WEERSTAND, STABILITEIT EN
SNEL--REID VAN ZEILJACRTEN..
Prof.ir.J. Gerritsma
Rapportnr. 797-P
'Ter gelegenheid van het lie lustrum
van het Scheepsbouwkundig gezeischap
"William Froud".
Mei 198.8
Delft'Unlverelty of Technology
WESTD. -STA3IUTEIT
SNELUEID -VAR ZEIIJACRTEN. Prof.Ir J. Gerritsn1a,Hoogleraar Scheepshydromechanica.
Proevan met modellen van zeiljachten in een sleeptank zijn duur in vergelijking met do proeven die voor motorsehepen gebruikelijk zijn. I=ers bij zeilvoortstuwing is 4e weerstand niet alleen afhonkelijk vOn de scheepseneiheid, maar ook de inv].oed van do helling en de drifthoek op de weerstand en de grootte van de dwarskracht is van belong.
Over het algemeen zijn Jachten relatief kielne objecten in ver-gelijking met bijvoorbeeld vrachtschepen zodat cm financiële redenen slechts in uitzonderingsgevallen sleeptankonderzoek wordt uitgevoerd on de prOstaties ma bepalen.
Een uitiondering vormen do 12 meters, waarvoor vaak gebruik gemaakt vordt van modélexperimenten, maar de resultaten van dergelijk onderzoek word.en over het algemeen niet gepubliceerd Blijkbiar zijn de kosten van modelonderzoek voor de opdracht-gevers in dit geval geen probleew.
Voor de scheepsbouwkundige zijn de onderlinge verschillen in vorm en afmeting van doze jachten zeer gering en de iñterpretatie van die verschillen lijkt nauwelijks van belang veer andere typen
zeiljachtén.
-In bet geval van IOR jachten hebben de zeer gedetailleerde handi-capregeis een doninante invloed op de verogeving van de romp en dat heeft tenslotte gelCid tot een grote mite vOn uriiformiteit in het ontwerp. Dc trend naar gering deplacement en rClatief grote breedten is de oorzaak van platte spantvormen Veer dit type schepen wordan in enkele gevallen wel rnodelproeven uitgevoerd, maar 00k hier zijn de marges waarbthnen gevarieerd ken worden gering en meestal vertrouvt de ontwerper op zijn eigen inzicht en ervaring on de kosten van modelonderzoek uit te sparen bet prototype moet bewijzin of zijn veronderstellingen juist waren. In bet .algemeen zijn de eigenaars van toerjachten winder ge-interesseerd in prestatieverbetering van enkele tienden vOn procenten, maar aan de andere kant is voor deze jachten een veel grotere variatie in vormgeving mogelijk of nodig (bijvoorbeeld door diOpgangsbeperkingen) zodat voor de grotere obj ecten een sleeptank onderzoek zinvol kan zijn ten verbeteririg van 6% in de speed-made-good, zoals weleen.s voorgekomen is, ken tegen de kosten van dergelijk onderzoek afgewogen worden want snelheid is 66k voor een toerjacht van belang.
Systematisch modelonderzoek ten behoeve van zeiljachten heeft in bet verleden vrijwel niet plaatsgevonden. Dc behoefte daaraan
werd lang gelden al naar voren gebracht tijdens de discussie van Davidson's kiassieke publicatie over model experinenten met zeiljacht modellen; er werd toen gesteld dat niodeiproeven veer individüele ontwCipen een onvoldoinde basis geven veer de ontwik-keling van rationele ontwerpmethoden en de bepaling van de
-
-
*
#
,ot zo"
Weerotand. Stbiliteit En SneTheid Van Zei1jachtej
tatie van jachten (1).
Eon beperkt systematisch onderzoek naar do invloed van de romp vorm op do weérstand is uitgevoerd en gepubliceerd door Pierre de Saix, eon medeverker van bet Davidson LabOrator)r (2).
Hij onderzocht vijf broedte diepgang (van de romp) varieties en drie varieties van do prismatische coêfficiënt vaarbij ale moedermodél do NY 32, een ontwerp Va Sparkman and Stephens, fungeerde. Verder is or systematisch dnderzoek verricht op het gebied van vinkielen en roeren door do Saix (3), Herreshoff en Kervin (4). Breukelman en Keuning (5), Gerritsma en Keuning (6). In deze laatste publicatie zijñ 10 verschillende kielen op édn bepaalda rompvorm beproefd. Deze opsomming is niet compleet, maar geeft enigszins eon indruk van do omvang van bet verrichte aye tematisché onderzoek.
