VPP – Purjeveneen suorituskyvyn mallintaminen Joakim Majander.

Esitys aiheesta: "VPP – Purjeveneen suorituskyvyn mallintaminen Joakim Majander."— Esityksen transkriptio:

1 VPP – Purjeveneen suorituskyvyn mallintaminen Joakim Majander

2 Taustaa Teknillisen fysiikan DI 12 vuotta numeerista virtauslaskentaa 2004-2005 oma VPP-ohjelma 90-luvun alusta alkaen gastina IMS- kisoissa

3 Lähteet Kamu Stråhlmannin D-työ Mikko Brummer IMS-algoritmien dokumentaatio Useat Delftin ja muiden yliopistojen julkaisut Netistä löytyneet VPP-dokumentaatiot Oma tietämys Rantahuhut

4 Mikä on VPP? VPP (Velocity Prediction Program) –NEO (Nopeuden EnnustusOhjelma) Laskee veneen nopeuden annetuissa oloissa –Runkomuoto –Riki ja purjeet –Oikaiseva momentti –Tuuli –Aallokko

5 Mihin VPP:tä käytetään? Venesuunnittelu ja –optimointi –IAAC, IMS jne. Muutosten vaikutus –Paino, purjeet, miehistö, pohjan karheus, potkuri, tuulivastus, köliprofiili ja -muoto jne. Mitattujen muutosten vaikutus –Miten vastusmuutos vaikuttaa? CFD-ohjelman yhteydessä Tasoituslaskenta –IMS

6 Mihin VPP-ohjelmat perustuvat? Voimatasapaino Momenttitasapaino Purjeiden aiheuttamat voimat Muut ilmavirtauksesta aiheutuvat voimat Vedestä aiheutuvat voimat Oikaiseva momentti Miehistön vaikutus

7 Työntö = Vastus, 1 ”vapausaste” Laivojen koneen ja potkurin mitoitus –Vain kapea nopeusalue –Aina mallikoe –Tarkkuus laivoille mallikokeen jälkeen +-4% vastukselle +-1% nopeudelle Purjeveneillä suuri nopeusalue –Nollasta puoliliukuvaan Työntö purjeista (tai potkurista) –Kölin suuntainen komponentti –Suhteellinen tuuli, trimmit

8 Työntö = Vastus, 1 ”vapausaste” Vastus muodostuu –Kitka = märkäpinta-ala * Cf *0,5*tiheys*V^2 Hyvin tunnettu –Jäännösvastus eli lähinnä ”aallonmuodostusvastus” Riippuu uppoumasta ja suhteellisesta nopeudesta –Fn=V/Sg*LWL »Nopeus suhteessa “runkonopeuteen” Vaikea määrittää ilman venekohtaisia mittauksia Toimii vain koneajossa tai myötätuulessa –Ei sivuttaisvoimia eikä kallistusta

9 Sivuttaisvoimat, 2 ”vapausastetta” Tärkeitä jo sivumyötäisellä –Erityisesti luovilla Sivuttaisvoimat 2-6 kertaisia työntöön nähden ”Induced drag” eli sivuttaisvoimista aiheutuva vastus –Kölistä ja rungosta syntyvät sivuttaisvoimien aiheuttamat pyörteet –Merkittävä vastustekijä 10-50 % rungon kokonaisvastuksesta luovilla

10 Sivuttaisvoimat, 2 ”vapausastetta” Riittävä, kun kallistusta ei ole –Hiljaiset tuulet –Iso miehistöpaino tai painovesitankit –Sivumyötäiset melko kovallakin tuulella

11 Kallistavat voimat, 3 ”vapausastetta” Tärkeä sivutuulesta ylöspäin Kallistus vaikuttaa –Rungon vastukseen Märkäpinta-ala muuttuu Jäännösvastus muuttuu Köli ja peräsin lähempänä pintaa –Indusoituun vastukseen Evät vinossa ja lähempänä pintaa –Purjevoimiin

