Profilentwurf für ein Tragflächenboot

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Fritzi Klein
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1 Profilentwurf für ein Tragflächenboot Zusammenfassung für das Profilentwurfseminar von Datum des Vortrags: Matrikelnummer: durchgeführt am Institut für Aerodynamik und Gasdynamik der Universität Stuttgart Stuttgart,

2 Entwurfskriterien 1 Entwurfskriterien Abb. 1.1 zeigt den Entwurf eines Tragflächenboots für den Freizeitsport. Dieses Tragflächenboot ist eine Arbeit am Institut für Flugzeugbau und befindet sich zur Zeit in der Entwicklungsphase. Ich Abbildung 1.1: Designentwurf des Tragflächenboots von der Seite hatte mir zum Ziel gesetzt, für die hintere Tragfläche des Bootes ein Profil für sehr hohe Geschwindigkeiten (d. h. bis zu 90 km h ) zu entwerfen. Aufgrund der bisherigen Erfahrung mit einem Prototypen ergeben sich folgende Entwurfskriterien: Die Profiltiefe beträgt 28 cm und ist damit genauso groß, wie die Profiltiefe des Prototypen. Aufgrund von fertigungstechnischen und strukturellen Gründen soll die Profildicke 12 % nicht unterschreiten. Das untere Laminardelleneck soll sich bei c Amin 0, 05, d. h. α min 0, 45, befinden. Die Eintauchtiefe des Profils befindet sich bei Reisegeschwindigkeit bei 40 cm. Es wird eine Reisegeschwindigkeit von 70 km h und eine Spitzengeschwindigkeit von 90 km h untersucht. Für 30 C Wassertemperatur ergeben sich für 90 km h und 70 km h Re = u lρ µ Re 90 = 9, ; Re 70 = 7, folgende Reynoldszahlen: 1

3 Besonderheiten des Mediums Wasser 2 Besonderheiten des Mediums Wasser Zur Gestaltung von Profilen, die sich im Strömungsmedium Wasser fortbewegen müssen einige Besonderheiten beachtet werden, die es im Strömungsmedium Luft nicht gibt. Zum Einen gehört zu diesen Besonderheiten die Kavitation und zum Anderen zusätzliche Widerstände, die berücksichtigt werden müssen. Für diesen Profilentwurf wurden einige vereinfachende Annahmen getroffen: Inkompressibilität, Vernachlässigung von Salzgehalt und Verschmutzungen im Wasser und Vernachlässigung des hydrostatischen Drucks. 2.1 Kavitation Kavitation entsteht, wenn der Druck im Strömungsmedium unter den Verdampfungsdruck p vap fällt. Ist der Verdampfungsdruck unterschritten, verdampft das Wasser in vorhandene Luftblasen, die sich im Wasser befinden, und bildet größere Dampfblasen. Bei der Fahrt im Wasser kann bei hohen Geschwindigkeiten der Verdampfungsdruck unterschritten werden und Kavitation entstehen. Um beim Profilentwurf bewerten zu können, ob Kavitation entsteht, wird folgender Druckbeiwert berechnet. 1 C pmin = p p vap 1 (2.1) 2 ρv2 2.2 Zusätzliche Widerstände Im Strömungsmedium Wasser müssen zwei zusätzliche Widerstände berücksichtigt werden. Dies sind der Wellen- und der Spray- bzw. Durchstoßwiderstand. C ww elle = t h C 2 A 2F r 2 h e 2 F r 2 h mit F r h = v g h. (2.2) { ( 0, 24 t ) 2 C wspray = x ; t x 0, 4 0, 12 ( ) t 2 x ; t x > 0, 4 (2.3) Hierbei sind t die Profildicke, h die Eintauchtiefe, C A der Auftriebsbeiwert des Profils und x die Strecke von der Profilvorderkante zur dicksten Stelle des Profils. 1 S. F. Hoerner. Fluid-dynamic drag

4 Finaler Profilentwurf 3 Finaler Profilentwurf Während des Entwurfsprozesses musste festgestellt werden, dass sich aufgrund von Kavitation die Entwurfskriterien von 90 km h und 12 % Profildicke nicht vereinbaren lassen. Um bei 90 km h Kavitation zu vermeiden, muss der Hauptdruckanstieg verringert werden. Dies führt jedoch zur Abnahme der Profildicke, weshalb ein Profil mit 12 % Profildicke bei einer Spitzengeschwindigkeit von 90 km h nicht möglich ist. Der endgültige Profilentwurf ist auf eine Reisegeschwindigkeit von 70 km h optimiert, kann jedoch Höchstgeschwindigkeiten von ungefähr 80 km h fahren. 3.1 Entwurfseingabedaten REMO1 REMO1 *P@1H@XYDROFOIL 70 km/h TRA RAMP TRA ALFA DIAG *N1 ALFA DIAG 1 ALFA RE CDCL ENDE In den obigen Eingabedaten ist zu erkennen, dass die Saugspitzen auf der Oberseite des Profils erst ab 23.5 ( 0, 1 x/c) abgebaut werden. Durch das verkürzte Abbauen der Saugspitzen ergibt sich für die in Abb. 3.4 dargestellte C pmin -Kurve ein breiterer Anstellwinkelbereich bei 70 km h. Die dadurch stärker auftretenden Saugspitzen beeinflussen den Fahrbereich des Profils nicht, da die Kavitation den Anstellwinkelbereich des Profils bestimmt. Die kürzere laminare Laufstrecke auf der Unterseite ergibt sich dadurch, dass die Profildicke größer wird, aber die Tendenz zur Kavitation nur unwesentlich beeinflusst wird. Für eine Verbesserung der C pmin -Kurve, d. h. eine Verschiebung zu höheren C pmin -Werten, muss ω zunemhen. Um jedoch die Breite der Kurve zu vergrößern, muss ω US verkleinert werden. Ein großes ω wirkt sich außerdem negativ auf die Profildicke aus, weshalb sich eine Kombination von ω OS = 0, 79 und ω US = 0, 7 als ideal herausstellte. 3