In 1950 begon in do sleeptank van bet laboratorium voor Scheeps-hydromechanica to Deift bet onderzoek van zeiijachten met nodè1-proeven van do "Zeevalk", eon voor die tijd zear lichte oceaan racer ontvorpen door an do Stadt. In de daarop volgendo jaren is een aantal ontwerpen van deze ontwerper op modelschaal beproefd, waarbij een zekere systematiek in do romp en kid niet ontbrak
Daarnaaat is een vrij groot aantal modelproeven van individuele ontwerpen uitgevoerd.
In 1966 is ccii verkgroep van Nederlandse ontwerpers van zeiijach-ten en onderzoekers op bet gebied van de scheepshydromechariica opgericht om de verschillende aspecten van bet ontwerpen van zeiljachten ondorling te bespreken en kennis uit to wisselen Ook
in deze werkgroep kwam do behoefte ann systematiscb onderzoek in het bijzonde met betrekking tot bet weerstand-sneiheid verband-, near voren.
Uiteindelijk leidde die tot bet plan om eon serie van systema-tisch gevarieerde rompvormen van zeiljachten to ondèrzoeken op weerstand en stabilitejt. Dc serje omvatteváriaties van do slaOlcheidsgraad L/Vc'/3, do langsscheepse ligging van het druk, kungspunt LCB do prismatische coCficient C, aismede varieties van do lengte/breedte verhouding van de constructie waterlijn
en de breedte/diepgang verhouding van do romp B,jl/Tc In eotdál zijn or twee en twintig varieties beproefd die allen afgeleid zijn van do "Standfast 43" een Admiral Cüper uit 1970, ontworpen door Frans Maas.
Ret eerste deel van het onderzoek omvatte negen modellen, in-clusief het moedermodel on de resultaten van do modelproeven zijn in samenwerking met hot Massachusetts Institute of Tech nology to Boston geanalyseerd.
-Dc belangstelling van bet M I T kwam voort uit hun interresse voor een meer rationele bepaling van do handicap voor
wedstrijd-Weerstand. Stabil.itéit En Snelbeid Van Zeiljacbten
De overige dertien modeiproeven zijn voltooid en geanalyseerd in
Deift en tenslotte gepubliceerd in 1981 (9).
Er is een zekere analogie met de systemattsche siodelseries die
bij bet ontwerp van mecbanisch voortgestuwde schepen gebruikt
worden, met dien verstande dat, zoals reeds werd
opgemerkt, de
drifthoek. de beijing en de op bet onderwaterschip
werkende
dwarskracht een belangrijke rol spelen bij zeiljachten.
Dc sneiheid yin een zeiljacht hangt naast de
eigenschappen van
dat jacht af van de windsterkte en de windrichting.
On een
pres-tatieberekening cc kunnen maken, bijvoorbeeld in de vorm van
een
polair snelheidsdiagraill. moeten de zeilkrachten berekend zijn. Dc
prestatieberekening is gebaseerd op een stationaire
evenviCbts-toestand waarbij de voortstuwende en hellende zeilkrachten
even-wicht maken met de overeenkomstige hydrodynamische
veerstand en
dwarskracht bij helling en drift van bet jacht.
Ook moet bet stabiliteitSmomeflt gelijk zijn aan het moment dat
door de dwarskrachten op het onderwaterschip en op de
zeilen
wordt veroorzaakt.
Naast de hydrodynamische gegevens, die een modeiproef met
vele
combinaties van hellingsboek, drift en stabiliteit oplevert.
moeten dus voor iedere mogelijice windsterkte en windrichting de
zeilkrachten bekend zijn.
Davidson heeft voor dat doel ware grootte proeven met bet 6-meter
jacht "Gimrack" uitgevoerd waarbij uitsluitend aan de
windse
koersen zijn gevaren. Proeven met een model van
"Gimrack" met
overeenkomstige snelheid, stabiliteit, helling en drift
leverde
de voortstuwende en hellende zeilkrachten die genormaliseerd zijn
met het zeilopperviak (1).
Eenzelfde procedure is gevolgd bij de experimenten met het
Amen-kaanse jacht "Say Sea" (10) en met bet Nederlandse jacht
"Stand-fast" (11). In beidé gevallen zijn flu alle mogelijke
koersen ten
opzichte van de wind beschouwd. Seide proeven hebben
geleid tot
zeilkrachtcoefficiBfltefl die gebruikt werden voor bet berekenen
van polaire sneiheidsdiagrainmefl van jachten
(7).
Een uitgebreide serie modeiproeven met édn zeilpian is uitgevoerd
in de windtunnel van bet Institut für Schiffbau van de
Univer-siteit van Hamburg door Wagner en Boese (12). In verband met bet
ontwerp van 12 meter jachtén heéft Herreshoff in
de windtunnel
van bet M.I.T. vergelijkende proeven met een star
modelgrootzeil
uitgevoerd (13). Ook in Engeland maakt men gebruik van een
wind-tunnel on de werking van jachtzeilen te onderzoeken. Voor een
beschrijving van de daar aanwezige faciliteiten wordt verwezen
naar het bock van Marchaj (14).
