medström. Så frågan är om det överhuvudtaget är relevant att diskutera gränsskiktstjocklek för en segelbåt. På platt vatten - ja. I gropig sjö - nej. Det är det här resonemanget som har lett mig till att ha så slät och blank botten som möjligt. När gränskiktstjockleken är noll så har ytfinheten beydelse. Detta leder oss också tillbaka till fillets. Fillets radien ska man - enligt PYD - välja i förhållande till gränsskiktets tjocklek. Vilken radie ska man välja om gränsskiktets tjocklek ständigt varierar?

Om jag ska försöka sammanfatta vad som hittills framkommit om fillets så blir det så här:

1. Min CFD beräkningar har inte kunnat verifiera att framkantsfillet förbättrar kölens effekyivitet när man kryssar med 4 graders avdrift.
2. Framkantfillet är inte bra (Sven Ridder 1984).
3. Bakkantfillet är bra eftersom det minskar risken för bakkantavlösning (Sven Ridder 1984)
3. Fillet som börjar framifrån med liten radie och med ökande radie bakåt  är bra (PYD utan att ange varför det är bra).
4. Fillet är utrett och det är bra (Pelle Lindell i kommentar till inlägget Fillet (2), du får bläddra ner).
5. Framkantfillet (enl Vacanti) dämpar halsbandsvirveln (necklace vortex). Men jag hittar ingen kvantifiering av inverkan.

Utöver detta har jag hittat lite spridda kommentarer på nätet om minskad risk för stalling tex.

Hur ser moderna båtar ut? Båtar med nån slags prestandabåtstämpel på sig. Xp 33 tex kan ha en ganska lång anliggningsyta mellan köl och skrov. Kordalängden minskar neråt, övergången sker med radie i både fram och bakkanten.



Xp 33, bilden från BLUR

Säkert är den här kölutformningen styrd mer av att infästningen ska hålla när man smäller på än att den är optimal ur strömningssynpunkt. Det kanske helt enkelt är så att fram- och bakkantfillet har så liten betydelse strömningsmässigt att man kan låta hållfasthetskravet ta över. Tom för en produktionsbåt med anspråk på att vara prestandabåt.

Slutsatsen hittills är att dom som (jag tror) vet säger att fillets - rätt utformade - är bra. Nu återstår att förklara varför! Dessutom tycker jag att beskrivningarna på hur fillets ska utformas är vaga. Det måste finnas bra illustrativa undersökningar på detta! Bara att leta vidare.

Fillet (2)

Blogginläggen kommer inte så tätt f.n. Det blir så när varje inlägg kräver många och långa beräkningar och omfattande CAD modellering. Frågorna ansamlas i kommentarerna, så småningom kommer många av dom att besvaras. Den gångna veckan har jag jobbat vidare med beräkningar på "Vacanti fillet", utbyggnaden i kölens främre övre del. Kolla förra inlägget, där är geometrin beskriven.

I förra inlägget räknade jag på en fenköl med 3 grader nervinklad bulb. Fena med GE profil och samma bulb som Bosse Fransson har till sin Dynamic 35. Resultaten visade att det CFD program jag använder och den modellering jag gjorde inte gav någon skillnad mellan de tre alternativen.

Det har kommit två kommentarer. Patrik Andersson anger att radien ska vara  4 - 6% av kordalängden. Kordan på GE fenan mot skrovet är en meter, radien är 5 cm så det kravet är uppfyllt. Sten Bergqvist anger att det inducerade motståndet är försumbart vid tunna profiler (vilket GE profilen med sina 8,3% är) och börjar bli märkbart vid sådär 12%.

De nya beräkningarna har jag gjort på Bo Franssons köl med 63-012 profil. Det är en 12% tjock laminär profil. Kölen har jag monterat på en CADmodell av Hansson 31 (de var den modellen som tog så lång tid att få fram).

Men skillnaden i prestanda är fortfarande försumbar.

