So schafft der wind die kraft im segel

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H. J. Gerhardt

Simulation der natUrlichen

Windström u ng

Durch die S?romung der

Luft über der Erdoberfläche

entsteht Reibung, die die Un-teren Luftschichten

gegen-über den oberen zurückhält.

,

Untersuchungen von Bese-gelungen im Windkana?

wur-den bisher nur als

Grund-satzversuche durchgeführt,

daB heiI3t, man erforschte

systematisch verschiedene

Einflüsse auf die

Vortriebs-kraft (zurn Beispie!

Fockleit-winkel, Segelstreckung, Ober?appung). Es wurde

dabei immer auf die unzurei-chende Obertragbarkeit von

Modellversuchs-Ergebnissen auf die Gro?3ausfuhrung

hin-gewiesen, die auf die

man-gelnde Ahnlichkeit zwischen

Modelisegel und groBem

Se-gel in bezug auf den Schnitt, die Elastizität und

strukturel-le Feinheiten zurückgefUhrt

wurde. Es schien also n!cht rnöglich zu sein, elnen

opti-malen Segelschnitt für die Gro3ausfUhrung aus Model!-untersuchungen rn Windka-nal zu entwicke!n.

Die Begrundung der

unzu-reichenden Ubertragbarkeit st physikalisch keineswegs befriecilgend. So st es

sicherlich mog!ich, bei

sorg-fàltiger Herstellung den

Schnitt und damit die

Wöl-bung elnes Segels genau auf

das Model! zu übertragen.

Elastizität und Struktur des

Materials können allein nicht die beobachteten

Diskrepan-zen zwischen Model?- und Originalsegel hervorrufen. Der Unterschied zwischen

glatter, gleichförmiger

Wind-kanalstromung und dem in

der Natur beobachteten

Windprofil erschien uns

da-gegen von wesentlich

grä-Berer Bedeutung.

Dieser bisher nicht

beach-late Aspekt so!? rn folgenden untersucht werden. Urn einen Eindruck vorn Einflul3

ver-sch I edener Anströmbed i ng

un-gen zu erhalten, wurde

zu-nächst em Metallsege! in

glauer Windkana?strömung

und in einem irn Windkanal

simulierten Windprofil ver-messen. Die Ergebnisse Wa-ren so vielversprechend, daB die Experimente an

Mode??-segeln aus Stoff wiederholt

wurden. Die Model?segel

wur-den von der Firma Gaastra in Sneak/Holland zur

Verfü-gung gesteilt.

Lab. v. Scepsbouvkund

1echisdie iIogeschoot

GenaPcLt

entspricht. Abb.1 zeigt das im Windkanal simu-lierte Windprofil. Als Ver-gleich dienen em von

Mar-chaj (2) gegehenes

Windpro-fil für mittleren Seegang und mit einer

Windgeschwindig-keit in 30,5 m Höhe

_{Vc = 10}

kn sowie em von Jensen und Franck (4) über elner Rasen-?andschaft gemessenes

Windprofil. Aus der

Grenz-schichts-Forschung 1st

be-kannt, daB mit abnehmender Rauhigkeit und abnehmender Geschwindigkeit auBerhalb der Grenzschicht das Ge-schwindigkeitsprofi? vö??iger

wird.

Das simulierte

Wind-profiT entspricht demnach

den natürlichen

Verhä?t-nissan bei ruhiger See und

einer Geschwindigkeit

Vo

von etwa 4 kn.

Rauhe Oberflächen, wie zum

Beispie? die

Meeresoberflà-che, bewirken aul3erdem elne Ablenkung grol3erer Luftvo-lumina, die zu einer

intens?-yen Durchmischung der

erd-nahen Luftschichten führt. So?che Strornungen sind in

der Aerodynamik als

turbu-lente Grenzschicht-Strörnuri-gen bekannt. Sie stellen

amen sehr komplexen Vor-gang dar, be! dem sich das Luftvolurnen auf

ungeordne-ten Bahnen bewegt. Uber die klassische turbulente Grenz-schicht-Stromung liegen zahi-reiche Untersuchungen vor.

Die erdnahe

Grenzschicht-Strömung unterscheidet sich

in mehreren Punkten von den

klassischen, von denen die

wichtigsten der EinfluB der

ört!ichen

Oberf?ächenrauhig-keit auf das Windprofil und

das sehr breite

Turbulenz-spektrum sind. Jensen und Franck haben die natür?iche

Windströmung für versohie-dene Oberf?ächenarten ge-messen.