Tenslotte zijn pogingen ondernomen on met numenieke methoden di
zeilkrachten te bepalen, bijvoorbeeld door Milgram (15,16).
Voor practisch gebxuik iijken de empirisch bepàalde
zeilkracht-cotfficiénten zoals die van "Bay Baa" en "Standfast" bet meest
-geschikt.
Jachten die op zee varen ondervinden uiteraard invloed van de
zeegolven. In bet bijzonder kan de weerstand bij resonantie van
64
Weerstand. Stabiliteit En SneTheid Van Zeiljachten
de stampbeweging zdér veél groter worden, hetgeen zich ult in
drastiache sneiheidavermindening. Hat dynamisch gedrag in
on-regelmatige zeegang hangt made af van bet langaseheeps
massa-traagheidsmoment van een jacht: een concentratje van massa in bet
midden van het jacht blijkt voordelig in verband met de extra
-weerstand die in zeegang ondervonden word. Systematische
bereke-ningen wart die extra weerstand, met behuip van de isethode
Ger-nitsina en Beukelman (17) toont inderdaad de voordelen aan van een
kleine laagstraagheidsstraal en dat pnincipe is tegenwoordig
kenmerkend voor wedstnijdjachten (18).
-In verband met de vaak aanzienlijke asymmetrieche zeilkrachten en
de hydrodynamische reacties daaróp is de koersstabiliteit van
can zeiljacht van groot belang. Dat betreft niet alleen bet
stuurmomant dat door roergeven uitgeoefend kan vorden. near 66k
het dynamiach evenwicht van bet syiteem: jacht + zeilen. Bij de
analyse van het dynamisch evenwicht is een bepaling van de
krach-ten op romp, kid en roer onder meer van belang. Een redelijke
schatting van die dwarskrachten is mogelijk, ii bet bijzonder
voor de moderne platte rompvormen met aaugezette kid
en roer,.
waarbij uitgegaan wordt van de draagvlaktbeorie [19j.
Dc analyse van de dynamieche stabiliteit bij bet varen van cent
rechte bean is in principe analoog east de methode die bij
mecha-nisch voortgestuwde scbepen wordt gebruikt, mean bij zeiljachten
is de koppeling tussen gierert en helien zeer beiangrijk.
Dc dwarsstabtliteit speelt cent grote rol bij bet zeilen. Hailing
ontstaat door de dwarssebeepse zeilkracht en de corresponderende
hydrodynamische dwarskracht veroorzaakt cent geinduceerde
veer-stand, waarvan de grootte mede bepalend is voor de sneiheid van
bet jacht. Bovindien heeft de dwarsscheepse hellingshoek invioed
op da grootte van de voortstuvende .zeilkracht..
Tensiotte is de dwarsscheepse stabiliteit bij grote hoeken van
belang voor de veiligheid. Dc vonin van noderne wedstnijdjachten
-(grote breedte/hoite verhouding) heeft geleid tot can kieinere
stabiliteitsonvang in vergelijking mat rompvormen die tien of
meer jaren geleden gebruikelijk waren. Door Keuning is can
sys-tematisch onderzoek uitgevoend near de samenhang tussen de
romp-vorn en de aanvangsstabiiiteit enerzijds en anderzijds de
stabi-liteitsomvang [201. Die stabiliteitsonvang is belangnijk voor het
gedrag van botan en jachten in brekende goiven. Ondenzoek op dit
gebied is gerapporteerd [21,22].
Dc dwarsscheepse stabiliteit van can zeiijacht wordt beinvioed
door de voorvaartse snélheid, omdat de reiatief grote oppervlakte
verstoning de drukverdeling over bet onderwater gedeelte
bein-vloed. Dc proeven met de systematische eerie hebben echter
slechts can matige invloed van de sneiheid aangetoond, zoals
nader besproken zal worden. Dc resultaten van de Delftse
sys-tematische sane vonmen can belangnijke basis van bet nieuve IMS
systeem (International Measurement System), can .handicap systeem
voor vedstnijdzeiljachten dat rekening houdt mat de invload van
de heersende windsterkte op de prestatie.
Net IMS systeem gebruikt de gegevens van de Delftse serie on dc weerstand van bet Jacht te bepalan ala do vorm, de waterverplaat-sing, de atabiliteit en bet zeilplan gegeven zijn.Het is eon vooruitgang ten opzichte van de bestaande methode (buy. do bR) waarbij, ongeacht de vindsnelheid, de prestatie van bet jacht in slechts één getal wordt uitgedrukt.