Jag har också haft kontakt med Mikko Brummer om framkantsfillet. Han berättar att det är en 20 år gammal ide och skulle avhjälpa det som kallas "necklace vortex", halsbandsvirvel. Det är ett fenomen som kan uppkomma när en vätska strömmar mot en trubbig nos, tex en bropelare. Det blir en virvel som flyttar sig från sida till sida med en frekvens som bestäms av bl.a. vattnets hastighet. Det finns fina youtubeklipp som beskriver fenomenet. Här är ett (12 sekunder):

Det finns också ett klassiskt klipp om vad som kan hända när det blåser mot en bro som har för liten styvhet och som är utformad så att en virvel flyttar sig från ena (ovan) sidan till den andra (undersidan). Tacoma bridge i Washington state, USA. Klippet är från 1940 och finns i längre youtubeversioner om du vill föja förloppet mer i detalj.

Men nu halkade jag bort från segling. Tillbaka till Vacantifillet. Många IRC och ORCi båtar nere i Europa har utformat kölens framkant på det här sättet. Jag kan inte beräkningsmässigt komma fram till att det skulle vara bra. Men det är inte heller någon försämring. Mina beräkningar gäller enbart kölens effektivitet vid 4 graders avdrift, kryss alltså. Fillet kan vara bra för något annat strömningsfall, i förra inläggt nämner jag att fillet kan minska risken för att en högbelastad profil stallar (flygplansstabililisatorer utformas så).

Strömning med framkantsvirvel som pendlar från sida till sida kan kanske också var en källa till kölvibrationer, men åtminstone för Pianos del så kommer kölvibrationerna vid 11 och 14 knop, farter vi vi når enbart på rena surfar i havssjö. Då tror jag inte att det kan handla om laminära halsbandsvirvlar. Det går för fort för det helt enkelt.

Det finns säkert nån som läser detta som kan bidra till att kasta ljus över den här frågan dvs vad Vacanti fillet ytterligare skulle kunna vara bra för.

Fillet

När man kryssar behövs sidkraft för att motverka segelkrafterna, avdriften är nödvändig för att skapa snedanströmning mot kölen. Men samtidig som sidkraften skapas, så uppstår också förluster. Det samlade namnet för detta är inducerat motstånd. Kölen bromsar även när den anströmmas rakt framifrån, men den bromskraften ingår inte i det inducerade motståndet. Självklart vill man minska det inducerade motståndet så mycket som möjligt, det går inte att undvika men man vill ha så mycket sidkraft som möjligt i förhållande till motståndet. Designprocessen är en i högsta grad serie av kompromisser och går i flera steg, man ska ta hänsyn till djupgående, rätande moment, hållfasthet, area, mätregel tex. När dom stora linjerna väl är fastlagda så kan man jobba vidare med dom små. Och då handlar det bl.a. om hur kölen ska anslutas mot skrovet. Fillet är ett begrepp som används i CAD världen och som betecknar en utfyllnad av en innerhörna eller en avrundning av en ytterhörna. Fillets används mellan kölfena och skrov huvudsakligen för att öka hållfastheten (en bred anslutning är starkare) och ibland för att minska det inducerade motståndet.

Ett färskt exempel på fillets i seglarvärlden är Oracles roderdesign vid Americas Cup i höstas.

Oracle roder med horisontalvingen för att lyfta aktern. En fillet, som också sträcker sig lite framför rodret byggdes in för att eliminera tendenserna för kavitation vid farter upp mot 40 knop. Snett bakifrån.

Snett framifrån.

 America Cup katamaranerna är förstås extrema exempel. Andra exempel, som fortfarande är extrema men som iallafall lite grand närmar sig våra betydligt vanligare båtar är VO 70 båtarna.

Svängkölen till Ericsson 4. Bilden från JIMMY.

VO 70 roder, också den här bilden har jag fått av JIMMY.

I en sliten kopia på mitt skrivbord av en artikel om kölar och roder skriven av David Vacanti (här) finns en bild på sid 2:

En standard trapetsformad köldesign med "Vacanti fillet" i kölens övre främre hörna. Vacanti använder begreppet "Interference Drag", det är vanligare att använda "Induced Drag", men det är förstås samma förlust man beskriver.

