Gedanken zur Tragfläche

[frimeur]

Hier die Methusalems der Tragflächenboote. Die Freccia del Garda versetzte mich im Wiking mit 3 PS im Nordteil des Gardasees in Angst und Schrecken, beim Windsurfen Jahrzehnte später war es nicht viel besser:

http://digilander.libero.it/lariana/...afi%20PT20.htm

Sehr ausgeklügelt sind die kleinen Moth Jollen, die als Segelklasse quasi nur als Hydrofoils verstärkt Zulauf bekamen.
Am Bug gibt es einen 'Fühler', der beim Hochsteigen des Rumpfes über einen Gelenkmechanismus den Anstellwinkel des vorderen Foils verändert und dadurch Strömungsabriss verhindert. Keine riesig komplizierte Sache.

http://www.mach2boats.com

Ganz anders sehen die Foils der Hydrosphere aus.
Sie verjüngen sich am unteren Ende und lassen das Schiff nicht unendlich steigen, da der Lift mit der verkleinerten Fläche abnimmt. Quasi eine automatische Anpassung an Geschwindigkeit und Lift.

http://www.youtube.com/watch?v=DgNtPETcta4

Ein Boot auf Tragflächen koppelt sich bei hohem Tempo von der bewegten Wasseroberfläche ab und spürt überhaupt keine Wellenberge und Täler. Die Foils flutschen wie ein heisses Messer durch Butter…...

[AvaVM]

Zitat von frimeur

Ganz anders sehen die Foils der Hydrosphere aus.
Sie verjüngen sich am unteren Ende und lassen das Schiff nicht unendlich steigen, da der Lift mit der verkleinerten Fläche abnimmt. Quasi eine automatische Anpassung an Geschwindigkeit und Lift.

Der Lift nimmt ab, weil mit zunehmender Geschwindigkeit weniger Foil unter Wasser ist. Die Verjüngung zum Ende hin dient dazu, die Reynoldszahl mit zunehmender Geschwindigkeit nicht zu groß werden zu lassen. Der breitere Teil ist dann ja bereits nicht mehr unter Wasser.

Ich wüsste nicht, wofür man bei einem kleinen Motorboot verstellbare Foils bräuchte. Der Nutzen müsste mit einer ausgeklügelten Anordnung feststehender Foils (eventuell verschiedener Breite) der gleiche sein.

Gruß,
Markus

[loony]

Schaut mal, was ich gefunden habe.

http://www.fastacraft.com/moulded_foils.html

Natürlich Mottenscene! Da gibt es genau das , was mir vorschwebt. Und in genau den richtigen Abmessungen. Hab ja oben geschrieben, dass mit Naca0010 sympatischer wäre, hier gibt es Naca0012 und ein schönes asymetrisches Profil.
Bin mal auf den Preis gespannt. Und das Porto

So allgemein denke ich:

Klar; Gleiten ist einfacher zu beherrschen, aber wie schnell waren Motten, als sie noch Gleitjollen waren?

Auftrieb/Widerstand ist sicher mit einem Unterwasserdfoil besser. Weil mit wenig benetzter Oberfläche und wenig StrömungsWiderstand ziemlich viel Wasser nach unten beschleunigt wird. Wellen werden praktisch nicht erzeugt, so geht auch da keine Energie verloren.

Diese Gleitflächen vom Ulrich verringen den Widerstand beim Gleiten sicher ziemlich, weil sie der Luft, die da "unter die Fläche geraten ist" keinen Ausweg zur Seite lassen, und sich so (zumindest partiell) eine luftdurchsetzte Gleitschicht bildet. Die Drehbare Aufhängung dient der Fahrstabilität , weil dadurch vorn keine Seitenkräfte von den Gleitkufen ausgehen können. (Ein Pfeil hat die Federn auch hinten)

Sind Foils noch besser? Ich würde mal annehmen, dass Foils bei mittleren Geschwindigkeiten besser sind, und die Gleitflächen bei hohen Geschwindigkeiten, wo Foils bereits kavitieren. (Foils könnten aber auch spitze, V-förmige Profile haben, also eine stumpfe Hinterkante, die belüftet wird. Dann gibts keine Kavi mehr aber auch weniger Auftrieb)