12 Kallistavat voimat, 3 ”vapausastetta” Riittävänä pidetty –IMS VPP –Useimmat kaupalliset VPP-ohjelmat

13 Sorto, 4 ”vapausastetta” Sivuttaisvoimat aiheuttavat sortoa –Luovilla 3-8 astetta, tyypillisesti ~4 Sorto vaikuttaa –Purjevoimiin Masto vs. etustaagi –Ei voida täysin kompensoida trimmaamalla Purjevoimat voivat olla väärät, jos sorto poikkeaa oletusarvosta –Kallistaviin voimiin Kulkusuuntaan poikittainen voima ≠ kallistava Oma VPP

14 Vaakamomentti, 5 ”vapausastetta” Sivuttaisvoimien vaikutuspiste –Purjeiden pituussuuntainen ”voimakeskus” –Rungon sivuttaisvoimien ”voimakeskus” Kölin ja peräsimen suhteellinen kuorma –Peräsinpaine ja –kulma –Vaikuttaa indusoituun vastukseen Hyvin vaikeita mallintaa –Trimmauksen vaikutus –Peräsimen kääntäminen

15 Pituusmomentti, 6 ”vapausastetta” Keulan painuminen purjevoimien vaikutuksesta –Miehistöpaino kompensoi –Tärkeä kovalla avotuulella Suuret pituussuuntaiset voimat –Miehistö ei riitä kompensoimaan –Vastus lisääntyy tyypillisesti

16 Kitkavastus Pohjautuu tasolevyn kitkavastukseen –Lukuisia mittauksia –Hyvin tunnettu –Vastuskerroin riippuu Reynoldsin luvusta Re=V*L/  eli ”pituus” * ”nopeus” / viskositeetti –Eri kerroin rungolle, kölille ja peräsimelle –Mikä on L »Laivoilla LWL »Purjeveneillä 0,7-0,9 * LWL »Kölin tai peräsimen jänne Laminaarit alueet alussa vähentävät vastusta –Muotokerroin kuvaa levystä poikkeavan muodon vaikutusta Rungolle 3-8% lisä, ei yleensä huomioida Eville 15-30% lisä, voidaan huomioda

17 Kitkavastus Karheuden merkitys –Yleensä pinnat oletetaan ”hydraulisesti sileiksi” Kova vaatimus –Karheus 3 kn: 10  m, 6 kn: 3  m, 10 kn: 1  m –”Raekoko” –Hiekkapaperin karheuksia: »P1200: 15  m, P600 25  m, P400 35  m, P180 78  m »Hiottaessa tulee sileämpää kuin paperi 6 kn: 10  m +25% ja 100  m +100% kitkavastus

18 Jäännösvastus Kaikki muu vastus veneen kulkiessa suorassa tyyneessä –Mitataan allaskokeissa Mitatusta vastuksesta vähennetään laskettu kitkavastus -> jäännösvastus Oletetaan kasvavan vain uppouman mukana –Sama suhteellinen nopeus ja runkomuoto –Mittauksista tehdään polynomisovitteet Muuttujina yleistä runkomuotoa kuvaavat parametrit

19 Delftin yliopiston mittaukset DSYHS (Delft Systematic Yacht Hull Series) –1974 alkaen –3 perusrunkoa: 1974, 1983 (IOR) ja 1995 (IMS) LWL ~10 m, 40-43 jalkaisia Mallikokeet 1,6-2 m mittakaavassa Yhteensä 50 eri muunnosta –Päämittoja muutettu matemaattisella muunnoksella Ilman köliä ja peräsintä sekä niiden kanssa –Sama köli ja peräsin kaikissa rungoissa Osa rungoista n. 10 eri kölillä –Tulokset julkisia

