Samverkan mellan segel

- En presentation av Arvel Gentry och hans teser -

Att fock och storsegel tillsammans ger "trefalt" igen känner i stort varje seglare till. Men hur många vet varför?

 

Arvel Gentry

Arvel Gentry, en konstruktör vid Douglas Aircraft Corporation och tillika inbiten seglare, anses allmänt vara den förste, som korrekt har förklarat denna märkliga fock-storsegelsamverkan. Efter att, som Gentry själv påstår, länge ha hört och läst olika, mer eller mindre vetenskapligt grundade förklaringar baserade på slot-effekt, Bernoulli's ekvation, venturi-effekt, mast-effekt och till och med det säkra läläget, presenterade han vid American Institute of Aeronautics and Astronautics' symposium år 1971 i Californien en uppsats med titeln: "The Aerodynamics of Sail lnteraction".

 

Ämnet

Uppsatsen förklarar grundproblemet vid samverkan mellan storsegel och fock med samma teorier som man använder i flygindustrin, men med termer, som en seglare (kanske) kan förstå. I sin helhet är uppsatsen på 19 sidor inklusive figurer och är mycket läsvärd.

Jag skall nu försöka mig på ett förkortat referat av texten. Ett och annat ord kanske inte blir fackmannamässigt översatt, men det hoppas jag, att ni har överseende med.

 

Definitioner

För att introducera läsaren i ämnet, börjar Gentry med att förklara en del termer som är viktiga för förståelsen av det hela. Han förklarar uttryck som lamninärt och turbulent gränsskikt i anslutning till en yta, avlösning av gränsskikten från ytan och externt flöde utanför gränsskiktet. Han konstaterar, att luftens viskositet inte påverkar de aerodynamiska beräkningarna av det externa flödet. Han konstaterar också, att ett gränsskikt avlöses från den angränsande ytan, om trycket längs ytan ökar för snabbt. Han definierar tryckökning längs ytan med uttrycket 'ogynnsam tryckgradient'. Han konstaterar, att om man minskar tryckökningen längs seglet, minskar man också risken för avlösning.

 

Potentialflöde

För att beskriva, hur flödet kring segel ser ut, använde Gentry något, som kallas potentialflödesteori. Denna används för att beskriva flöden, när man kan bortse från inverkan från gränsskikt och deras avlösning. Eftersom man alltid konstruerar vingprofiler (och segel), så att man i görligaste mån undviker avlösning och därför att gränsskiktet i praktiken är mycket tunt, har man funnit, att denna teori ger många tillämpbara resultat (vilket man experimentellt verifierar, t.ex. vid vindtunnelförsök).

 

Analogi med elektriskt potentialfält

Om flödet betraktas som ett potentialflöde, kan man, förutom att räkna på datamaskin, simulera flödets strömning "grafiskt" med hjälp av en elektrisk fältplotter. Denna åskådliggör en enkel analogi mellan luftens strömning och ett vanligt elektriskt potentialfält. De matematiska formler, som är nödvändiga för att bestämma flödet kring en vingprofil är nämligen exakt detsamma som beskriver den elektriska potentialen.

 

Analog fältplotter

Den fältplotter, som Gentry använde, består i princip av ett elektriskt ledande papper med påmålade strängar av silverfärg på papperets över- och underkant. Till dessa silversträngar kopplar man en elektrisk spänning, och får så ett linjärt potentialfall över papperet. Man kan dela upp spänningsfallet i ett antal lika delar och plotta ekvidistanta linjer med samma potential med hjälp av en bryggkoppling eller en voltmeter. Dessa linjer går parallellt med den övre och undre kanten på papperet och representerar strömlinjerna för ostörd vind.

 

 

 

Simulering av cirkulationsfri luftströmning

Om man målar en vingprofil med samma silverfärg någonstans mitt på papperet, kan man uppmäta en förskjutning av potentialfältet. Linjerna med samma elektriska potential går inte längre parallellt med papperets övre- och undre kant. Men man får skarpa kanter längs strömlinjerna. En sådan strömning är ofysikalisk eftersom naturkrafterna aldrig skulle kunna skapa ett sådant kantigt flöde. Det skulle krävas oändliga krafter. Dessutom genererar denna lösning ingen lyftkraft på profilen.