Kavitation ?? Ab wann ist das kritisch? Sicher eher bei grosser Wölbung der Foiloberseite und bei grossem Anstellwinkel. Oben genannte Foils 0012 zb oder 66014 oder 63412 werden wohl 60 oder 80 km/h vertragen, wenn sie wenig belastet sind, und somit der Anstellwinkel klein ist. Stimmt das?? Rein gefühlsmässig würde ich meinen, dass die symetrischen Profile bei hohen Geschwindigkeiten weniger zur Kavi neigen, und auch weniger Widerstand haben. Stimmt das?


Teileingetaucht versus voll eingetaucht:

Teileingetauchte (V-typ) regulieren die Höhe selber, und stabilisieren das Boot, zb auch in den Kurven.
Aber der Wirkungsgrad ist schlechter und sie können eher "Luft ziehen" weil sie die Wasseroberfläche durchstossen.
Effektiver ist eine vollgetauchte annähernd gerade Tragfläche. Man muss die Tauchtiefe halt über den Anstellwinkel regulieren. (Motten machen das ja über den Fühler am Bug, der ein Flap am vorderen Foil verstellt, also die Krümmung des Profils verändert.)

Ich denke es funzt auch, wenn das Boot vorne zwei "Tatzen" (also Gleitflächen) hat, wie ein 3Punkter, die vorne das Niveau vorgeben. Das Hinterteil läuft auf einem Foil. Je höher sich das Heck hebt, desto geringer wird der Anstellwinkel des Foils, bis es sich auf dem gewünschten Niveau befindet. Das Foil könnte leicht V-förmig sein (von hinten gesehen), damit in der Kurve das Boot an der Kurvenaussenseite angehoben wird.


Bei meinem Vorhaben wäre der Anstellwinkel bei Schleichfahrt ca 5° grösser als bei Höchstgeschwindigkeit. Reicht das? Wohl schon.

Dies Foil kann längs verschoben werden. Je weiter nach vorn, desto mehr Gewicht übernimmt es. Der Anstellwinkel muss natürlich auch einstellbar sein. Das lässt sich aber alles ganz einfach lösen. Die senkrechten Füsse des Foils sind aus Blech und sind einfach an die Seitliche Bordwand "angespaxt". Man kann sie wegschrauben und wieder wo anders anschrauben.

Wenn eine Welle die "Tatzen" hochschlägt, dann folgt das Heck sofort, und verringert das weitere Steigen des Bugs.

Ich würde mal zu hoffen wagen, dass so ein Gefährt schon funktioniert und ziemlich schnell und dabei ökonomisch sein kann, und ausserdem keine Gefahr des Überschlags besteht, wie bei den Propridern zb.

Was meint ihr? Denkfehler?

Zitat von Luftschiffer

Sehe ich das jetzt richtig, dass uns allen hier bisher die eigene praktische Erfahrung mit Hydrofoils fehlt, zumindest in mensch-tragender Dimension? Dann sitzen wir ja alle im selben Boot und können lustig weiter theoretisieren.

Hydrofoils sind sicher ein komplexeres Thema als Gleitkufen. Dass Tragflächenboote schon seit Jahrzehnten kommerziell verwendet werden und trotzdem nur eine begrenzte Verbreitung gefunden haben, dürfte mehrere handfeste Gründe haben.

Ja, so sehe ich das auch. Deswegen macht es ja auch Spass, sich damit zu beschäftigen. Was interessiert mich das, was ich schon kann!

Grüße
Loony

[frimeur]

Wem die Motte zu langsam ist und unbequem, bitte:

http://www.youtube.com/watch?v=zXSgZCDVWOM

http://www.youtube.com/watch?v=3Gy1SIWiQpc

[Speednimbus]

Wow, der Trifoiler ist ja unglaublich schnell und wendig

[Ulzana]

Vielleicht passt dieser Artikel nicht zu diesem Tröt, interessiert aber bestimmt viele Leser:

[Luftschiffer]

@loony:
Ich nehme an, vorne "Tatzen" und hinten Foil hat nur bei höherer Geschwindigkeit den von die beschriebenen Effekt.
Aber was ist mit dem Übergang von Verdrängerfahrt auf höheres Tempo? Wie willst Du sicherstellen, dass die Tatzen das Boot zuerst vorn aus dem Wasser heben?

