Problematik bei der Umsetzung von X-foils bei der Foilerdimensionierung

Wer der Problematik der eingeschränkten Umsetzbarkeit der Rehzahlabhängigen Profilanalysen von X-foils und anderen mathematischen Modellen in unserem Anwendungsbereich auseinandersetzen will, kommst Du nicht daran vorbei die Abhängigkeiten die nicht berücksichtigt sind ,zu betrachten und zu definieren.
Wir erreichen bei 60mm Profillänge(Sehnenlänge) ,20° Wassertemperatur, 3,6 Km/h eine Rehzahl von ca. 60000, bei Verzehnfachung der Geschwindigkeit erreichbar bei Windgeschwindigkeiten von 10m/s erhöht sich die Rehzahl linear auf 600000.
Bei einer Temperaturänderung des Wassers von 10° verändert sich die Rezahl wiederum linear um ca. 25%. Die Rezahlberechnung und Profilbetrachtung geht nicht auf die Strömungswiderstandskraft ein. Diese Strömungswiderstandskraft abhängig vom resultierenden wirksamen Profilvolumen,Foillänge,Wassertemperatur,Geschwindigkeit ,dynamischer Viskosität oder dem Umkehrwert kinematischer Viskosität, Oberflächenspannung und Adhäsion, abhängig von unterschiedlichen Vortriebsvektoren,abhängig von wahrer Windstärke,-Windrichtung,Riggstellung, reduziert die Boots-Geschwindigkeit/Foil-Wirkungsgrad/Foil-Auftrieb und Foil-Arbeitsbereich. Das entspricht dem tatsächlichem Status in der Umsetzung bei Mini40. Mehr Widerstand,dadurch schlechtere Wendeeigenschaften,kein durchgängiges Foilern, keine deutlich umsetzbare durchschnittliche V-max Erhöhung gegenüber traditionellen Mini40Multihulls. Grund: mangelhaftes Profilauswahlverfahren.

Deshalb wird in Folge hier auf diese Einflüße gezielt hingewiesen und alternative Lösungswege basierend auf mathematischen Ableitungen und Praxiswerten beschrieben.

Teil1

Parameterfestlegung:

Bootsgewicht: 3kg.
Riggkraftvektor: 15kg bei 10m/s V.
Gesamt 18kg.

Grundbedingung:

p Auftrieb =/ grösser P Boot

hieraus folgt: Differenz p1 -p2 definiert über wirksame A=Fläche Foiler Steighöhe.

nun wird es etwas schwieriger.

Teil2 Berechnung der Auftriebskraft N/dm2 bei 10m/s.
nach der klassischen Formel:

FL=1/2 D* v2* cL *A=q* cL* A
FL ' =' 'Auftriebskraft
D' =' 'Mediendichte = f(T p)
v ' =' 'Geschwindigkeit
cL ' =' 'Auftriebsbeiwert = f(AoA Konfig)
A ' =' 'Flügelfläche
q ' =' 'Staudruck, dynamischer Druck (engl: Dynamic Pressure)

da uns der Auftriebsbeiwert unbekannt ist und auch keine Strömungsversuchmessergebnisse vorliegen mit unseren Foilerdimensionen müssen wir halt die Umkehrmethode wählen als Basis für weitere Berechnungen:

Wir haben allerdings mehrere Anhaltswerte:
1. RC Mini40 Modelle
V-Foilerdimension 0,6 *3 dm, Ausklappwinkel ca.35°= 1,86 dm reproduzierte Länge.
C-Foiler ca. Dto.
Modellgewicht ca.3kg.
Riggvektor Foiler ca. 15Kg
Summe p Foiler 180N bei 10m/s
2. V72 C-Foilerdimension 7*20 dm ,Ausklappwinkel ca.35° = 12,22 dm reproduzierte Länge.
genannte Druckbelastung bei ca. 20m/s 7000kg.=70000N
Summe p Foiler 70000N bei 20m/s

Nun fangen wir mal an munter zu rechnen:

1. P= 180/(0,6*1,86)=162,23N/dm2 bei 10m/s.
2. P=70000/(7*12,22)= 818,33N/dm2 bei 20m/s, also geteilt durch Faktor 2 = 409,17 N/dm2 bei 10m/s.