Artikeln handlar just om kölar och roder. På sid två finns en lång lista på vad som krävs av en optimal racingköl. Det finns många siffror och inverkan av olika faktorer, men tyvärr inte en enda siffra om inverkan av "Vacanti fillet". Jag såg den här bilden för många år sen, men just den svepande beskrivningen och avsaknaden av siffror på hur mycket bättre kölen blev gjorde mig skeptisk. Men idag vet jag att många båtar har modifierade kölar enligt Vacanti. Nu när jag har möjligheten att köra CFD beräkningar gav jag mig i kast med att försöka beräkna eventuell förbättring.

Vad finns det för möjlig förkaring till att det skulle bli bättre? Vad händer i övre hörnan?

Jimmy skickade mig ytterligare en bild:

I kölens övre främre hörna avlöjar den mörkare röda nyansen att kraftig tryckstegring som skapar lokal virvelbildning. Det är denna lokala virveleffekt längst upp man vill dämpa mha fillet. Americas Cupbåt från enskrovstiden.

Frågeställningarna när jag började räkna var enkla:

1. Har Vacanti fillet någon positiv inverkan på kölprestanda?
2. Kan man sätta en siffra på förbättringen?
3. Hur kan man förklara en eventuell förbättring?

Nu måste jag genast göra er besvikna, men jag har inget svar. Det här inlägget har tagit mig en veckas intensivt arbete att förbereda, med att läsa in mig på beräkningsdelen och att dammsuga nätet/litteraturen på referenser. Att räkna igenom poblemen på flera olika sätt, att variera filletform osv för att var säker på att skillnaderna inte hänger ihop med hur minsta elementstorleken kan anpassas till formändringar i kölens överkant. CFD beräkningar är ingen självklart enkel sak att göra, en viktig del i analysen handlar om att resultatet ska bli (åtminstone nästan) lika när jag utför beräkningarna med succesivt finare elementindelning. Det här beyder förstås inte med nödvändighet att det inte blir någon invekan av Vacantifillet. Det betyder bara att den programvara som jag har tillgänglig inte har den upplösning som skulle kunna skilja på de tre fall jag beräknat. (För den riktigt CFD nördige kan jag berätta att elementstorleken i kölens framkant vid anslutningen mot skrovet är ca 1 x 1 x 1 cm3. Fillet sträcker sig 8 cm framför den rena kölens framkant och 5 cm nedåt. Hela CFD modellen för de fall jag beräknar har mellan 1 - 1,5 millioner kartesiska element.)

Kölmodelln har GE-profil, en 8,3% tjock profil som jag också har på Piano. Kölbladet har 1 meter korda i överkanten och 0,6 m vid anslutningen till bulben. Bulbmodellen är samma som Bosse Fransson har till sin Dynamic 35. Kölbladets djup till främre bulbspetsen är 1431 mm, köles maxdjup inklusive den 3 grader nervinklade bulben är 1,6 m. I första hand har jag som vanligt beräknat kölens Lift och Drag och beräknat L/D, en storhet som beskiver kölens kvalite. Den här gången har jag med en rund svagt krökt platta som "skrov" ovanför kölen som ska "röra om" vattnet lite lagom i kölens anslutning mot skrovet så att just det inducerade motsåndet kommer med.

Jag har räknat på tre fall, kölfena ansluter till skrovet utan någon fillet. Skarpa innerhörn alltså. Fall två är en rund fillet i kölens framkant och det tredje fallet  just Vacantifillet.

Siffervärdet som ramlade ut för de tre beräkningarna är enkelt att beskriva. L/D är praktiskt taget identiskt för de tre kölmodellerna och lika med med 10,6.

