эффект Магнуса и ротационное крыло

[jayrandom]

Недавно наткнулся на любопытное изобретение - RotorBoat. Видики выглядят совершенно фантастически: сидит мужик в лодке с мачтой без парусов, и при помощи этой мачты использует силу ветра.

Оказывается, в газовой динамике известен эффект Магнуса, позволяющий создавать подъёмную силу путём вращения цилиндра в ламинарном потоке. Если такой цилиндр вращать вертикально в ветреную погоду, его будет сносить перпендикулярно потоку, что обычно и требуется для плавания под парусами. В зависимости от соотношения скорости потока и скорости вращения можно получать разные "углы установки паруса". Необходимо подчеркнуть, что основную работу делает именно ветер. Цилиндр, не являясь гребным винтом, просто "закатывается" на поток.

Вот некоторое количество формальной математики на эту тему.

В начале 20-го века уже была попытка создать парусник на основе этого эффекта, но она провалилась по техническим причинам. См. жабо-демонстрашки и фотку корабля Антона Флеттнера в конце страницы.

Были также попытки создать на этом принципе летающие машины. Тоже используется "ветер" (скорость потока относительно крыла, а не земли), тоже цилиндр "закатывается" на этот поток, уравновешивая силу тяготения. Просматривается возможность создания машин с вертикальным взлётом задёшево.

Вот современные попытки создать такую машину.

Поскольку меня интересуют воздушные змеи, я стал искать, не было ли создано чего-то на этом принципе в "нашей" области? Оказывается, существует даже несколько различных конструкций вращающихся змеев.

На базе которых даже созданы коммерческие генераторы электрического тока.

Comments

[biglebowsky.livejournal.com]

Почти все, что с жесткими парусами - симметричные профили.

Дело в том, что различие в характеристиках между симметричным и "обычным" профилем на небольших углах атаки столь мало, что, обычно, не имеет смысла заниматься разными конструктивными изысками по изменению формы профиля.

Есть, конечно, и исключения.
Например, парусные суда для установления рекордов скорости. Они изначально асиметричны и способно идти только под одним галсом.

[jayrandom.livejournal.com]

Только под одним галсом - это наверное очень грустно. Мобильности никакой.

О, жёсткие паруса (кстати, первым делом Гугль делится вот таким вот чудом - двуслойный, мягкий, асимметричный).
А почему интерес представляют только небольшие углы атаки? Ведь парус вращается, и в разных ситуациях могут пригодиться совершенно разные углы?

[biglebowsky.livejournal.com]

Большие углы атаки сравнительно редко используются.
Жесткие паруса применяют на быстроходных штуковинах. Почти на всех курсах, после того, как эта штуковина разгонится, "вымпельный" (т.е. относительный) ветер будет дуть спереди под очень небольшими углами.
Если же ветер дул строго сзади, то коэфф. Су нам не важен. В этом режиме нам полезен Cх.

У симметричного паруса есть еще очень серьезное преимущество перед конструкциями с изменяемой геометрией. "Недеформируемый" парус гарантированно не будет "заполаскивать", если его поставить против ветра. Соответсвенно, в режиме флюгера прекрасно выдерживает штормовые порывы ветра, не намного хуже, чем "голая" мачта.

[jayrandom.livejournal.com]

У меня получился несколько нестандартный "вход" в тему крыльев - из кайтсёрфинга. Насколько я понимаю, там в разных ситуациях используются все возможные углы атаки (плюс разные ориентации крыла относительно земли).

Околонулевые углы используются либо при зарезании против ветра (кайт с краю, почти "чиркает" воду), либо при перенаправлении прыжка или при приземлении (кайт в зените). Это же положение, насколько я понимаю, аналогично "режиму флюгера" у парусов (в нём удобно пережидать штормовые порывы).

Более высокие углы, вплоть до прямого - при взлёте из центра окна, а также при кайт-лупах - когда нужно забрать сразу много энергии для последующего перенаправления или когда надо преодолевать большое сопротивление по ветру (например, при подъёме на гору).

