Een vergelijkend onderzoek naar de zeilprestaties van drie 10 meter WL IOR - jachten

Rapport No. 287

LABORATORIUM VOOR

SCHEEPSBOUWKUNDE

TECHNISCHE HOGESCHOOL DELFT

T

december 1970.

Een vergelijkend onderzoek naar de zeil-prestaties van drie 10m - WL IOR - jachten

door Ir. G. Moeyes

Inhoud blz. Inleiding 1 De drie modellen 2 Resultaten en diskussie 3

3.1. De vaart zonder helling en drift

3 3.2. De vaart aan-de-wind 5 Mogelijke verbeteringen 8 Konklusies 9 Verantwoording 10 Bibliografie. 11

1. Inleiding

iThj het instellen van de nieuwe IOR,meetformule deed de vraag zich gelden hoe, met beLoud van dezelfde meting, variaties in de rompvorra de prestaties

kunnen beinvloeden. Als grotendeels bepalend _{voor "prestaties" wordt}

daarbij de optimale vaart in-de-wind beschouwd. Uit _{de vele mogelijke} variaties werd die van de waterverplaatsing als belangrijke geselekteerd. Het opgezette programma omvatte drie raodellen met gelijke _{waterlijnlengte} en -breedte, waarvan de waterverplaatsingen zo zijn gekozen dat een zo groot mogelijk praktisch bereik ovvat werd.

De experimenten en de uitwerking daarvan zijn uitgevoerd _{volgens de in} het Laboratorium voor Scheepsbouwkunde gangbare

_{methode (zie [T). Ook}

een lijst van symbolen is in [1] opgenomen.

*) De nummers tussen haken _{verwijzen naar de bibliografie.}

2. De drie modellen

De waterlijnvorm (fig.1) _{en het bovenwaterschip van het moedermodel} zijn gehandhaafd voor de beide _{andere, terwiji het onderwaterschip} in diepte getransformeerd is door vermenigvuldiging met een konstante faktor. Vooral bij het zwaarste schip

leidde dit tot moeilijk verlopende einden, zodat deze bijgestrookt _{zijn. Wel zijn de vorm van de kromme van} spantoppervlakken (fig.1), de prismatische _{coëfficiënt en de ligging} van het drukkingspunt in lengte _{zoveel mogelijk gelijk gehouden.}

Dit alles betekent dat de romp met de grootste waterverplaatsing _{de grootste} diepgang en het grootste nat oppervlak heeft.

Het zeilplan is _{zo ontworpen dat de meting zonder}

schroef-motor en stabiliteitskorrektie voor alle drie schepen gelijk is, _{waardoor het} zwaardere schip ook _{meer zeil voert. De kielen zijn}

getekend (fig.2)

met

inachtneming van een voor alle modellen gelijke diepgang (ivm de

meting). Omdat de diepgang _{van de afzonderlijke}

rompen verschillend is

heeft het zware schip _{een relatief ondiepe lange kiel,}

het lichte een diepe korte. De effektieve

aspektverhoudingen, geschat als (T _{- TH)2}

AR - 2

e

LAkiel

-2

variëren daarom ook. Zouden de aspektverhoudingen

voor alle drie kielen gelijk ge-houden zijn dan _{zou ivm de konstante diepgang}

het kieloppervlak van het zware schip veel te klein zijn

met betrekking tot het zeiloppervlak. De roeren zijn qua vorm en afmetingen

voor alle drie konfiguraties gelijk. (zie fig. 2).

De belangrijkste afmetingen

en verhoudingen zijn _{voor de drie modellen} ge-geven in tabel I. De daar

gehanteerde modelnummering zal in het rapport aangehouden worden.

De bErekende krommes van armen en van de momenten _{van statische stabiliteit} zijn gegeven in fig. 3 en

_4.

_{Met de stabiliteitsmomenten}

kunnen de stabiliteitskorrekties in de meetformule

voor schip I, II en III be-rekend worden als

3. Resulten en diskussie

3.1 De vaart zonder helling en drift

De weerstandskrommes van de schepen I, II _{en III, rechtop en zonder} drifthoek varend, zijn gegeven in respectievelijk fig.

_{5, 6}

_{en 7.}

De totale weerstand, in kg _{per ton waterverplaatsing van de romp}

is op basis van het Froudegetal _{voor alle drie schepen getoond in}

fig.

8.