Även om beräkningarna inte gav några siffervärden på inverkan av fillet, så ramlade en del andra intressanta resultat ut. Här kommer lite bilder, som visar tryckfördelningar och friktionskoeffecienter. Klicka på bilderna så blir dom lite tydligare:

Köl utan fillet. Färgkodningen visar tryckfördelningen på kölens trycksida (läsidan) vid 4 grader avdrift och 3 m/s. Röd färg i framkanten visar högt tryck. Samma höga tryck verkar också lokalt på skrovet. Efter det höga trycket i framkanten skjunker trycket och är minst ungefär mitt på kölen för att därefter öka bakåt.  I området från den öga tryckstegringen i framkanten till tryckminimum finns föutsättningar för laminär strömning och därmed lågt Drag hos kölen. Det betyder inte att strömningen nödvndigtvis blir laminär, för att så ska ske måste ytfinishen vara extremt bra.

Samma köl sedd från lovart = sugsidan. Den törsta delen av sidkraften på kölen skapas på kölens sugsida (i ett tidigare inlägg på den här bloggen har jag angett att största delen av kraften skapas på trycksidan men det var alltså fel).

Samma köl i sidovy. Fägkodningen anger friktionskoeffeienten under förutsättning att ytfinishen är perfekt. Blå ytor anger lägst friktion. I framkanten är friktionen hög (de smala röda bandet). När man följer strömningen bakåt slår färgen över till blått - laminär strömning alltså. Efter ca 25 av kordan sker ett överslag till rött, det är omslaget till turbulent strömning. Den laminära strömningen stannar upp och i princip stannar (det är då friktionen blir riktigt låg). Då slår strömningen utanför det laminära skiktet ner mot ytan och den virvlande turbulenta strömningen innebär helt enkelt större motstånd. Observera att en stor del av bulbens trycksida har laminär srömning. Viktigt att också polera bulben alltså!

Samma köl, nu utrustad med en rundad fillet. Här överförs det höga trycket till fillet. Samma färgkodning som för kölen ovanför.

Sugsidan på köl med rundad fillet. Samma kodning som i övriga bilder.

Sugsidan på köl med Vacantifillet, färgkodningen anger friktionskoefficienten. Blått område: möjlig laminär strömning

Trycksidan på köl med Vacantifillet. Låg friktionskoefficient har större utbredning på trycksidan.

Köl utan fillet. Friktionskoeffecienten på kölens tryck- och bulbens undersida.

Köl med Vacantifillet. Frktonskoeffecient på kölens tryck- och bulbens undersida.

Köl utan fillet. Friktionskoefecienten på kölens sug- och bulbens undersida.

Vad blir det här inläggets slutsatser? Beräkningarna har inte ändrat min första intuitiva känsla att Vacantifillet sannolikt inte har så stor betydelse. Ska jag ändå spackla dit en? Ännu inte - jag vill gärna ha nån form av bevis. Vid enstaka tillfällen har den inställningen inneburit att jag hårdnackat vägrat ändra nåt som trots allt borde ändras. Det kan vara så i det här fallet också, men jag tänker inte lufta Piano i nåt VM äventyr och för Bohusracet är den nuvarande kölen OK. Det känns förstås skönt att inte behöva lägga ner två veckors arbete på att spackla så här nära sjösättningen.

Men trots allt kan de finnas anledning att bygga på fillet. VOR båtarna har det, många stora snabbseglare har rundade fillets, se bilderna i början på det här inlägget. Fillets minskar storleken på tryckpulsen i kölen/rodrets öve framkant och därmed minskar risken för avlösning som startar uppifrån, stall alltså. Stallningsvinkeln ökar, vilket är en klar fördel för båtar som har liten köl/roder area där man måste ta till stora roderutslag eller mer eller mindre ofrivilligt ibland får stor avdrift.

Beräkningarna härovanför gäller stationär strömning, dvs den enda rörelse som finns är vattnets strömning med konstant hastighet och riktning över kölbladet. Verkligheten är inte så. Vågor, variationer i seglens drivkraft tex innebär att antrömningen mot kölen hela tiden ändrar riktning och hastighet. Inte mycket, men tillräckligt för att möjligheterna för laminär strömning ska påverkas. Dessutom är det ofta man inte behöver nån sidkraft alls (eller iallafall betydligt mindre än på kryss) vilket innebär anströmning rakt framifrån och areor där laminär strömning är möjlig ökar. Det är såna faktorer som är bakgrunden till att jag polerar hela kölen och rodret istället för bara de delar som visas blåa i friktionsoefficientbilderna ovan.

