Bepaling van de hydrodynamische coëfficiënten van roeren met flappen

BEPALING VAN HYDRODYNAMISCHE COFFFICIENTEN VAN ROEREN MET FLAPPEN.

Rapportnr. 484

R. Onnink Juli 1979

Deift University of Technology Ship Hydromechanics Laboratory Mekelweg 2,

2628 CD Deift The Netherlands PhoneOl5-786882

INHOUD.

Voorwoord.

ProefopsteÏling.

Meetprocedure en berekenïngen.

Resultaten en enkele conclusies. 4.1. Liftkarakteristieken.

4.2. invloed van de spleet op de liftcoëfficient.

Liftresuitaten met negatieve f laphoek.

Wêerstaridskarakterjstiek.

Liftweérstandverhóuding.

Roer en f iapmomenten, plaats Iateraalunt.

Dit rapport is een aanvulling op het afstudeerwerk van J,. Huismaii (augustus 1976) . .

In de betreffende ingenieurso.pgave is ge.vraagd een analyse. te. geven van experime.ntele en .berekende hydrodynamische coëfficienten van een

draagvlak (roer) met eèn flap Van 25% en met name aandacht te be-steden aan de vergeiijking van de. berekende en gemeten coëfflcienten. Het werk in dit rapport zal zich beperken tot het experimentele j

deeÏ van drie roerflap-coittbin.aties, de uitwerking van de meetresul taten en enkeIe conclusies.

De metingen zijr uitgevoerd In de kleine sleeptank van het labora-torium voor Scheepshydromechanica.

De f lapoppervlakken bedroeen respeëtieveiijk. 2:5%, 5.0% ,en 7.5% van het totale oppeiviak. De spieten tussen roer en flap zijn voor

enkele metingen opge.u1d en g;iad afgewerkt, o déze mai'ierontstord' een spiee.tioos roér.

In dt rapport zijn de voigende coderingen aangehouden:

Roer i roer met 25% f iapopervlak

roer met 50% f lapopperviak roer met 75% f Iapoppervlak..

Roer i roer zònder sp1eetrnét 25% f lapopperviak *

Roer 2 roer zonder spieèt met 50% f lapoppervlak Roer 3 * ::roer zonde.r spleet met 75% f ]iapopperviak

De metingen zijn uitgevoerd met behuip van een 6 componenten dynamometer (f giuur 1). Deze dynamometer bestaat uit een boyen en onder frame. Het bovenframe is verbonden met de sleepwagen, het onerframe waaraan het roer is bevestigd, is via

meetelemen-ten verbonden aan het bovenfraine.

De krachten welke tijdens de meting optreden tussen onder en bovenframe zijn een maat voor de weerstand en dwarskracht op het model roer; door berekening kunnen armen en momenten worden

bepaald.

De weerstand van het roer wordt op de as in x-richting gemeten, de liftkrachten op de assen Y1 en Y21, zie figuur 1. Het torsie-moment op de roerkoning is in principe te bepalen uit Y1 en Y2

en de afstand tussen Y1 en Y2.

Bij grotere roerhoeken echter werden grote buigende momenten

op het onderframe verwacht, die ondanks de voorzorgen, de metingen zouden kunnen beïnvloeden. 0m deze problemen op te lossen is er een meetelement voor opnaxne van het koppel geplaatst op de roer en f lapas, deze meetelementen zijn aangebracht op de halve

hoogte van de sDanwijdte, zodat buigende momenten de metingen niet kunnen benvloeden (f iguur 2)

Tijdens de ijkprocedure welke aan de meting voorafging, is

ruime aandacht besteed aan de onderlinge b&tnvloeding en buiende momenten. Op de roeras worden momenten gemeten, die werken op het roer inclusief de flap, in tegenstelling tot de flapas

waar alleen het moment gemeten wordt, welke de flap veroorzaakt. 0m invloed van het vrije wateropperviak te vermijde wordt ge-bruik gemaakt van een onder dit oppervlak aangebrachte viakke plaat (afmetingen 1,80 x 1,50 in). Krachten op deze eindplaat worden opgenomen door het bovenframe en kunnen de meetresultaten niet beïnvloeden.

Bij de doorvoer van de roer en f lapas door de eindplaat zijn

bovendien nog "ventilatie plaatjes" gemonteerd. Met behulp van de onderwater camera is regelmatig vastgesteld dat onder alle orn-standigheden de metingen niet zijn verstoord door ventilatie.

3. .Meetpr.ocedure en berekening.

De proeven zij,n uitgevoerd bij een sneiheid van 1,8 rn/s. De voigende metingen zijn uitgevoed:

Roerhoeken van & tot 9:0 graden., met een f laphoek van O graden, met open en gevulde spleet.

Roerhoeken an O tot 90 graden met positieve f laphoeken van O tot 40 graden.