_{Hoewel het zwaarste schip absoluut de}

grootste weerstand heeft

blijkt de weerstand _{per ton waterverplaatsing kleiner te zijn.}

Een scheepsvorm kan _{, afgezien van het lijnenplan, zeer redelijk door} een aantal afmetingen en krommes vastgelegd worden zoals

lengte LDWL breedte BDWL diepgang TH waterlijnoppervlak _A WP grootspantoppervlak AM kromme van spantoppervlakken

CSA

De belangrijkste eigenschappen _{qua weerstand en ( tesamen met massa en}

massatraagheidsmoment) bewegingen _{zijn door deze grootheden vastgelegd.} Een verdergaande vereenvoudiging _{is mogelijk, waarbij b.v.}

de kromme van spantoppervlakken door de waterverplaatsing,

de prismatische coëfficiënt en de ligging van het drukkingspunt

bepaald wordt. Wordt deze vereen-voudiging verder doorgevoerd dan kunnen uiteindelijk onderling onaf-hankelijke verhoudingen

en coëfficiënten geselekteerd worden die samen met de snelheid bij _{een zeiljacht invloed kunnen hebben op de weerstand}

per ton waterverplaatsing RT = -F. IL,

''

la

'

WL LDWL BDWL A1/3' BDWL , T n n , Cp, Cwp,LCB/LDWL) (3.1.1) AH

k'

Hierbij wordt verondersteld _{dat het nat oppervlak een redelijk eenduidige}

1/3

funktie van LpwL/AH , _{LpwL/Bpwl, en BpwL/TH vormt,}

evenals de intreehoek van de waterlijn een funktie _{van LpwL/Bpwl, en Cwp,}

O

De grootspantcoëfficiënt kan bovendien samengesteld worden uit

AH 1 LDWL1/3\3 / 2 BDWL C - = x X M CP x LDWL x BDWL x TH cP llOWL/

VDWL

TH (3.1.2.)

Wordt bij konstante snelheid de weerstand per ton waterverplaatsing voor de dije onderhavige modellen beschouwd dan kunnen de verschillen volgens

1/3

(3.1.1) slechts het gevolg zijn van de invloed van LpwrpH en BpwL/TH.

De andere grootheden zijn immers,afgezien van LCB/LpwL, geheel of nagenoeg

gelijk. De afnemende lengte-deplacement en breedte-diepgang verhouding

veroorzaken bij een identieke waterlijnvorm dus een afname van de weer-stand per ton waterverplaatsing. Anders gezegd : de rompgedeeltal die diep

onder de vloeistofoppervlakte toegevoegd worden veroorzaken relatief

minder weerstand dan de gedeelten dicht bij dat oppervlak.

Vergelijking van de weerstand zonder helling en drift heeft voor een zeiljacht

minder waarde als daarin niet het zeiloppervlak betrokken wordt. Daarom

is de snelheid-voor-de-wind uitgerekend volgens de methode uit [1]§ 7.1. en getoond in fig. 9. Het blijkt dat de verschillen minimaal zijn. Slechts als de windsnelheid groter is dan

6 á

7 m/sec. lijkt het lichte schip I enige winst te behalen.

3.2.

De vaart aan-de-wind

De proeven onder helling en drift zijn uitgewerkt volgens de in

[11,

7.2.

beschreven methode. Uit de resultaten, uitgezet in fig, 10, blijkt dat

model I (het lichte schip) over het geheel een 1 á 2% grotere

snelheid-in-de-wind behaalt. Dit niettegenstaande de hogere weerstand per ton

waterver-plaatsing van model I (zie§ 3.1).

Een verklaring kan gezocht worden in een gunstigerverhouding tussen hellend moment en stabiliteitsmoment of een gunstiger kielvorm. Het hellend moment

is bij gelijke schijnbare-windsnelheid evenredig met het effektief

zeiloppervlak en met de afstand tussen effektief zeilpunt en het

aangrijpings-punt van de kracht op het onderwaterschip.Over dit laatste is weinig bekend maar

i.v.m. de verdeling van dwarskrachten over kiel, roer en romp (de eerste

levert verreweg de grootste kracht) en de belastingsverdeling over de kiel

zelf lijkt de aanname van een punt op de halve diepgang redelijk (strikt genomen zou dit punt ook afhankelijk van de hoogte of spanwijdte

van de kiel moeten zijn).

Wordt het hellend moment op model II op 100% gesteld dan zijn de beide

andere als aangegeven in tabel II. Ook de berekende stabiliteitsmomenten zijn hier als percentages aangegeven.

tabel II

Hellende en stabiliteitsmomenten als percentages (model II is 100%).