Jetzt haben wir zumindest einen groben Anhaltswert in welcher Grössenordnung wir uns mit der Auftriebskraft überhaupt bewegen.

Woher kommt der Große Unterschied???

Riggkraftvektor - Rigggröße- Riggwirkungsgrad- Bootsgewicht.

nun was zum schauen. Stand der V-Foilerentwicklungen, damit die Praxis nicht zu kurz kommt:

siehe Ians Foiler basierend auf Nightmare MK VII

http://youtu.be/e_Ev8bMxdR0

oder meinem Foiler basierend auf Triton II

http://youtu.be/CY4Si39SOnk

oder die Konstruktion aus Frankreich 1,6m lang die sehr gut läuft.

http://youtu.be/pTRzckkVRhg

Wenn wir nun diese Konstruktionen vergleichen:
stellen wir fest:

die ersten beiden Foiler liegen in der 3kg plus Klasse mit schwierigem Geradeauslauf (Pitching) und Wendeeigenschaften.
Die Foiler liegen in den Dimensionen wie hier gerechnet.
Das Französische Boot ist eine Leichtkostuktion 1,1kg und stark modifiziertem Rigg. Extrem kleine Fok und sehr niedrige Offtakespeed.
Guter Performance.

Im nächsten Teil geht es weiter mit der Foilerdimensionierung.

multihull40 schrieb:

nun wird es etwas schwieriger.

Teil2 Berechnung der Auftriebskraft N/dm2 bei 10m/s.
nach der klassischen Formel:

FL=1/2 D* v2* cL *A=q* cL* A
FL ' =' 'Auftriebskraft
D' =' 'Mediendichte = f(T p)
v ' =' 'Geschwindigkeit
cL ' =' 'Auftriebsbeiwert = f(AoA Konfig)
A ' =' 'Flügelfläche
q ' =' 'Staudruck, dynamischer Druck (engl: Dynamic Pressure)

da uns der Auftriebsbeiwert unbekannt ist und auch keine Strömungsversuchmessergebnisse vorliegen mit unseren Foilerdimensionen müssen wir halt die Umkehrmethode wählen als Basis für weitere Berechnungen:

Wir haben allerdings mehrere Anhaltswerte:
1. RC Mini40 Modelle
V-Foilerdimension 0,6 *3 dm, Ausklappwinkel ca.35°= 1,86 dm reproduzierte Länge.
C-Foiler ca. Dto.
Modellgewicht ca.3kg.
Riggvektor Foiler ca. 15Kg
Summe p Foiler 180N bei 10m/s
2. V72 C-Foilerdimension 7*20 dm ,Ausklappwinkel ca.35° = 12,22 dm reproduzierte Länge.
genannte Druckbelastung bei ca. 20m/s 7000kg.=70000N
Summe p Foiler 70000N bei 20m/s

Nun fangen wir mal an munter zu rechnen:

1. P= 180/(0,6*1,86)=162,23N/dm2 bei 10m/s.
2. P=70000/(7*12,22)= 818,33N/dm2 bei 20m/s, also geteilt durch Faktor 4 = 204,58 N/dm2 bei 10m/s.

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Die Auftriebsgröße differiert nur um 20%..,da die Geschwindigkeitdifferenz sich aus den Quadratwerten bildet.