Urn die gemessene

Wind-strörnung im Windkanal der

FH Aachen zu simulieren,

wurden geeignete Oberflä-chenrauhigkeiten und

Turbu-1) Oars fe/lung der relativen Windgeschwindigkeit in

Ab-hängigkeit von der Höhe

Uber dam Meeresspiegel,

bzw. über dam Erdboden

lenzgitter stromauf der

Me13-strecke eingebaut. Kann die durch die Rauhigkeiten ent-stehende turbulente Grenz-schichi über eine genügend

lange Strecke ,, naturlich

wachsen", erhält man in der

MeBstrecke eine Geschwin-digkeitsvertei?ung die der der WindstrOmung mit groBer

Versuchsaufbau:

Die Versuche wurden im

Niedergeschwindigkeits-Windkanal

der FH Aachen

durchgetührt. Tn der offenen

MeBstrecke, die einen Durch-messer von 1,1 m hat, wurde

elne Grundplatte so an der

'Naage aufgehangt, daB die

Windquerkraft C, die

senk-recht zur Strärnungsrichtung

wirkt, und die

Windwider-standskraft D in

Stromungs-richtung gemessen werden

konnte. Zur Untersuchung des Metallsegels wurden

Mast und Sage? auf der

Grundp?atte befestigt. Durch Anderung der

Grof3schot-stellung wurde der

Anstell-winkel a, der hier gleich dem Kurswinke? zum

schein-baren Wind j

1st, variiert.

Die Wö?bung des

Metalise-gels betrug 1/25, das

Seiten-verhältnis 1 = 5. Das

Sei-tenverhältnis ist definiert als das Quadrat der Sege?hohe H. dividiert durch die

Segel-fläche A, d. h.

H32 A3

Bei den Messungen an

Stoffsegeln wurde grofler

Wert darauf ge!egt, die

na-türlichen Bedingungen

mög-?ichst genau zu sirnulieren.

So wurden die Sega? in Var-bindung mit einern Bootskör-per auf der Grundplatte be-festigt. Als Bootskorper

dien-te em 1:20 Mode?? der

Ar-pège mit rna(3stàb?ichem Rigg. Es wurden zwei Sage? unter-sucht: Segel A, sehr flach

ge-schnitteri und Sage? B,

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Durch Unterlegen von

keil-förm)gen Holzklötzen, die auf der Luvseite entsprechènd

dem Rumpf der Arpège

ge-formt waren, konnten ver-schiedene Kràngungswinkel

( = 0, 5, 10, 15, 20, 250) si

muliert werden. Abb. 2 zeigt

das Modell rn Windkanal bei /1 = 00.

Die Geschwindigkeit der

ungestörten Anstromung

be-trug bel den Metailsegein vc'o

= 30 rn/s und bel den

Staff-segeiri v

= 20 mIs. Dies

entspricht unter Beachtung

der aerodynamischen

Ahn-Iichkeit, d. h. Reynolds-ZahI

2) Die einzelnen Messungen wurden unter verschiedenen Krängungswinkeln wiederholt

Re = const., einer

Ansträ-mung der Grol3ausfuhrung

von etwa Vc = 7,4 kn bzw.

4,8 kn. Die Temperatur der

Luft betrug im Windkanal etwa 450 C.

Ergebn isse:

Es 1st üblich, die gemes-senen Kräfte in Beiwertform

auszudrücken. Hierzu werden

5 die Kräfte durch den

Stau-druck der Anstromung und

die Modellfläche geteilt:

C

pI2

v2 A beziehungsweise D Cl) = p12 . v2 A

(p und v auf Index c'.

bezo-gen)

Trägt man den Querkraft-Beiwert C( über dem

Wider-stands-Beiwert C für

ver-schiedene Ansteliwinkel u

auf, so erhält man das Polar-diagramm. Da sich die Form

3) Polardiagramm des Metal!-GroI3segels in glatter

Strö-mung (I) und in simulierter

Windstromung (II)

der Polare bei

unterschied-lichen Kurswinkeln nur wenig ändert, wurde sie für

die Stoffsegel

nur für

je-wells v. = 500 _ermittelt.

Aus den Polaren kann bei

bekanntem

'

die Vor-triebskraft und die Krän-gungskraft bestimmt werden.

Es st nämlich der

Vortriebs-kraftbeiwert

CR = C0 Siny., CD Cosy

und der

Krängungskraft-Bei--wert

C1 = Cccosy + C/)sinyj

Für elnen Vergleich zweier Segel 1st dagegen das Polar-diagrarnrn anschaulicher, zu-ma) be) leichten Winden und nur soiche wurden hier

simuliert

und für Winkel

I.

I.

-I

4) Polardiagramm des GroB-segels mit Genua (Metal!) in glatter Strömung (I) und in s/rn ulierter Windstromung (II)

y.i > 300 die maximale Vor-triebskraft etva im Maximum

der Polaren erzielt wird.

a) Metatisegel

Bei glatter Stromung wird

das Maximum der Polaren

bei a = 26° erreicht.