Ich würde eher zwei Foils nehmen und das vordere (kleinere) etwas höher setzen. Es sollte auch etwas mehr Anstellwinkel haben (und vermutlich braucht es auch ein anderes Profil als hinten), damit der Auftriebsanstieg vorn zunächst größer ist als hinten.
Dadurch, dass das vordere Foil zuerst die Wasseroberfläche erreicht, wird die "Steighöhe" begrenzt, und die Stabilisierung funktioniert ebenso wie von dir beschrieben, aber schon bei ganz langsamer Fahrt.
Insgesamt wäre das eine Auslegung, die den den Typ "Entenflugzeug/Canard" erinnert.

Übrigens, bei der Profilwahl gelten ziemlich sicher folgende einfache Kriterien:
Je dicker und je stärker gewölbt, desto mehr Auftrieb, aber früher einsetzende Kavitation.
Je dünner und schwächer gewölbt, umso höheres Tempo ohne Kavitation möglich, aber auch größere Fläche pro Auftriebskraft erforderlich und daher mehr Reibung.

An welcher Stelle des Profils die Kavitation einsetzt, hängt neben der Geschwindigkeit und Tauchtiefe vom Krümmungsverlauf und Anstellwinkel ab. Ich bin mir sicher, dass man plötzliche Geschwindigkeitsänderung des umströmenden Wassers so weit wie möglich vermeiden muss, speziell plötzliche Geschwindigkeitsabnahme. Übrigens: Die höchste Geschwindigkeit tritt grob in der Nähe der größten Profildicke auf, bei mehr Anstellwinkel auch deutlich davor!

Die Profis können Strömungsverhältnisse heutzutage schon ganz gut per Computer simulieren, allerdings wird's bei turbulenter und nicht stationärer Strömung in 3D auch heute noch schwierig. Das ist übrigens der Normalfall am Insektenflügel, deshalb haben die Aerodynamiker jahrzehntelang das Märchen erzählt, Insekten dürften eigentlich gar nicht fliegen können. Sowas kann man nicht mehr rechnen, sondern muss es sehr aufwändig simulieren (oder gleich im Experiment untersuchen).

Hier ist mal ein Auszug aus einem Paper, das Englischkundigen unter euch einen Eindruck geben kann, woraruf man speziell bei Design und Auswahl eines Hydrofoils achten muss.

Es gibt durch die Neigung des Wassers zur Kavitation offensichtlich entscheidende Unterschiede beim Profildesign, wenn man ein optimales Ergebnis erreichen möchte. "Normale" Flugzeugprofile dürften also nur bedingt für Hydrofoils geeignet sein. Warum eine Rennklasse (Moth) immer noch vierstellige NACA-Profile verwendet, die vor fast 90 Jahren "erfunden" wurden, ist mir momentan nicht ganz klar - vielleicht kann mich ein Mitleser aufklären?

Spannend finde ich (das wusste ich bisher auch nicht), dass der bei Flugzeugbauern sehr bekannte Professor Richard Eppler auch
Hydrofoils gerechnet hat.

Ebenso interessant ist die Aussage in dem Paper, dass bei einem realen Hydrofoil wegen der Stützen/Streben spätestens bei 18-20 kt eine gewisse Kavitation unvermeidbar ist.

Gruß,
Martin

[loony]

@Martin

>>>Ich nehme an, vorne "Tatzen" und hinten Foil hat nur bei höherer Geschwindigkeit den von die beschriebenen Effekt.
Aber was ist mit dem Übergang von Verdrängerfahrt auf höheres Tempo? Wie willst Du sicherstellen, dass die Tatzen das Boot zuerst vorn aus dem Wasser heben?