Teil3 Dimensionierung der Foiler

Wir nehmen jetzt nochmal die Grundbedingung zum Foilern

Grundbedingung:

p Auftrieb =/ grösser P Boot

hieraus folgt: Differenz p1 -p2 definiert über wirksame A=Fläche Foiler Steighöhe.

und betrachten die beiden ermittelten Auftriebswerte

p1 = 160 N/dm2
p2 = 200 N/dm2

Differenzberechnung über Zweisatz:
pdif.= 100/160*200= 125%

Steighöhe

Die Steighöhe ergibt sich bei dieser Bedingung anteilig aus 1/4 tel oder 25% der wirksamem Foilerfläche.
Hieraus folgt bei Foilerbreite=const, 1/4 der wirksamen (reproduzierten) Foilerlänge.
Also 1,86/4 = 0,465 dm.

Übernehmen wir diese Bedingung in die weitere Ableitung:

Auslegung des Foilers auf eine takeoffspeed von 5m/s

Über Halbierung von V ergibt sich im Umkehrschluß eine Vervierfachung der Foilerfläche im ersten Grobansatz.
Allerdings nicht korrekt da Bootsgewicht = cont., jedoch Riggkraft nicht const.
Also differenzieren wir:
15kp Riggkraftvector verändert sich bei Halbierung von V um Faktor 4.
Prigg = 15/4= 3,75 kp + 3,0 kp Gboot ergibt 6,75 kp.
Addierung der Steigkraftdifferenz also 6,75 * 1,25 =
8,44 Kp/dm2 = 84,4 N/dm2

Damit die Gedankensprünge nicht zu groß werden:
Warum ergibt sich hieraus eine Verdopplung der Foilerfläche?

Die Vergrösserung der Foilerfläche bei Halbierter Geschwindigkeit ergibt sich aus dem Verhältnis der Auftriebskräfte bei V1 und V2

Also V1 10m/s P1 = 160N/dm2
V2 5m/s P2 = 85N/dm2

Differenzfaktor P= 160/85= 1,885 aufgerundet auf 2 bei Steighöhe ident = 25% der wirksamen Foilerfläche/ -länge.

Ergebnis: die Foilerfläche muss bei Reduzierung von V um die Hälfte nicht um Faktor 4 sondern nur um Faktor 2 vergrößert werden ,
da die Riggkraftkomponente sich ebenfalls um Faktor 4 reduziert.

Also Vergrößerung der Foilerfläche von 0,6*3= 1,8dm2 auf 3,6dm2
Hier setzt die Kritik an X-foils an, da diese Dimensionierungsänderungen nicht erkennbar sind.

Nun alles gelöst?

Leider nicht, in der Praxis zeigen die Boote noch schlechtere Kreuzeigenschaften,Wendefähigkeiten bei dieser Veänderung auf.

Deshalb erfolgt im Teil4 demnächst die Betrachtung des Verdrängungswiderstandes.

das ist doch endlich mal was dem man folgen kann! gefällt mir, weiter so...
allerdings hätte ich da noch 2 fragen:
1. wie berechnest du den riggkraftvektor? hier bitte noch etwas detaillierter drauf eingehen damit man das besser nachvollziehen kann... bzw. wenn du ne riggkraft angenommen hast dann bitte nochmal erklären wie du daraus auf den "abtrieb des riggs" kommst....
2. wenn ich das jetzt richtig verstanden habe, dann nimmst du einen ursprünglichen takeoff speed von 10m/s an?! ist das so korrekt?
denn wenn nicht würde sich hier schon ein fehler in der Flächenberechnung einschleichen da bei früherem takeoff bei 10m/s nicht mehr die volle foilerfläche wirksam wäre...