C. Roerhoeken van O tot 90 graden met nega'tieve f laphoeken van O tot 40 graden.

De stapgrootte van de ingestelde roerhoekeñ was 10 graden In het kritische gebled zijn extra metingen gedaan..

De stapgrootte van de ïngesteide f laphoeken was voor roer 1,2,3 resp. 5, 10, IO graden.

0m d'e resultante te bepalen van de uf t eñ weerstand werden deze vectorieél opgeteÏd.

R = L2 + D2

Voor de bepaling van de Normaalkracht N werd de resultate vermenigvuldri.gd met sin (-+ a):

= R sin( +

waarbij de hoek is tussen R en D en a de roerhoek (zie f iguur 3). De afstand CP ten opzichte an hart roerkoning werd bepaaid door

het gemeten roermoment CMR tè deÏen door de normaalkracht:

Cp CNR N

HetH lateraalpunt (CP) eri het roermoment CNR zijn òmgerekend' van hart roerkoning naar ¼ van d'e koox de lengte. Dè fiapmomenten

4-Resultaten en enige conclusies

De resultaten welke in de volgen'de grafieken worden weergegeven zijn dimensieloos; voor aile ornstandigheden geidt:

/ _-6

Rn 0.34 /. 110

4.1. Liftkarakter.istieken (figuu'r 4,5,6,7,8,9)

Tabel 1 : Maximale: Iiftc:oMficienten.

De lift per graadroerhoek van roer 1*, 2*, 3* Zjfl geIijk, de maxima zijn echter verschillend. (f iguur 10).. De oorzaak hiervan

is waarschijniijk, dat de hoek waarbij de grenslaag loslaat, per roer verschillend is, hetgeen sterk benvloed kan worden door de opperviakte ruwheid en de nauwkeurighéLd waarrnee het roer

is gemaakt.

4. 2. invloed van de spleel oo de Ïiftcoëffi:cient.

De piaats van de spleet tussen roe en flap heef t een duideIijke invloed op de lift prestaties.

0m de invloed van de soleet te kunnen vasts teilen zijn. er met de drïe roer-f lap combinaties metingeñ gedaan met opgevulde spleet, bij een f laphoek van O graden. Met deze spleetloze roeren was het niet mogelijk f lapmomenten temeteñ. De liftresultaten met -open en gesloten spieten zij'n weergegeven in flguur 11.

De invloed bïj roer i is nihll, bij roer 2 zien we dat de heiling afneemt en de maximum lift daalt,, bij roer 3 zet deze tendens zich voort terwiji hier bij 20 graden roerhoek de maximum lift

al wordt bereikt.

-Geconcludeerd mag worden dat wanneer de spleet dichter bij het meest effectieve deel van het profiel komt, de druk hier zijn'

f laphoek Roer nr. 1 :2 . 3 1 2* 3* (s 0 0.88 1.01 0.73 0.89 1.06 0.86 = 40° 1.31. 1.48 1.19 =-40° 0.66 0.41 0.37

normale. waarde niet kan bereiken, waardoor de iiftproduktie a neemt.

Besc.houwen we de lift tot 20 graden roerhoek itheair, dan is de lift per graad roerhoek ais voigt:

T.abel 2 : Lifti per graadroerhoek.

Lift resuitatenmet negatieve....laphoek.

Voor aile negatieve f laphoeken geIdt dat de lift bij klejne roe,rhòe:ken negatief is, figUur 7,8,9,18,19,20,21:.

De overgang van negatief naar positief is per roer sterk ver-schillend en verschuift naar grotere roerhoeken naarmate het fIappercentage toereemt.

De maximale bereikbare lift met negatieve flaphoeken met roer-hoek is lager dan 'bij positieve f laphóeken met roerroer-hoek, voor f iaphòeken van -20, -aU, -40 graden is dit ongeveer 50% van de lift bij positieve f laphoeken.

Zowel bij. pos'itieve ais bij negatieve fiaphoeken levert roer 2 de grootste lift.

Weerstandskarakteristiek.

in het algemeen kan men stellen dat de weerstand toeneemt naar-mate roer en f 1aphòek groter worden. Bij negatieve f iaphòeken met positieve roerhoeken zal de weêrstand eerst echter afnemen orn daarna tussen 10 en 20 graden roerhôek toe te nemea (figuur 7,8,9 en 13 t/m 21).

Dit hangt samen met de geinduceerde weerstand; de weerstand is ongeveer minimaai als de lift O is.

Lift Wee'rstandverhouding.

In de f iguren 22 en 23 wordt de CL/CD verhòuding weergegeven ais functïe van de roerhoek. De CL/CD veho.uding bij kleine roerhoeken met negatieve flaphoeken is negatief, naarmate hét fÏàppercentage r.