Ahn-lithe Werte werden

in der Literatur gegeben. Dage-gen lehrt die Erfahrung,

daB die maximale

Vortriebs-kraft bei etwa a = 40°

auf-tritt. Für das natürliche Wind-profit wird das Maximum der

Polaren bei a

37°

ge-messen, einem Wert also, der

sehr gut mit der Erfahrung

Ubereinstimmt.

Eine àhnliche Verschie-bung des Maximums zu

einem gröl3eren

Ansteltwin-kel zeigen die Messungen an einem Grol3segel mit Genua.

Für beide Anströmformen ist der Anstellwinkel beim

Maxi-mum der Polaren geringfügig

höher als die entsprechende

Messung am Grol3segel allein. Dies st physikalisch erklärlich, da durch die

Genua die Stromung an der

Leeseite des GroBsegels

be-schleunigt wird und dadurch

die Strömung bel

gröl3eren Anstellwinkeln ablöst.

Es 1st deutlich, daB

Messungen in glatter

Strö-mung die Vortriebskraft bis

zum Erreichen des Maxi-mums der Polaren

Uberschät-zen. Offensichtlich ruft die, verglichen mit der glatten

Stromung, niedrigere

Wind-geschwindigkeit besonders in

der Nähe des Unterlieks die

geringere Vortriebskraft bei

natürlichem Windprofil

her-vor. Nach Uberschreiten des

Maximums der Polaren nimmt dann, da die Stromung

an der Leeseite des Segels

sehr früh ablöst, die

Wind-querkraft ab bel

gleichzeiti-ger VergröBerung des

Wider-standes. Diesen Zustand

be-zeichnet man in

der

Trag-flQgel-Aerodynamik als

,,über-zogen.

b) Stoffsegel

Die Messungen an Modell-segein aus Tuch bestätigten

die Ergebnisse, die an

Me-tallsegeln gewonnen wurden.

Bei alien untersuchten

Krän-gungswinkeln wurde das Maximum der Polaren im na-türlichen Windprofil bel gröl3eren Anstellwinkein a

erreicht als in glatter

Windka-nalströmung. Bei aufrechtem

v.cur 1/75

Segel, d. h. Krängungswinkel

11

= 0, beispielsweise

er-gaben sich folgende Werte: Segel A: a max, glatt = 20° a max, Windprofil 30° Segel B: a max, glatt = 30° a max, Windprofil = 40°

Für beide Anströmarten

er-reicht Segel B die maximale Vortriebskraft somit bei

grä-3erem Ansteliwinkel a als Segel A, was volikommen mit der Erfahrung übereinstimmt,

dal3 em flach geschnittenes

Segel nur für Kurse hart am Wind geeignet ist. Allerdings

flatterte in glatter

Anströ-mung das Segel A bis etwa

a = 20° so stark, daB der

Widerstand nicht ermittelt

werden konnte, wohingegen

Segel B auch bei

kleineren Anstel!winkeln ruhig stand.

DaB em bauchiges Segel bei

kleinen Ansteliwinkeln

weni-ger flattert als em flach

ge-schnittenes, widerspricht I

:

5) Polardiagramm zweier Ste ff-Grol3segel A und B bei eTher Krangung von 1 = 50 in glatler Stromung (A f/aches Segel, B bauchiges Segel)

aber offensichtlich Beobach-tungen an Yachtsegeln. Bei

der Untersuchung in

natür-iicher Windstromung war

da-gegen für a = 15° an

beiden Segeln kein Fiattern

festzuste ten.

Sowohl in glatter als auch

in natürlicher Stromung

er-weist sich das Segel A für

kleine Ansteliwinkel - bis a

= 20°, bzw. a = 30°

dem

Segel B überlegen.

Interes-sant 1st allerdings, da3 die

Messungen in glatter

Strä-mung diesen Unterschied

stark überschätzen. So st in S

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6) Polardiagramm derSegelA

und B bei airier Krängung

von 5° in .simulier(er Windströmung

natürlicher _Windstromung

das flache Segel A im

un-teren _{AnsteJ(wjnkelBerejch}

nur geringfügig _{besser als}

das bauchige Segel B, für a

3O dagegen 1st das S3gel B

eindeutig besser.

Segel B erweist sich also

als das welt bessere

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-132

7) Polardiagramm der Sage/A

und B bei amer Krängung von fi = 200 in glatter

Stromung

das man aus den Messungen

in glatter Strömung nicht

ge-winnen kann.