 

Simulering av vindens avlänkning kring seglet

Om man sedan kopplar elektrisk spänning till profilen, kan man, genom att justera spänningens värde, få en "strömlinje" att avlänkas, så att den går längs profilen och lämnar profilens akterkant mjukt i profilens riktning (stagnationslinjen). Gentry säger, att man har tillfört "cirkulation" till flödet. Linjerna med samma elektriska potential beskriver nu en strömning utan skarpa kanter, som den i verkligheten är kring ett segel. I de områden, där linjerna går tätare, än i det ostörda fallet, representeras en högre vindhastighet och ett undertryck. Där linjerna går glesare, representeras en lägre vindhastighet och ett övertryck.

Nu kan man, genom att avståndsmäta linjernas förskjutning på papperet i förhållande till det ostörda fallet, räkna ut tryckfördelningen längs och utanför profilen med Bernoulli´s ekvation på konventionellt sätt.

 

Två samverkande segel, sammanfattning

På samma sätt som ovan, kan man placera ytterligare en profil av silverfärg på det ledande papperet och på så sätt simulera ytterligare ett segel. Resultatet av detta sammanfattas av Gentry i punktform enligt nedan:

 

 

 

A. Påverkan på storseglet från focken

 

1.

Focken får stagnationspunkten för storseglet att flyttas mot seglets förkant ("Header-effekten")

2.

Som ett resultat av detta blir de högsta sughastigheterna, från fockens förkant till området kring fockens akterlik, kraftigt reducerade. Eftersom de högsta sughastigheterna minskar, blir de ogynnsamma tryckgradienterna också lägre.

3.

Som följd av de minskande tryckgradienterna på storseglet, minskar risken för avlösning av gränsskiktet och för stall.

4.

Storseglet blir effektivt vid högre anfallsvinklar utan avlösning och stall, vilket annars hade varit fallet med storseglet ensamt.

5.

Då focken skotas allt längre in mot båtens centerlinje, (eller då stor seglet skotas allt längre ut) får man en kontinuerlig minskning av suget på storseglets läsida. När trycket på lovart- och läsida blir lika, har man inte längre kvar den tryckskillnad över seglet, som krävs, för att seglet skatt behålla sin vingprofil, och seglet börjar slå in.

6.

Mycket mindre luft går mellan förstag och mast när focken placeras framför storseglet. "Cirkulationerna" kring storsegel och fock tenderar att släcka ut varandra i området mellan de två seglen. Mer luft är därför tvingad att passera runt framkanten (läsidan) av focken.

 

B. Påverkan på focken från storseglet

 

1.

Flödet, som länkas av framför. storseglet får stagnationspunkten för focken att flyttas till seglets lovartsida. Båten måste därför seglas närmare vinden med både fock och storsegel hissade för att förhindra att focken stallar.

2.

Fockens akterlik befinner sig i ett område med hög strömningshastighet kring storseglet. Därför blir strömningshastigheten vid akterliket högre, än om focken används ensam.

3.

På grund av den höga strömningshastigheten vid akterliket blir hastigheterna längs hela läsidan på focken avsevärt förhöjda när både fock och storsegel används tillsammans. Detta bidrar den höga effektiviteten hos focken.

4

Med stöd av ovanstående punkter, kan man förvänta sig, att storseglets form och trim i allra högsta grad påverkar effektiviteten och den framåtdrivande kraften för en överlappande fock. Vad som helst, som förorsakar en minskning av hastigheten i området kring fockens akterkant, skulle negativt påverka den framåtdrivande kraften, som genereras av focken.

5

Masten framför storseglet har alltid beskyllts för att göra detta segel mindre effektivt i förhållande till focken. Detta är endast en del av sanningen. Den andra, och troligtvis minst lika viktiga, är, att focken arbetar i lokalt förhöjd vindhastighet, vilken genereras av storseglet.

 

 

 

 

Seglens påverkan på vinden

Till slut beskriver Gentry med hjälp av en skiss, hur vinden både avlänkas och ändrar hastighet kring en båt som seglar bidevind:

Om någon skulle tycka det vore intressant att läsa artikeln i sin helhet, kan denne vända sig till direkt till SSPA:s bibliotek, varifrån jag har fått mitt eget exemplar.

Marek Janiec, SSIF

IF S-829 "Ingela"