'1er Ï. 2 3 1 2*

3*

t

toeneemt, blijft dCt)'CDverhouding langernegatief, bij:roêr 3 met f.iaphoeken van -30 en -40 graden is het .nauwelijks mogelijk. nog een positiève waarde te bereiken. De CL/CD verhouding ais functie van de liftcoëfficient wordt weergegeven in de f iguren 2.4, 25,26 en. 27. in figuur 24 is de situatie met een roerhoek van nui graden met verschiliende scheggrootte vergeleken, zodat de modellen vergelijkbaar zïjn met roeren met vaste scheg.

Roer 3 met de grootste flap en dus de kleinste scheg levert bij f laphoekén onder de 10 graden de gunstigste CL/CD verhouding op.

De f igureñ 25., 26 en 27 tonen da.t eén maximale CL/CD coefficient te. berelken' is zonder f laphoek. Wanneer het orn de maximale lift-opbrengèt gaat is een grote f laohoek optimaal.

8. Roer en. f l'a:pmöme'n: en,, plaa.tslateraalpun't.

0m constructieie 'red'enen zijn de roer en f lapas voor ledere roerf.lapôombi'n a tie op verschillende plaatser gemonteerd

(f'iguur 2) . Voor een betere onderlinge vergeÏijking zijn de meetresultaten van het roer moment en lateraalpunt omgerekend naar van de koordei'engte . in de figuren 2,8, 29,. 30 wordt getoond dat bij positieve f laph'ôéken de roermomenten ten

op-zi,chte van ¼. Van de koordeiengte posit'ief zijn, in dit geval zijn ook de CD-waarden positief en lig.t het lateraalpunt dus: achter de ¼ koordeÏ'ijn. (f iguur 31, 32, 33).'.

Bij negatie.ve flaphôeken zijn bij roerhoeken onder ± 28 graden de roermomenten negatief, bij grotere roerhòeken wordt het

roermoment positief. In d'eze. situatie kunnen onder de 20 graden roerhoek,1 de 'CP waarden b:ijzonder groot worden, zowel positief als nega.tief (figuur 34, 35, 36). De verklaring hiervoor is dat de liftprodu'ktie in dit geb ied zeér klein of O Is (f iguur 18, 19, 20 en 21). zodat het koppel overheerst en de CP dez'e extreme' waärde kan bereiken.

De flapmomentcoëfficienten zijn gegeven ten' opzichte van he.t draaipun.t van de f lapas (figuur 37, 38, 39)

rijrichting

Zes-cornDonentenynarnometer.

dynamometers

ROER I

2S % PLAP

RoeR 2

°X FLAP

ROER 3

FIUUtk 2.

loo

ZOO,

V

R1

\ILD»

R*

cp-.

RoMcr1ENT

-

N

TOER i

-ioi

ac

o

o

ROER Z

20 ₁₀ 60 0o

o

IIGUUR 5

s

o

Ft(UUR 6

ROER 3

lo

wEERSTMN C0EFICtEMT

LIFT oBPFic

I

'

CD o.8

-

0.4

o

WEE( TI1NPSCOEFP1CI £P4T

bo

RoER i

LIFT coFCtENT

F(GUUQ R

WE R STA NDCOEFpCEtr

ROER 2...

i

_{LIFTcoEFF1cENT}

BD

0 ₂₀

I%GUUR g

WE E R r OS c.oEF F t CIL.

rr

_{LPT COEr1CtEr4T}

o.b

-

o.9

o

bo

go

_o

₂₀

Lo

8o

'.4

o.8

o.b

o

o

LIFT OP AIS V/r4 RoHo.

O ROER

RoER

1* }

t1E1 G'/UL.D& 5PLT

oRoEg

to

FIGULP Io

1.0 CL o.8 O.Lf e.2 o

ftGUuR u

io

oj

o

£PLET INVLOED OP 0E LIFT

ROER I

L.o

0.9

0.1

o.6

0.5

o.2

o.'

o

O ROER

+ RoEa

O RoaR

FUUQ.

LIFT PE1

CáRAAD RORKOEK

u

o'

io

WE5TIktt

LW op

VAÑ ROEHoEW

O

oden.

io

i

5°

çIGuu1L

RoER I

+ ROF.R 2.

Q ROER 3.

a

wETAP4O

L%FT o

sISv$p, QoeR4oEK

8 = to

gradan.

o

o do

-

io

-o.8..

T

o '.2....

0 ROER I

1.I_

o Ro3

o

to

to

to

2.0 graden.

_'i°

-o'

s

_s

O LO 2o

30

so

70

PtcuuR Ib

'iEsrA

EN

LWV' OP

V3 ftOE-tCk

grcdn.

o

10 o

s

'o

W6TFLO Es Lç'r op ßPct

'JFß3 2.oEIU4ok

¿o

t'aden.

N

\

o

o io

o

_{¿o So}

go

FIcLiut.