Också den här bilden har jg fått av JIMMY.

Avslutningsvis en bild på bulber från Americas Cup 2003  Spanar man noga ser man fillet också mellan Oracles fena och bulb.

Segla i datorn

Med hjälp av kratfulla datorer kan man simulera det mesta. Också segling.
Det som ledde mig in på CFD spåret (dvs att räkna på strömningsproblematik mha en dator) var några simuleringar gjorda av Mikko Brummer i Finland. Mikko seglade 470 i OS för Finlad 1976, han är segelmakare och gjorde seglen till Fredrik Lööf/Max Salminens starbåt. Ett segelmakarguld måste ju kännas bra. Mikkos loft heter WB-Sails, där B förstås står för Brunner.

På WB Sail hemsida står "Quality starts with design", mitt samlade intryck efter att under ett år ha följt vad Mikko gjort är att det också kunde ha stått "Kvalitet kräver grundläggande kunskaper om hur samspelet mellan segel, skrov, roder  och köl fungerar".

Mikko har en gedigna kunskaper i strömningslära och han datorsimulerar så mycket som möjligt för att kunna sy snabba segel men också för att kartlägga hur redskapet båt ska hanteras för att besättningen ska få ut maximal fart. Hur påverkas strömningen runt centerbordet, hur ska seglet utformas för att medelkraften framåt ska bli så stor som möjligt. Andra utfall är tex: hur ska man styra i vågor för att maximera VMG och hur faller vindskuggan. Det blir lite mer komplicerat än att designa en stavhoppsstav även om också det innebär att redskapet går hand i hand med ett rörelsemönster.

På youtube finns några klipp med simuleringar signerade Mikko. Det är korta snuttar som tar lång tid i datorn, typiskt så är beräkningstiden i en vass PC ett dygn för en snutt på 1 sek.

Här kommer åtta korta sekvenser. Den första, som är en ren simulering, dvs alla krafter på segelbåten på både segel och skrov/köl beräknas i datorn. De handlar om hur avdriften för en starbåt ändras när man accelererar efter en stagvändning:




Nästa klipp visar hur en starbåt rör sig i vågor. Också detta är en ren simulering.



I dom följande starbåtsekvenserna har använt inspelade rörelsemönster (mha gyrostabiliserade röelsedetektorer) för att simulera hur strömningen över seglet varierar när starbåten vaggar fram över vågorna.

Den tredje simuleringen visar hur starbåtens förskepp rör sig i cirkel vid segling i vågor.



Vindens strömning över seglet är inte jämn och fin. Det bir mycket oro, kallas vorticitet och kan lite förenklat beskrivas som att det skapas små virvlar i vinden när luten strömmar nära en bromsande yta, tex ett segel. Det här 4-sekunders klippet får du nog köra flera gånger.



När man faller av ändras strömningen över seglet radikalt. Den vackra strömningen på kryss (som seglet är spciadesignat för) blir ganska rörig när anfallsvinkel mot seglet ökar.



Kappsegling innebär också att man ska bromsa konkurrenterna, nästa klipp visar vindskugga på kryss.



Nu lämnar vi stabåtssimuleringarna. Över till gennaker segling. Här får man försöka hänga med på vad som händer:



Nästa klipp är lite lättare att tolka. Vinden blir helt enkelt väldigt snurrig bakom ett undanvindssegel.



De flesta av klippen presenterade Mikko under rubriken "How the sailboat works" vid Teknologidagarna i Otaniemi, Finland den 5te mars i år.

Avslutningsvis kommer "The medal race" i starbåt från OS 2012. Mikkos examensprov och Fredrik Lööfs och Max Salminens triumf. Lyckades inte klistra in videon direkt,  du får ta omvägen över Youtube: (här). Nästan en timme långt.

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?

... 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.

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.