bin gespannt auf deine weiteren Ausführungen

Zu 1 Heiko der Riggkraftvektor berechnet und leitet sich aus der Schotzugkraft ab. Diese Kraft beträgt raumschots bei voller Speed ca. 15 kp bei ca. 0,68m2 Segelfläche und 10m/s Windspeed. Das ist die Kraft,die beim Fieren die Winde aufbringen muss. Dies ist gleichzeitig die Krängungskraft. Hier addiert sich das Bootsgewicht,wenn das Boot von einem Foiler getragen wird.
Der spezifische Segeldruck liegt demnach bei:
psegel= 15/68= 0, 22kp/dm2= 2,2N/dm2
Zu2 ,Nein die P2 ist in der Auftriebskraftberechnung abgeleitet aus der effektiven Duckbelastung auf den Foiler.
P1 ist von der anderen Seite gerechnet Riggkraftvektor plus Bootsgewicht.
Aus der Bedingung: Auftriebskraft P2 =/größer Riggkraftvektor plus Bootsgewicht p1
ergibt sich aus der prozentualen Differenz die Steighöhe über die Foilerfläche.
Diese Steighöhe will ich konstant halten für den Bootsfreigang über Wasserspiegel.
Also halte ich rechnerisch diese Differenz in % als Aufschlag vor.
Heiko bei 5m/s habe ich die Riggkraft anteilig rechnerisch reduziert, meine Foilerlänge beträgt rechnerischer Takeoff mal 4....also müsste der Foiler bis 20m/s = 72Km/h einsetzbar sein Zur Widerstandsbetrachtung komme ich erst Anfang der nächsten Woche, halt die schnöden Termine.
Gruß


Rene

zu 1: jetzt verstehe ich was du meinst! ich glaube allerdings nicht dass du die kraft 1:1 übertragen kannst, sondern stattdessen über die momentengleichung rangehen musst. Bsp: das segel ist nur halb so breit aber doppelt so hoch, die kraft von dem segel bleibt die gleiche allerdings greift sie viel höher an, ich habe also ein größeres Kränkungsmoment das nur durch höheren auftrieb am foil ausgeglichen werden kann... ausserdem würde es aus meiner Sicht nicht reichen nur die schot zu betrachten, sondern man müsste auch die Takelage mit einbeziehen....

zu 2: hab ich verstanden, also der definierte zustand ist das foilern auf dem leefoil wobei von diesem bei 10m/s 80% wirksam das heißt eingetaucht sind ?!?

übertrieben

übertrieben

Ich glaube da hat der Heiko mitgedacht obwohl er nur ein Formeltheoretiker ist. Mit den 15 kp
wären unsere Segelwinden wohl heillos überforert. Rene, Du übertreiobst ein bißchen.
In Höhe des Segeldruckpunktes wird die Kraft, die unsere Boote zum Krängen bringen, so
bei 2,5 kp liegen, beim A-rigg noch weniger, an der Schot noch weniger und bei einem
Swingrigg an der Schot fast gar nichts mehr.
Irgendwann wird das noch was.

bis die Tage, Rolf

turbartuluk schrieb:

zu 1: jetzt verstehe ich was du meinst! ich glaube allerdings nicht dass du die kraft 1:1 übertragen kannst, sondern stattdessen über die momentengleichung rangehen musst. Bsp: das segel ist nur halb so breit aber doppelt so hoch, die kraft von dem segel bleibt die gleiche allerdings greift sie viel höher an, ich habe also ein größeres Kränkungsmoment das nur durch höheren auftrieb am foil ausgeglichen werden kann... ausserdem würde es aus meiner Sicht nicht reichen nur die schot zu betrachten, sondern man müsste auch die Takelage mit einbeziehen....

Heiko, ich bin halt über den anderen Weg rangegangen, Die Schotkraft ist ca. im 90 Winkel zum Baum des Riggs angesetzt, bei raumschots hast Du gemäß dem Diagramm der TU Berlin das Maximum des Segeldrucks und der Kraftkomponente zur Winde. Dieser Kraftvektor wirkt gleichzeitig als Vektor auf den float bzw. beim foilern als Unterschneidungs- und Krängungskraft. Wenn dieser Kraftvektor im maximum 90°Grad zum Riggsteht kannst Du Ihn als Krängungskraftvector einsetzen. Nun zur anderen Rechnung, die Floatvolumen sind angesetzt ca. 2,5-3 fachen zum Bootsgewicht. Ich habe 3kg eingesetzt. Folglich 3*faktor 3 = 9ltr Verdrängung, nun die Krängungskraft wird kompensiert über statischen Auftrieb eines floats,der liegt bei 10m/2 etwa bei 100% Volumenverdrängung plus dynamischen Auftrieb über V 10m/s so komme ich wiederum auf auf einen Grössenbereich von 15-18kp...zu 2: hab ich verstanden, also der definierte zustand ist das foilern auf dem leefoil wobei von diesem bei 10m/s 80% wirksam das heißt eingetaucht sind ?!?