Uit tabel II blijkt dat model I een iets gunstiger verhouding _tussen hellend en oprichtend moment kan hebben, waardoor een gedeelte van de winst verklaard zou worden.

moment model I model II model III

hellend ₈₉ 100 106

stabiliteit bij (I)= 10°

₉₃

_ioo

106

stabiliteit bijcp,=..

200

90 100 106

-6

Een ander gedeelte moet ontegenzeggenlijk toegeschreven worden aan de gunstige (grote) effektieve aspektverhouding en de langere achterrand

van de kiel van schip I.

Theoretisch geldt voor een profiel dat een grote effektieve aspektver-houding bij gelijkblijvende dwarskracht en snelheid een kleinere

drift-hoek geeft als het lateraal oppervlak gelijk blijft,of een kleiner

oppervlak noodzakelijk maakt als de drifthoek konstant gehouden wordt [2]. In het eerste geval wordt de gelnduceerde weerstand van de kiel kleiner, in het tweede vermindert voornamelijk de wrijvingsweerstand.

De langere achterrand geeft een vermindering van de gelnduceerde

weer-stand. Bij de drie jachten zijn de verschillende invloeden echter moeilijk te scheiden omdat romp, kiel en roer elkaar onderling

be-invloeden, terwijl de romp zelf moeilijk als een (effektief) profiel

gezien kan worden. Ook de grootheden oppervlak, drifthoek, aspektverhouding

en de lengte van de achterrand verschillen alle per schip op een niet systematische wijze. Het gezamenlijk effekt kan evenwel gedemonstreerd worden door de totale weerstand bij gelijke snelheid _{en dwarskracht te} vergelijken. Daartoe is deze voor een helling (P.=

200

bij een snelheid

vs =

3.57

m/sec. en een dwarskracht van 555 kg in tabel III gegeven,

evenals de drifthoek en de hoeken tussen de baan _{en de schijnbare en}

werkelijke wind in die toestand.

tabel III

Weerstand bij(i) =

20°,

vs

= 3,57

m/sec. en FHcosq) =

555

kg.

Uit de laatste waarden is duidelijk dat _{een effektievere kiel het schip}

hoger aan de wind zal laten varen.

model 1 _{model II model III}

RTs(1) 182 kg 197 kg

208

kg FH / RTO

3.05

2.82

2.66

5.550

5.580

_5.15°

o

°

o $ +r3aw

27.5

28.8

29.9

13 + ßtw

38.7°

40.4

o

_42.1

o

O

Het behoeft geen betoog dat de grote kieldiepte een drekt gevolg is van de

kleinere waterverplaatsing en daardoor kleinere rompdiepgang.

De drifthoeken in de optimale konditie zijn te vinden in tabel L7.

tabel IV :

Drifthoeken bij optimale vaart aan-de-wind. (in graden)

De verschillen zijn zo klein dat op grond hiervan niet over superioriteit van een der schepen gesproken kan worden.

Een vergelijking van de prestaties van de drie beschouwde jachten _t.o.v.

een aantal andere schepen is te zien in fig. 11 waar voor drie standaardwind-snelheden de dimensieloos gemaaktesnelheid-in-de-wind ditgezet is op de

waterlijnlengte. De Romeinse cijfers _{geven de modelnummers aan. Wel moet} opgemerkt worden dat de meting van de verschillende jachten niet is ver-werkt in deze vergelijking.

windsnelheid model I model II model III

3.5

m/sec.

3.6

_3.5

_3.0

7.0

m/sec.

4.6

_4.8

_5.0

4.

Mogelijke verbeteringen

Op verzoek van de ontwerper is nagegaan of schip I mogelijk nog te verbeteren

zou zijn. Het bleek dat kleine veranderingen in het achterschip boyen water en in de afronding van de voorsteven de meting omlaag brachten.

Op zich hebben deze veranderingen geen invloed op de zeilsnelheid. Ook kan daardoor bij behoud van de oorspronkelijke meting het zeiloppervlak vergroot worden. Hoe deze prestaties doorwerken in de snelheid-in-de-wind

is te zien in fig.12 en 13. De snelheid-in-de-wind van het oorspronkelijke schip I en de kombinatie van romp I met het zeilplan van II (een

ver-groting van het effektief zeiloppervlak met

_{8.7 %)}

zijn tegen de windsnelheid

uitgezet in fig. 12. De snelheid-voor-de-wind is in fig. 13 weergegeven.