Но я никогда не слышал об использовании симметричных профилей в кайтах, даже жёстких. Интересно, почему.

[biglebowsky.livejournal.com]

Re: Но я никогда не слышал об использовании симметричных профилей в кайтах, даже жёстких. Интересно, почему.

:-)
Кайт все время обдувается с "одной стороны" - ветер имеет компоненту, дующую со стороны строп. Если сделать симметричный жесткий профиль, то пользу от него можно будет извлечь только в одном случае: заменив стропы на штанги, способные работать не только на растяжение, но и на сжатие :-)

[jayrandom.livejournal.com]

Да, кайт всё время тянет. Проще перекинуть кайт на другую сторону (дать ему перелететь), чем городить жёсткость сцепления.

Пытаюсь понять, в чём же разница с виндсёрфером. Т.е. бывает ли так, что парус находится "с неправильной стороны" и всё равно работает (толкает вместо того, чтобы тянуть)? И, главное, зачем это нужно, если парус легко перебрасывается внутри вишбона.

[biglebowsky.livejournal.com]

Re: Пытаюсь понять, в чём же разница с виндсёрфером

Чтобы менять галс, нужен какой-то из следующих вариантов.
1) Симметричный профиль неизменной формы, способный обдуваться с разных сторон
2) Парус, способный выорачиваться наизнанку (виндсерфинг)
3) Парус, у которого передня кромка может начать работать задней (корабль с прямыми парусами)
4) Парус, который можно перевернуть вверх ногами (нижняя кромка станет верхней) - кайт, жесткие паруса неизменной геометрии с креплением по центру крыла по принципу дельтаплана.

Полагаю, что в 3D-мире ничего другого придумать нельзя.

[biglebowsky.livejournal.com]

Погорячился с цифрами в предыдущем комментарии.
Отредактированный вариант.

Двуслойность паруса в передней части, это - очень грамотное техническое решение. Собственно, именно так часто делаются паруса для виндсерфинга - мачта вставляется в очень "объемный" карман. Натянувшись, ткань образует очень симпатичный профиль.

Что же касается статьи.
http://www.wingsails.com/cetiri.html - автор пишет ахинею с точки зрения теории причины возникновения подъемной силы.
И ошибки в теории немедленно приводят к практическим результатам.
http://www.wingsails.com/text.html "Now a few words on downwind sailing": "An airfoil under a proper angle of attack to the wind (10 - 20 degrees, Bernoulli effect) will produce an aerodynamic force roughly twice the resistance force produced when the same airfoil is placed at a right angle to the wind (conventional downwind sailing)."

А вот фиг! Не в два раза больше, а приблизительно та же величина.

Пояснения.
Если бы крыло было бесконечного удлинения, то получилось бы даже в полтора раза меньше
http://biglebowsky.livejournal.com/12171.html

Но данные из графика надо пересчитать на разумные удлинения (3...6).
Cy_max почти не изменится и будет около 1,2
http://www.avmodels.ru/articles/struc/struc.html
http://www.aerospaceweb.org/question/aerodynamics/q0281c.shtml
http://www.aerospaceweb.org/question/aerodynamics/q0184.shtml

А вот Cх_max для этих удлинений существенно упадет, и будет не 1,8, как изображено на графике, а приблизительно те же самые 1,2
http://books.google.com.au/books?id=YxxDN7JLTcMC&pg=PA74&lpg=PA74&dq=drag+coefficient+plate+rectangular++normal+to+the+flow+%22aspect+ratio%22&source=bl&ots=Ws5H2Qi413&sig=cmXoumBxjIN-aL8uqIR43rw8YdI&hl=en&ei=A806S5P9F46A7QOL95j8BQ&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=7&ved=0CCYQ6AEwBg#v=onepage&q=drag%20coefficient%20plate%20rectangular%20%20normal%20to%20the%20flow%20%22aspect%20ratio%22&f=false