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Heiko, nein bei der ursprünglichen Dimension 0.6 * 1,86 dm reproduzierte Fläche ergab sich rechnerisch eine Steighöhe von 0,465 dm bei 10m/s, zieh das von der Foilerlänge ab. also 4,65cm...von 30 cm allerdings im Winkel von ca.35° abgeklappt.
Meine 1. Dimensionierung des Foiler für 5m/s hat rechnerisch ohne Berücksichtigung des Strömungswiderstandes die reproduzierte Foilerfläche verdoppelt... Ich gehe allerdings auf eine Foilerlänge von 180mm und auf Verbreiterung des Foilers bei niedriger Profilstärke, warum? hierauf komme ich nach Erklärung der Überprüfung des Verdrängungswiderstandes und Auswirkungen zurück.

Gruß


Rene

FrechenRolf schrieb:

Ich glaube da hat der Heiko mitgedacht obwohl er nur ein Formeltheoretiker ist. Mit den 15 kp
wären unsere Segelwinden wohl heillos überforert. Rene, Du übertreiobst ein bißchen.
In Höhe des Segeldruckpunktes wird die Kraft, die unsere Boote zum Krängen bringen, so
bei 2,5 kp liegen, beim A-rigg noch weniger, an der Schot noch weniger und bei einem
Swingrigg an der Schot fast gar nichts mehr.
Irgendwann wird das noch was.

bis die Tage, Rolf

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Rolf, du hast den dynamischen Auftrieb der Floats und Deine australische Winde mit 28kp 280N vergessen....
Also rechne mal 28kp* Segeldruckpunkthöhe ca. 30% von Rigghöhe plus Distanz zum Foilerdruckpunkt....=?
Der Float ist eine Drehachse...Nicht Bootsmittellinie....
Und denk an eins,halt dein Rigg-Laken bei Windstärke 5-6bft mal patt vor Dir, Du hast schon Probleme mit normaler Körperkraft locker gegen an zu kommen...

Gruß


Rene

Noch mal eine Erläuterung notwendige Kraftvektoren um eine Masse von 3kp gegen eine Verdrängungsmasse von 3l= kg zu beschleunigen...
Die Geschwindigkeit geht zum Quadrat in die Rechnung ein. Die Geschwindigkeitsverdopplung also im Faktor 4.
D.h. um eine Masse von 5m/s auf 10m/s zu beschleunigen brauche ich einen Kraftvektor 3kp *4 = 12kp um den Verdrängungswiderstand zu kompensieren. Ich habe einen Riggkraftvektor in Foilerrichtung eingesetzt von 15kp. Der tatsächliche Kraftvektor im Segeldruckpunkt liegt um ca. 30% höher. Heiko natürlich kann man versuchen über Windstärke,Vektoren auf Segelwölbung, abzüglich Luftverdrängungswiderstand, Abstand Segeldruckpunkt, zur Drehachse und Foilerdruckpunkt berechnen. Da kommt aber nichts wesentliches anderes raus...