Aan-de-wind geeft een vergroting van het zeiloppervlak beneden een wind-snelheid van ongeveer 8 m/sec. (windkracht Beaufort )4

á 5

) een verbetering van maximaal ruim

1.5 %

in de snelheid-in-de-wind ; Daarboven is méér zeil ongunstiger .

Voor-de-wind geeft het grotere zeiloppervlak over het gehe2e gebied een verte'cering van ongeveer 2% in de snelheid.

Evcreens bleek dat eco :Lets dieper inzinken de meting kleiner maakte, zodat de mogelijkheid geopend werd ballae hi te

De ruimte boyen in de kiel laat toevoegen _{van 346 kg ballast (dit is 10%} van het oorspronkelijke gewicht) toe, waarna het schip 1.8 cm dieper in zal zinken. Voor dergelijke kleine inzinkingen _{kunnen de weerstand} en dwarskracht met eco redelijke nauwkeurigheid uit de oorspronkelijke

proeven berekend worden met inachtneming van de gewijzigde waterver

-plaatsing, waterlijnlengte en stabiliteit. _{Deze waarden zijn voor de}

extra geballaste romp I, uitgerust met het grotere zeilplan _{van schip}

II, uitgewerkt in fig.12 en 13. Aan-de-wind blijkt _{deze kombinatie de} ongeballaste bij hogere windsnelheden zodanig te _{verbeteren dat de}

prestaties daar het oorspronkelijke ontwerp _{van schip I weer evenaren.}

Samenvattend geeft vergroting van het zeiloppervlak _{en bijstorten van ballast}

een verhoging van de snelheid-in-de-wind voor windsnelheden tot ongeveer gm/sec. (Beaufort

5).

In welke mate de meting verandert _{en invloed heeft op} het wedstrijdresultaat is hier niet beschouwd.

9

5. Konklusies.

Bij behoud van dezelfde waterlijnvorm kunnen bij afnemende

waterver-plaatsing de volgende konklusies getrokken worden.

1.De armen van statische stabiliteit nemen voor kleinere hoeken toe.

2.Bij eveneens gelijke prismatische coefficient en ligging van het drukkings-punt in lengte neemt de weerstand per ton waterverplaatsing af als de

lengte-deplacement verhouding LDWL/Au1/3 en de breedte-diepgang verhouding

BDWL/TH afnemen.

3.De kleinere rompdiepgang maakt bij konstante totale diepgang een gunstiger kielontwerp (aspektverhouding en diepte) mogelijk.

Algemeen geldt

4.Grotere stabiliteit en een kiel met _{een gunstige lift-weerstand verhouding}

verhogen de snelheid-in-de-wind.

6. Verantwoording

Het initiatief tot het hier gerapporteerde onderzoek is genomen en uitgewerkt

door de Werkgroep Jachten, waarbij Ir. J.J. van den Bosch als coördinator optrad. De Heer W. de Vries Lentsch Jr. tekende de ontwerpen, terwijl de modellen gefabriceerd werden door de Jachtwerf Fa. Gebr. Maas te Breskens.

10 9 8

E7

0.) 3 2 1

Model III

Mosel

I

Model. I

(1) ips

gr.

Fig. 4

: Momenten

van

statische

stabiliteit.

o ₁₀

₂₀

1.0

0.5

0 0 _{1 0}

Model I

Model IL

Model III

1

Fig.3

: Armen

_{van statische}

_stabiliteit

c7.

Model. I

Model IC

10.00

THIEME 012

NACA 632A015

LC). C.4 V

y

10.00 10.00 1.79 .4 2.10

NACA

_{6q2 A015 rn}

-3111 A LO

Fig 2 ; Kiel

roer

konfiguraties

_{van de drie modellen.}

NACA 632 A015

vo

CNi

/1,

100

0

50

o o

DWL

44N4461166,DWL

APP

_Ordinaat

_FPP

Fig.1

:

Kromme van spantoppervlakken

en

ontwerpwaterlijn.

1 _{2 3 4 5 6}

tabel I

Belangrijkste afmetingen en verhoudingen.