In verband met moderne ontwikkelingen in da jachtbouv, waarbij bijvoorbeeld door toepassing van vaak geavanceerde composiet materialen een seer lichte constructie bereikt wordt, is het nodig do bestaande Delftse serie uit te breiden, waarbij met name veel grotere lengte/deplacement en breedte/diepgang verhoudingen van de romp beschouwd zullen worden. Do uitbreiding zal in totaal 7 verschillende rompvormen onvatten, waarvan er twee kortgeleden 66k in golven zijn beproefd. In een recente publicatie [23] is aangegeven op welke wijze ook de extra weerstand in golven in do prestatieberekening (bet polaire snelheidsdiagram) opgenomen kan worden.
Literatuur.
[1] Davidson, K.S.L,
Some experimental studies on the sailing yacht,
Society of Naval Architects and Marine Engineers, 1936. de Saix, P.,
Systematic model series in the design of the sailing yacht hull,
Second HISWA Symposium, Amsterdam 1971. de Saix, P.,
Yacht keels on experimental study, 'Sail, May 1974.
[4] Herreshoff, H.C. and .J.E, Kerwin, Sailing yacht keels,
Third HISWA Symposium, Amsterdam 1973. Beukelman,W. and J.A. Keuning,
The influence of fin keel sweep back on the performance of sailing yachts,
Fourth HISVA Symposium, Amsterdam 1975. Gerritsma, J. and J.A. Keuning,
Further experiments with keel-hull combinations First Tampa Bay Sailing Yacht Symposium 1986 St. Petersburg, Florida
Kerwin,J.E.,
A velocity prediction program for ocean racing yachts, New England Sailing Symposium, New Londen, Connecticut 1976. Gerritsma,J., G.Moeyes and R.Onnink,
Test results of a systematic yacht hull series, Fifth HISWA Symposium, Amsterdam 1977.
[9] Gerritsma,J., R.onnink and A. Versluis,
Geometry, Resistance and Stability of the Delft Systematic Yacht Null Series,
Seventh NISWA Symposium, Amsterdam 1981.
Sinds 1866
een
stable! element in
maritiem Nederland
Rotterdam:
Westblaak 32, Telefoon 010-414.50.88
Amsterdam: Westerdoksdjk40, Telefoon 020-23.23.88
Groningen: Raadhuisplein 13, Te!efoon 050-34.49.26
Vlissingen:
Rossinilaan 20, Telefoon 01 184-6.03.07
Weerstand. Stabiliteit En SneTheid Van ZeiJjacbteo
(10] Kerwin,J.E., LW. Oppenheim, J.H. Mays,
a procedure for sailing performance analysis based on full scale log entries and towing tank data,
M.I.T. Report nr. 74-17, 1974.
(l1 Cerritsma,J., C.floeyes, J.E. Kerwin,
Determination of Sail forces based on full scale measure-ments and model tests,
Fourth HISWA Symposium, Amaterdam 1975. Wagner, B. en P. Boese,
Vindkanal Untersuchungen einer Segelyacht, Scuff und Hafen, 1986.
Herrèshoff,H.C.,
12 meter yacht. mainsail variations comparative wind tunnel
tests,
M.I.T. Report nr. 66-11, 1966. Marchaj, C.A.,
Sailing theory and practice, Londen, 1964. Milgrab, J.H.,
The analytical design of yachts sails,
Society of Naval Architects and Marine Engineers 1968 Milgrarn, J.H.,
Sailforce coefficients for systematic rig variations, Society of Naval Architects and Marine Engineers Technical 6 Research Report R-10, 1071.
[17] Gerritsma,J en W. Beukelniàn,
Analysis of the resistance increase in waves of a fast cargo
'ship,
International Shipbuilding Progress, 1972 Gerritsma,J en G. Moeyes,
Seakeeping performance, "Sail", April 1973,
Ook Third HISWA Symposium, Amsterdam 1973. Gerritsma,J.,
Course keeping, qualities and motions in waves of a sailing yacht,
Proceeding of the Third ALAA Symposium on the Aero/Hydro-nautics of Sailing, Redonde 9each, California, 1971. [.20] Keming, J.A.
On the stability of sailing schts at large angles of' heel. Report 499 A, 1980, Delft Shiphydromechanics Laboratory. Motora,S., S.Shimamoto, M.Fujino
Second International Conference on Stability of Ships and. Ocean Vehicles, Tokyo 1982.
Kirkean,K.L., T.J. Nagle, J.0. Salsich, Sailing Yacht Capsizing
Society of Naval Architects and Marine Engineers 1983 [23] Cerritsma,J. and J.A. Keuning
Speed Loss In Waves
Tenth HISWA Symposium 1988, AmsterdAm.