Gruß


Rene

Seemannsgarn hoch 3

Seemannsgarn hoch 3

multihull40 schrieb:

Noch mal eine Erläuterung notwendige Kraftvektoren um eine Masse von 3kp gegen eine Verdrängungsmasse von 3l= kg zu beschleunigen...
Die Geschwindigkeit geht zum Quadrat in die Rechnung ein. Die Geschwindigkeitsverdopplung also im Faktor 4.
D.h. um eine Masse von 5m/s auf 10m/s zu beschleunigen brauche ich einen Kraftvektor 3kp *4 = 12kp um den Verdrängungswiderstand zu kompensieren. Ich habe einen Riggkraftvektor in Foilerrichtung eingesetzt von 15kp. Der tatsächliche Kraftvektor im Segeldruckpunkt liegt um ca. 30% höher. Heiko natürlich kann man versuchen über Windstärke,Vektoren auf Segelwölbung, abzüglich Luftverdrängungswiderstand, Abstand Segeldruckpunkt, zur Drehachse und Foilerdruckpunkt berechnen. Da kommt aber nichts wesentliches anderes raus...

Gruß


Rene

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die Kräfte

die Kräfte

eines Theoretikers.
Lieber guter Rene, wenn ein Boot 3kg schwer ist, nach Deiner Rechnung aber die vielfache Kraft benötigt wird
es umzukippen, dann rechne mir doch bitte mal aus, wieviel Kraft benötigt wird es hochzuheben.

bis die Tage, Rolf

FrechenRolf schrieb:

eines Theoretikers.
Lieber guter Rene, wenn ein Boot 3kg schwer ist, nach Deiner Rechnung aber die vielfache Kraft benötigt wird
es umzukippen, dann rechne mir doch bitte mal aus, wieviel Kraft benötigt wird es hochzuheben.

bis die Tage, Rolf

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Rolf nochmal Teil2

nun wird es etwas schwieriger.

Teil2 Berechnung der Auftriebskraft N/dm2 bei 10m/s.
nach der klassischen Formel:

FL=1/2 D* v2* cL *A=q* cL* A
FL ' =' 'Auftriebskraft
D' =' 'Mediendichte = f(T p)
v ' =' 'Geschwindigkeit
cL ' =' 'Auftriebsbeiwert = f(AoA Konfig)
A ' =' 'Flügelfläche
q ' =' 'Staudruck, dynamischer Druck (engl: Dynamic Pressure)

da uns der Auftriebsbeiwert unbekannt ist und auch keine Strömungsversuchmessergebnisse vorliegen mit unseren Foilerdimensionen müssen wir halt die Umkehrmethode wählen als Basis für weitere Berechnungen:

Wir haben allerdings mehrere Anhaltswerte:
1. RC Mini40 Modelle
V-Foilerdimension 0,6 *3 dm, Ausklappwinkel ca.35°= 1,86 dm reproduzierte Länge.
C-Foiler ca. Dto.
Modellgewicht ca.3kg.
Riggvektor Foiler ca. 15Kg
Summe p Foiler 180N bei 10m/s
2. AC72 C-Foilerdimension 7*20 dm ,Ausklappwinkel ca.35° = 12,22 dm reproduzierte Länge.
genannte Druckbelastung bei ca. 20m/s 7000kg.=70000N
Summe p Foiler 70000N bei 20m/s

Nun fangen wir mal an munter zu rechnen:

1. P= 180/(0,6*1,86)=162,23N/dm2 bei 10m/s.
2. P=70000/(7*12,22)= 818,33N/dm2 bei 20m/s, also geteilt durch Faktor 2 = 409,17 N/dm2 bei 10m/s.

Rolf gehen wir nochmal zurück in den Teil 2 Hier sind die Kräfte nach den Daten die uns vorliegen ausgerechnet worden. Heiko hat dies auch kritisch überprüft und als nachvollziehbar beschrieben. Die Daten für P2 stammen vom AC72 real...P1 stammt von mir, der 6cm breite Foiler, 30cm lang hebt das komplette Bootgewicht plus Riggkraft bei Windstärke 5-6 bft....
Der Auftriebswert bei 10m/s ist rechnerisch 41 kp/dm2. Das Bootsgewicht plus Riggkraftvektor 16,2 kp/dm2. Aus der Differenz habe ich im Teil3 die Lifthöhe ermittelt.
Diese Lifthöhe entspricht den Lifthöhen in den eingestellten Videos.