Finaler Profilentwurf 3.2 Geschwindigkeitspolare Abbildung 3.1: Darstellung der Geschwindigkeitspolaren des finalen Profilentwurfs 3.3 Polarendiagramm In Abb. 3.2 sind die Polaren des Profils zu erkennen.

5 Finaler Profilentwurf 3.2 Geschwindigkeitspolare Abbildung 3.1: Darstellung der Geschwindigkeitspolaren des finalen Profilentwurfs 3.3 Polarendiagramm In Abb. 3.2 sind die Polaren des Profils zu erkennen. Der geforderte Bereich der Laminardelle ist bei diesem Profil erreicht. Es ist zu erkennen, dass laminare Ablöseblasen auftreten. Die Strömung legt sich jedoch wieder turbulent an. Aufgrund der hohen turbulenten Anströmung des Wassers sind laminare Ablöseblasen nur ein geringes Problem. Die Strömung wird in der Regel ein turbulentes Wiederanlegen erfahren. 4

6 Finaler Profilentwurf Abbildung 3.2: Darstellung des Polarendiagramms des finalen Profilentwurfs Zur Überprüfung wurde eine Berechnung bei erhöhtem Rauigkeitsfaktor durchgeführt, um turbulente Bedingungen zu simulieren. Bei erhöhter Rauigkeit treten keine laminaren Ablöseblasen auf, der Widerstandsbeiwert wird jedoch größer und die laminaren Laufstrecken verschwinden. Abbildung 3.3: Darstellung des Polarendiagramms des finalen Profilentwurfs bei erhöhter Rauigkeit Die zusätzlichen Widerstandsbeiwerte ergeben sich mit dem größtmöglichen C A (siehe Abb. 3.4) zu: C ww elle = 0, , 28 0, 4 0, , e 2 9,814 2 = 6, C wspray = 0, 24 ( ) 0, = 0, 028 0, 35 Es ist zu erkennen, dass der Wellenwiderstand vernachlässigbar klein ist. 5

7 Finaler Profilentwurf 3.4 C pmin -Kurve Abbildung 3.4: Darstellung der C pmin-kurve des finalen Profilentwurfs Bei 70 km h werden darf. ergibt sich anhand von Gleichung (2.1) folgender C pmin-wert, der nicht unterschritten C pmin70 = 0, 52 6

Vergleich mit NACA 64(1)-112 4 Vergleich mit NACA 64(1)-112 Ursprünglich sollte für das in Abb. 1.1 dargestellte Tragflächenboot das Profil NACA 64(1)-112 verwendet werden.

8 Vergleich mit NACA 64(1) Vergleich mit NACA 64(1)-112 Ursprünglich sollte für das in Abb. 1.1 dargestellte Tragflächenboot das Profil NACA 64(1)-112 verwendet werden. Die Profile der NACA 64-Serie werden aufgrund ihrer guten Kavitationseigenschaften oft als Hydrofoils verwendet. In den folgenden Abbildungen ist zu erkennen, dass die Laminardelle der Lilienthalpolare sowie die C pmin -Kurve zu niedrigeren Anstellwinkeln verschoben sind. Bei 3 Anstellwinkel treten bereits Saugspitzen auf. Dies ist nicht ideal für den geforderten Anwendungsbereich. 4.1 Polarendiagramm Abbildung 4.1: Darstellung des Polarendiagramms des NACA 64(1)-112 Berechnet man die zusätzlich auftretenden Widerstandsbeiwerte des Profils folgt: C ww elle = 0, 12 0, 28 0, 4 0, , e 2 9,814 2 = 1,

9 Vergleich mit NACA 64(1)-112 C wspray = 0, 24 ( ) 0, 12 2 = 0, 028 0, 35 Der Wellenwiderstand ist für dieses Profil ebenfalls zu vernachlässigen. Die Widerstandsbeiwerte für den Spraywiderstand sind bei beiden Profilen gleich. 4.2 Geschwindigkeitspolare Abbildung 4.2: Darstellung der Geschwindigkeitspolaren des NACA 64(1)-112 8

10 Vergleich mit NACA 64(1) C pmin -Kurve Abbildung 4.3: Darstellung der C pmin-kurve des NACA 64(1)-112 9

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