Einflut3 der Krangung

Bef Messungen für

=

20° 1st die Tendertz der

Un-tersuchung in glatter

Wiridka-na!strömung die gleiche wie

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6) Polardiagramm der Sage/A

urid B bei einer Krängung

von = 20° in simulierter

Windstromung

für fi = 5°: Für a < 20°

er-weist sich Segel A dem Se-gel B deutlich Uberlegen, für

a> 25° 1st Segel B wirkungs-voller. Dem widersprechen die Messungen in natürlicher

Windstromung. Schon für a =

20° findet man für Segel B

eine grol3ere Vortriebskraft als

für Segel A. Die durch

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9) Polardiagramm des Se gels A in simulierter Win dströ-mung für verschiedene Krängungswinkel

die Verdrãngungswirkung des Rumpfes beschleunigte Luft beaufsch!agt

den FuB des

bauchigen Segels

offensicht-lich besser als den FuB des

flachert Segels.

Diese Uberlegung wird

durch Messungen bel Krân-gungswinkeln fi = 5, 10, 15,

20, 25° bestatigt. Die Wirkung

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_{UND BOThBA}

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2 Was/el baA Hamburg _{Neuer Yoh/llafofl}

PoztfaCh362.Thf 0 4103/27 19 Bcsuthen Ste uns out der boot '75, _{Düsseldorf, Stand 12024/12027}

10) Polardiagramme des

Se-gels B in simuUerter

Wind-strömuag für verschiedene Krängurigswinkel

des Segels A nimmt für alle Ansteliwinkel mit

zunehmen-der Kràngung merklich ab.

Dagegen erweist sich das bauchige Segel B als weniger empfiridlich gegen

Krangung. Zwar nimmt auch

hier die Vortriebskraft mit an-wachsendem 5 ab, aber nicht so stark wie für Segel A.

hältnisse könnte das

simu-lierte Windprofil entspre-chend modifiziert werden.

Die Ergebnisse der vorlie-genden Messungen decken

Literatur

Marchaj, C.A. :,,

Yachtsegel-forschung in England',

YACHT 21/70;

Marchaj, C.A. S.,, Segeitheorie

und -praxis', Verlag Delius,

Kiasing + Co, Bielefeld, 1971; Sch!ichting, H.: ,,Grenzschicht

Theorie, Verlag G.

Braun, Karlsruhe, 1965;

M. Jensen und

N. Franck:

,,Modell-Scale Tests in

Tur-bulent Wind',

Part The

Danish Technical Press,

Co-penhagen, 1963;

Hoffmann, E.,, Untersuchung

des Einflusses des

natürli-chen Windprofils bel

Messun-gen an Modellsegeln",

lrtge-nieur-Arbeit, FH Aachen, Flugzeug- und Triebwerkbau,

1974.

sich weitgehend

mit

Beob-achtungen an Yachtsegeln.

Es scheint daher möglich zu

sein, nicht nur

Grundlagen-studien an Modeilsegein zu

betreiben, sondern auth

einen Tell der

Neuentwick-lung von Yachtsegeln

in

-kostensparenden -

Model!-versuchen im Windkana!

durchzuführen, wie es schon

seit Jahren erfoigreich im

Automobil- und Flugzeugbau praktiziert wird. Ferner können uriterschied!iche

Vor-segelkombinationen auf ihre

Wirksamkeit bei vorgege-. benen Windverhältnissen un-tersucht werden.

Es sei hier nur am Rande

vermerkt, daB polynesische Segel in bezug auf den natür-lichen Wind em Optimum

darstellert: Die gröl3te

Segel-fläche befiridet sich dort, wo

auch die gröBte Windge-.

schwindigkeit und damit die

groBte Druckdifferenz zwi-schen Lee- und Luvseite auf-tritt. Soliten

also die

Poiy-nesier durch natürliche

Be-obachtung der natürlichen Verhältnisse zu denseiben Erkenntnissen gekommen sein,

urid das lange, bevor

der erste Windkanat in

Be-trieb genommen wurde?

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Anschrif I

Iniormcren Sin sch

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über den MONARCH

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133

Zusammenfassung

Es konnte gezeigt werden,

daB das Geschwindigkeits-profil der Anstromung bel Untersuchungen von

Model!-segeiri im Windkanal elnen

groBen Einflul3 auf die Ergeb-nisse der Kraftmessungen

hat. Dieser Einflul3, der

bis-her in der Yachtsegelfor-schung nicht berücksichtigt wurde, scheint bedeutend wichtiger zu sein als die Einhaltung der Ahnlichkeit zwischen Modeilsegel und

Gro3ausfuhrung in bezug auf Elastizität und strukturelle Feinheiten des Segeltuches.

Für erste Versuche in

si-mulierter natürlicher Wind-strämung diente em

Ge-schwindigkeitsprofil, wie es

für Gebäude

(aerodynami-sche Versuche an

der FH

Aachen) benutzt wird.

Dieses.simulierte

Windpro-fil stimmt gut mit in der Literatur gegebenen Wind-profilen in der Natur überein, wenn man ruhigen Seegang

und nur leichte Winde