Symbool omschrijving _eenheid

model 1 II 11 LDWL waterlijnlengte m _{10,001 10,001 10.001} BDWL waterlijnbreedte

m

_{3.210 3.210} 3.210

BX

MA maximum breedte

m

3,66 _{3.66 3.66} TH diepgang romp

m

_{0.638 0.792 1.018} T _{diepgang totaal} m _{2.15 2.15 2.15} A deplacement totaal _1000kg 8.207 _{9.759 11.443} AH deplacement romp 1000kg 7.680 _{9.211 10.670} LDWL

/AH1/3 lengte-deplacement yerhouding 5.07 4.77 4.54

BDWL /TH LCB

breedte diepgang verhouding

drukkingspant in lengte

5.03 4.05 3.15

C (achter grootspant)

m

_{0,26 0.26}

0.34

P

prismatische coëfficiënt romp

0,566 0.572 0.566 zn s gewichtszwaartepunt onder DWL

m

_0.25 0.39 0.52 BR ballastverhouding 0.421 0.474 0.515

S _{totaal nat oppervlak 2}

32.01 32.83 34.76 I hoogte voordriehoek _m 15.34 16.01 16.36 J basis voordriehoek _m 5.16 5.38 5.50 SA

gb geometrisch zeilopp. aan-de-wind m2 _65.69

71.38 74.52

SAeb effektief zeilopp. aan-de-wind m22 _64.92

67.77 z

CE

e effektief zeilpunt boyen DWL m 6.60 6.87 6.95

SAed effektief zeilopp. voor-de-wind m2 _154.34

167.85 175.30

b

kielhoogte (span) _m

1.51 1.36 1.13

C

gemiddelde koorde kiel

_m

1.79 2.10 _2.23

ARe effektieve aspektverhouding kiel _1.69

1.30 1.01

R

rating (met EPF=CGF=1.0) _voet

7. Bibliografie

G. Moeyes

Het meten van de zeilprestaties van jachten door middel van modelproeven. Laborataium voor Scheepsbouwkunde T.H. Delft. Rapport no. 286.dec. 1970.

J. Gerritsma

Lift en weerstand van draagvlakken met kleine slankheid.

350

300

250

200

_x

cr

150

100

50

O

0V

2

v-0.25

Fn

m/sec. 3

0.30

0.35

0.40

Fig 5 ; Weerstand schip I, rechtop

en onder helling

met drift.

,

Optimale

vaart

4) =

30°-4=20°

,

4)=10°-\

Rest weerst3.

n.1:

---A

4)=0°

_---_

Wrijv ngsweerstand

350

300

250

200

cr)

fx

150

100

50

O

0.20 Fn

0.25

0.30

0.35

0.40

Fig. 6; Weerstand schip E, rechtop en onder helling met drift.

Opti male vaart

(I) =

30°

(I) =

20°

/

0 =

/

100

-

..---Rest

weerstarld,-- ...---A

4)

=0°

_---

..---Wrijvingsweerstand

O 2

_Vs

m sec.

3

4

350

300

250

200

100

50

O

Fig.7, Weerstand schip 11,rechtop

_{en onder helling met drift.}

Optimale vaar

.

4)=300

i

0=200

,

4)=10°

Restw ers_tárli.

---4)=0°

---

---Wrijvingsweerstand.

0

2

Vs

m sec.

₃

₄

0.20

0.25

Fn

0.30

0.35

0.40

CY) C -X

20

u-)

35

30

25

15

10

5

o

Fig 8; Weerstand

per ton

waterverplaatsing van de romp

I

I

I

Model I

Model E

/

Modell

/

,

o

0.1

0.2

0.3

Fn

2

0

0

Fig 9

:

Snelheid voordewind ;

drie

modelten.

z/

Model III

Model IE

Model

I

/

1 2

Vs ... m/sec.

3 4

1 2 11 10 9 8

o

In E 7 5. 4 3 2 1 o (1) = 300 1

Model I

Model 71

Model

111-1-I

i

,

=20°

,

/

/

=10"

/

//

Z

o 1 2 ₃

Vmg --i m/sec

0 3

0.2

0.3 0.2 0.3

0.2

O o

Vt

w =10.0 m/sec.

o

Vtw =7.0 m/sec.

o

8

Vtw =3.5 m/sec.

o

e

o

o

o

5 10

L DWL

m

15

12 11 10 9 5 4 3 2 1 o

0.30e

Oorspronkelijk

schip-romp met meer

zeil.

bijgestort

en

zeil

vergroot.

Oorspronkelijke

Ballast

(I)=

20°

(to= 100

r

o 1 2 3

Vmg --a

m/sec.

Fig 12 ;

Optimaie

vaart aande wind :

varianten

van

model I

8

tn

E

9 8 7

o

6 E 5 4 3 2

/

/

,

/

Oorspronkelijke

schip.

romp met

vergroot

bijgestort

en

vergroot

OorspronkeLijke

zeiloppervlak

Ballast

zeiloppervlak

/

/

,Z

z

.,.. ._ 1 2 3 4

Vs --3° m/sec.