JPK 1010

JPK 1010 lanserades 2010, tillverkas av JPK Composites i Frankrike, 10 m lång, 3,38 m bred och nästan 2 m djupgående. Katalogvikt 3850 kg (ursprungligen var deplacementet angivet till 3600 kg). Kostar i strippad version ca 1 million SEK inklusive moms levererad i Frankrike. Med alla tillägg för båtgodis, som kolmast, dubbla roder med bulbköl och fina segel blir det lätt 1½ million. JPK 1010 är beskriven på BLUR med en video från Seilas (här), nämnd på Sundetregatta (här) och på Segelochpaddel (här). JPK Composites broschyren hittar du (här).

Orsaken till det här inlägget om samma flera år gamla båt är att JPK 1010 - som fortfarande säljs - kan levereras med antingen fenköl (med minimal utkragning nedtill) och singelroder eller bulbköl med dubbla roder. Fenkölen har pga utkragningen en stor plan undersida, bulbkölen har ordentligt markerade skarpa kanter (chines) som också skapar en plan bred stödyta. Såhär ser kölarna ut:

JPK 1010 med bulb

Utkragad fenköl och singelroder

I broschyren anges kölvikten till 1550 -1600 kg (olika data på olika ställen). Den sprillans nya JPK 38 har nästan samma bulbdesign. Bulben på JPK 40 däremot har betydligt mjukare former men samma bäversvans (=bred platt avslutning på bulben), se övre bilden.

I JPK's webpresentation finns en jämförande beskrivning av seglingsegenskaperna med olika kölar. I lättvind seglar båtarna ungefär lika. Med lätt besättning seglar bulbbåten snabbare när vinden ökar, med full besättning seglar båtarna ungefär lika också i högre vindstyrka. JPK 1010 seglar IRC och där mäter bulbbåten mer, vilket innebär att fenkölsbåten blir bästa valet med många ombord. Men IRC regeln förväntas ändras till fördel - mättalet sänks - för bulbkölen.

JPK's beskrivning av de två varianterna hittar du (här). Mono-safran och bi-safran betyder enkel respektive dubbelroder (har inget med vare sig saffran eller Vendee Globe båten Safran att göra). Men beskrivningen är en partsinlaga, den ska sälja båten. Jag dammsuger webben på beskrivningar och jämförelser, men hittar ingen tillförlitlig information. I en diskussion med signaturen PCB på Sailnet.com hävdar han att alla NA (Naval Architects, dvs båtkonstruktörer) använder CFD (datorbaserade strömningsfältsberäkningar) i sitt designarbete. Troligen är detta sant för enstaka extrema konstruktioner typ IACC, Ran osv) men knappast för de seriebåtar som sprutas ut i nya modeller varje år. Jag är helt övertygad om att kölar med plan undersida har denna form för att båtarna ska stå stadigt på land. En lovvärd målsättning, men många (tex jag) föredrar en köl optimerad för segling.

Men oavsett det är JPK 1010 en fin båt (alla kölar kan ju dessutom modifieras). Ungefär lika stor och lika tung som HP1030 (är det nån som vet vem som håller på formarna till HP1030 förresten?). Ungefär 10% längre än Piano, ca 20% bredare, bara 5% större djupgående. Både JPK1010 och HP1030 är relativt sett lättare än Piano. Ännu lättare (omräknat mha längdändringen upphöjt i tre) är förstås J111. I främre delen av sittbrunnen har JPK ordentliga sittbrunnssargar. Det är en viktig detalj som förhöjer känslan när man sippar i solnedgången.

Slutsats: JPK 1010 är nästan en riktigt fin båt. Men lite för tung och konstig bulb. Väntar fortfarande på den perfekta båten. PCB föreslog JPK 38. Men den är för stor. För mig.

PCB la upp fler videosnuttar med JPK1010 i huvudrollen. Följ länken, där finns tre klipp (här).

En avslutningsbild:



JPK 1010. Inte helt rak(vertikal)stävad för. Snyggt tycker jag. Alla bilderna hämtade från JPK Composites hemsida.