Physik | Technik
Mika Todt, 2007 | Davos Dorf, GR
T-Foils sind zentrale Komponenten moderner Hochleistungssegelyachten, wie den AC75 aus dem America’s Cup. Dank ihnen können die Yachten Geschwindigkeiten nahe 100 km/h erreichen. In dieser Arbeit wurde untersucht, wie sich der Anhedral-Winkel auf Auftrieb, Widerstand, Seitenkraft und Giermoment auswirkt, wenn das Foil leicht seitlich angeströmt wird. Dazu wurden Modellversuche im Windkanal und CFD-Simulationen durchgeführt.
Die Resultate zeigen, dass der Auftrieb mit zunehmendem Anhedral-Winkel abnimmt. Bei seitlicher Anströmung steigen die Seitenkraft sowie das Giermoment an. Der Widerstand zeigt nur geringe Veränderungen.
Die aktuellen Designtrends im America’s Cup deuten darauf hin, dass der Vorteil der erhöhten Seitenkraft nicht ausreichend ist, um den Mehrwiderstand der grösseren benötigten Foilfläche aufgrund des reduzierten Auftriebs auszugleichen.
Fragestellung
Welchen Einfluss hat der Anhedral-Winkel bei T-Foils auf Auftrieb, Widerstand, die seitliche Kraft und das Giermoment bei zunehmendem lateralen Anströmwinkel?
Methodik
Die Untersuchung fand in zwei Teilen statt. Im ersten Teil wurden Windkanalversuche mit 3D-gedruckten T-Foils durchgeführt. Die Foils wurden auf einem 6-Achsen-Kraftsensor montiert und bei 35 m/s getestet. Drei Anhedral-Winkel (0°, 10°, 20°) wurden mit drei verschiedenen Gierwinkeln (0°, 5°, 10°) kombiniert. Anschliessend wurden die gleichen Foils in den gleichen Kombinationen in CFD im Medium Luft simuliert.
Im zweiten Teil wurden neue Foils entworfen und mit 33 Kombinationen (0–20° Anhedral in 2°-Inkrementen bei 0°, 5° und 10° Gier) im Medium Wasser simuliert. Ziel dieser zweiten Simulationsreihe war es, die Auflösung der Anhedral-Winkel zu erhöhen und die Datenqualität zu verbessern. Zudem wurde das Medium von Luft auf Wasser gewechselt, um realistischere Bedingungen zu erreichen. Dabei wurde besonderer Fokus auf die Netzqualität und die Stabilität der Simulationen gelegt.
Ergebnisse
Der Auftrieb nimmt mit steigendem Anhedral-Winkel ab und zeigt dabei nur eine kleine Abhängigkeit vom Gierwinkel.
Bei gegierter Anströmung nehmen die Seitenkraft und das Giermoment zu. Sie zeigen Abhängigkeiten vom Gierwinkel und vom Anhedral-Winkel.
Der Widerstand zeigt eine geringe Abhängigkeit vom Anhedral-Winkel, nimmt mit steigender Gierung aber zu.
Beide Untersuchungsteile lieferten ähnliche Ergebnisse, aber die zweite veranschaulicht die Trends mit einer höheren Datenqualität und Auflösung.
Diskussion
Die Resultate lassen sich durch die grundlegenden geometrischen Zusammenhänge erklären. Mit zunehmendem Anhedral-Winkel wird die wirksame vertikale Fläche kleiner, wodurch der Auftrieb abnimmt. Gleichzeitig führt die asymmetrische Anströmung bei Gier zu einer zunehmenden Seitenkraft und einem grösseren Giermoment.
Die Unterschiede zwischen den Methoden zeigen die Grenzen der Untersuchung auf. Die erste Simulationsreihe war durch das automatische Meshing und die geringe Auflösung eingeschränkt. Die zweite Simulationsreihe konnte diese Probleme reduzieren und die Trends klarer darstellen.
Schlussfolgerungen
Der Anhedral-Winkel hat einen Einfluss auf die Kräfte eines T-Foils. Mit zunehmendem Winkel nimmt der Auftrieb ab, während Seitenkraft und Giermoment bei seitlicher Anströmung zunehmen. Diese Zusammenhänge konnten sowohl experimentell als auch numerisch gezeigt werden.
Im aktuellen America’s Cup zeigt sich ein klarer Trend zu planaren oder nur leicht anhedralen Foils. Dies würde im Kontext der erhobenen Daten dieser Arbeit heissen, dass die Verringerung des Auftriebs und die dadurch grössere benötigte Foilfläche mit mehr Widerstand nicht durch die zusätzlich lateral wirkende Kraft kompensiert werden kann.
Würdigung durch den Experten
Ronald Luijten
Mika befast sich mit Foil-design für Segelschiffe. Foils werden bei neue Schiffe als Unterwasserflügel verwendet, um der Wiederstand von Schiff zu verringern, und somit die Geschwindigkeit zu erhöhen. Er untersuchte wie der negativ V-Winkel (Anhedral) den Gier-Moment ausgleichen kann. Dazu hat Mika eine Foil 3D ausgedruckt und im Windkanal gemessen. Seine CFD Simulationen zeigen gute Übereinstimmung mit den Messungen aber Fragen bleiben offen. Deshalb hat Mika detailliere CFD Simulationen im Wasser durchgeführt.
Seine Arbeit unterbaut die Evolution der Foils an den Americas Cup Schiffe.
Prädikat:
Gold
Sonderpreis «Regeneron International Science and Engineering Fair (ISEF)» gestiftet von der Gebauer Stiftung
Evangelische Mittelschule Schiers
Lehrer: Manuel Voellmy