8

WEERSTPO Et'4 LLFT op ßt

C?ooEc.

s

- io

O 10

2° O £o

t6UUR

s

wEERStND EN LLPT OP

StS \rnÑ

s

o,

FIGUUR Za

O

\NERSTANDEN Lirr OP GStS VAN f4orHoEK

¿ Ça o

lo

1.0 0.9 CD

1(GUUR Zt

90

W LIFT OP ßAs

VRW RØEROEK.

= -'-io

rcden.

0.2

-

0.2

0.1

-

O (0

2.o o £O 50

go

u _ROER I

4- ROER i

FtGUUR 22.

LIFT _'-A

t

CL'

.pp-O iO

20

FLGUUR 23

LIFT

s

iO

20

0

₂₀

30

1-'Co

o

SrÇUr(E MET \/SCHtLLENIOE

GRcOTTEN.

ROE-(ZHOEL

o GRllOebI.

CU

IL

Fur4cT

VAI CL.

co

3=00

g

A 32o°

o

CL

F'GUL&R 2L1

r-uur

as.

FUNCTI

VAN CL

Roat

I

C

0.5

CL

1L$ FUNCNTLE VtN CL.

Ft1uuR 2.6

oER 2.

o.

CL!

"o

A

o

CL/

Ai-5

_{FLNc1iE VAN CL}

¡CID

RoER 3

CL

i GuuR2'

RORNor-tENT Co

Fict)TgN 1AV

j.o.

koocELErE

o

to

co

--

ROER t

CuR

I

o

LO W

,

'

CMR.

01g.

jo

G SIo'

ROERt-IÖMENT COEFFIC1aMTEN

v.0. k000aLE.KcTE.

O

FtGUUR 2.9

I I I I I I I I

CnR

C IO

O %oqoc

(co8

FI&ULIR 30

ROER NOME NT COEF'tCtENTENI'1 Lo.V.

v.0. pcooro LEÑGTE.

PLAATS

LATERAALPUNT

1OV.

_{V.0. IcOOROELENGTE CPOsrrtV}

FLAP4OEPEMJ

L1

¶60

o

ROER i

-2o

ioo

o,

_cP

_{_________}

0/

FIGULtR,

Z

PLAATS

LAÌERAALPUNT

T.o.v.

v.0. Koof0ELEP4GTE LPosruEv

AHOEKEf4]

ROER 2

2o

0/

o

90

300

o

to

A

o

+

PIGUUR

3

PLAATS LA1ERRLPUÑT T.O.'/.

IOORELEFIGTE tpoSITLeV

FLI\PHOEKEtJJ

o

RoER a

Lo

too

3O

O 3c10°

A

=2o0

.3iiLjo

-2o

O

o,

_cp

o,

PLPtATS

LIÇrERÇRLPUNT

t0.V.

V.D. KOORDELEF4GTE

[rIEGIrrIvE FLAPF4oEkN]

FGUUR 3L1

RoER I

o'

/01<

c-p

fo

O 5-O°

3O

bo

So

-'o

_20

20t

ca6o

PLA IVtS LR TERRFL Pu NT

1.0.V.

V.0. KOoOE L E NGTE

.tEGAT lEv E FLAP ko E I( E

o

O ç.t0

-too

-8°

0/

RGUUR 35

cp

0/

o

Ii

201

8o

o

40

20

RoER 2

C

PLMTS LPtTERFPLPUNT

T.o.v.

v.0.

ooR0ELEtcr-E [NEJTLEVE FtJ\PNOEkcE4J

o

FL&uR 3b

RoER 3

-too

_So

6o

CMF.

.

I.

e

0.030

0.020

-os oto

rLRP MON ENTcoE19CtaL.3rEN, TAV. OR,fl%PuIrT pLpTi

.S: O

0 S: 10

A &2o

4 b' ¿o

o

0

o 6

go

FIU1iR 3?

(oE9 t

CMF

t

o

ooS

Io

to o4oOo o%o

Ct"fF.

o..o

rIGUUR

8

o

lo2aOL(OO (,o

FLAPr1or-1ENTcoEFcTN lp,\i. OkiPuT fLRPAS

e

FLA

tOM Er

PtC lE 3rEN TON' Dc%PUI

FLPRS.

gc*P. 3

d

TECHNISCHE H0GESCHO0L DELFT

AFDELING DER SCHEEPSBOUW- EN SCHEEPVAARTKUNDE

LABORATORIUM VOOR SCHEEPSHYDROMECHANICA

Rapport No. 484.

BEPALING VAN HYDRODYNAMISCHE COEFFICIENTEN VAN ROEREN MET FLAPPEN

R.Onnink

juli 1979

Delft University of Technology

Ship Hydromechanics Laboratory

Mekelweg 2

DelIt 2208

Netherlands

Ifl