Da hab ich nicht richtig ausgedrückt. Die "Tatzen" sind angesetzte Schwimmer mit Gleitboden. Wie beim Dreipunkter eben. Die haben ja Volumen und sie schwimmen auch schnell auf. Sie geben dann halt eine genau definierte Höhe vor. Die Funktionsweise ist so wie bei den vorderen Foils vom Hobie-Trifoiler.

Wenn auch Foils vorne sein sollen, dann wären da schräg angestellte auch eine Lösung. Sie würden auch das Boot seitlich stabilisieren. Das Hauptgewicht soll aber in jedem Fall das größere hintere Foil tragen.

>>>>eine Rennklasse (Moth) immer noch vierstellige NACA-Profile verwendet, die vor fast 90 Jahren "erfunden" wurden, ist mir momentan nicht ganz klar - vielleicht kann mich ein Mitleser aufklären?

Die 'Mottisten' benutzen die symetrischen Profile sicherlich nur für Schwert und Ruder.


Grüßles
Loony
















Ich würde eher zwei Foils nehmen und das vordere (kleinere) etwas höher setzen. Es sollte auch etwas mehr Anstellwinkel haben (und vermutlich braucht es auch ein anderes Profil als hinten), damit der Auftriebsanstieg vorn zunächst größer ist als hinten.
Dadurch, dass das vordere Foil zuerst die Wasseroberfläche erreicht, wird die "Steighöhe" begrenzt, und die Stabilisierung funktioniert ebenso wie von dir beschrieben, aber schon bei ganz langsamer Fahrt.
Insgesamt wäre das eine Auslegung, die den den Typ "Entenflugzeug/Canard" erinnert.

Übrigens, bei der Profilwahl gelten ziemlich sicher folgende einfache Kriterien:
Je dicker und je stärker gewölbt, desto mehr Auftrieb, aber früher einsetzende Kavitation.
Je dünner und schwächer gewölbt, umso höheres Tempo ohne Kavitation möglich, aber auch größere Fläche pro Auftriebskraft erforderlich und daher mehr Reibung.

An welcher Stelle des Profils die Kavitation einsetzt, hängt neben der Geschwindigkeit und Tauchtiefe vom Krümmungsverlauf und Anstellwinkel ab. Ich bin mir sicher, dass man plötzliche Geschwindigkeitsänderung des umströmenden Wassers so weit wie möglich vermeiden muss, speziell plötzliche Geschwindigkeitsabnahme. Übrigens: Die höchste Geschwindigkeit tritt grob in der Nähe der größten Profildicke auf, bei mehr Anstellwinkel auch deutlich davor!

Die Profis können Strömungsverhältnisse heutzutage schon ganz gut per Computer simulieren, allerdings wird's bei turbulenter und nicht stationärer Strömung in 3D auch heute noch schwierig. Das ist übrigens der Normalfall am Insektenflügel, deshalb haben die Aerodynamiker jahrzehntelang das Märchen erzählt, Insekten dürften eigentlich gar nicht fliegen können. Sowas kann man nicht mehr rechnen, sondern muss es sehr aufwändig simulieren (oder gleich im Experiment untersuchen).

Hier ist mal ein Auszug aus einem Paper, das Englischkundigen unter euch einen Eindruck geben kann, woraruf man speziell bei Design und Auswahl eines Hydrofoils achten muss.

Es gibt durch die Neigung des Wassers zur Kavitation offensichtlich entscheidende Unterschiede beim Profildesign, wenn man ein optimales Ergebnis erreichen möchte. "Normale" Flugzeugprofile dürften also nur bedingt für Hydrofoils geeignet sein. Warum eine Rennklasse (Moth) immer noch vierstellige NACA-Profile verwendet, die vor fast 90 Jahren "erfunden" wurden, ist mir momentan nicht ganz klar - vielleicht kann mich ein Mitleser aufklären?

Spannend finde ich (das wusste ich bisher auch nicht), dass der bei Flugzeugbauern sehr bekannte Professor Richard Eppler auch
Hydrofoils gerechnet hat.

Ebenso interessant ist die Aussage in dem Paper, dass bei einem realen Hydrofoil wegen der Stützen/Streben spätestens bei 18-20 kt eine gewisse Kavitation unvermeidbar ist.