20 Delftin jäännösvastus Polynomisovitteet rungolle ilman eviä Fn 0,1-0,6 0,05 välein –10 m vesilinjalle ~2 – 12 kn 1 kn välein Väliarvoista ei tietoa, joudutaan interpoloimaan –Vaikuttavat suureet Vesilinjan pituus ja leveys Uppouma LCB, pituussuuntainen uppoumakeskipiste LCF, pituussuuntainen kellutuskeskipiste Cp, prismaattinen kerroin Sc, märkäpinta-ala ilman eviä Aw, vesipinta-ala –Vesilinjan yläpuolisilla osilla ei merkitystä kaavoissa –Runkomuodon yksityiskohdilla ei merkitystä kaavoissa

21 Suureet

22 Delftin kölin jäännösvastus Polynomisovitteet Fn 0,2-0,6 0,05 välein –10 m vesilinjalle ~4 – 12 kn 1 kn välein –Vaikuttavat suureet: Kölin uppouma ja sen suhde runkoon Kölin uppoumakeskipiste syvyyssuunnassa Syväys Vesilinjaleveys

23 Delftin kallistuksen aiheuttama lisävastus Vaikuttaa: –Kitkavastukseen märkäpinta-alan kautta Riippuu vain kallistuksesta –Sekä rungon, että kölin jäännösvastukseen Riippuu sekä kallistuksesta, että nopeudesta Suureina edellisten lisäksi –Tc, kölittömän rungon syväys –Cm, keskirunkokerroin

24 Delftin indusoitu vastus Riippuu sivuvoiman neliöstä Kääntäen riippuvainen ”efektiivisen” syväyksen neliöstä ”Efektiiviselle” syväykselle polynomisovite –0, 10, 20 ja 30 asteen kallistumalle –Vaikuttavat suureet: Syväys Tc, kölittömän rungon syväys Vesilinjan leveys Kölin jännesuhde eli kapeneminen syväyksen mukana Nopeus Ei juurikaan riipu kölin muodosta –Vaikuttaa oikeasti paljonkin

25 Delftin aallokkovastus Hyvin monimutkainen ilmiö –Riippuu ainakin seuraavista: Aallon korkeus Aallon jaksoaika Vesilinja Uppouma Pituussuuntainen hitausmomentti –Kuvataan ”radius of gyration”, gyradius »LWL * gyradius * m^2 antaa saman hitausmomentin –Suoraa laskentakaavaa ei annettu –Merkitys voi olla hyvinkin suuri

26 Oikaiseva momentti Mitataan aina pystysuorassa –Lasketaan eri kallistuksilla –Myös nopeus vaikuttaa Oikaiseva momentti pienenee –Miehistön vaikutus

27 Delft vs. IMS IMS ei käytä Delftin polynomeja –Omat polynomit Perustuvat pitkälti Delftin mittauksiin Salaiset kertoimet Riippuu hiukan eri suureista –Oleellisin ero ”efektiivinen” pituus »Riippuu myös vesilinjan päällisistä osista »Lasketaan LPP:ssä Tuskin absoluuttisesti yhtä tarkat kuin Delft –Suhteelliset muutokset paremmin »Ottaa huomioon vesilinjan päällisen muodon

28 Purjevoimat Lasketaan suhteellinen tuuli –Tuulen nopeus, kulma, veneen nopeus ja kallistuma Mahdollisesti myös sorto Mittauksiin perustuvat kertoimet –Suhteelliseen tuulen suhteen Sivuttais- ja pitkittäisvoima –Vaikea mitata Tuulen kiertymä ja pystysuuntainen nopeusprofiili Lukemattomia trimmausvaihtoehtoja Lukemattomia purjeyhdistelmiä –Muunnetaan kulkusuuntaan Työntö ja kallistava voima –Kallistavaa varten tarvitaan voimakeskipisteen korkeus

29 Purjevoimat Kertoimet riippuvat –Takilan mittasuhteista Indusoitu vastus Genuan ja ison suhteellinen koko ja peitto –Purjeesta Genuan koko Spinnu –Trimmauksesta Latistus, kierto ja reivaus Vaikuttaa voimiin ja niiden vaikutuspisteeseen –Etsitään optimi kuhunkin tilanteeseen

30 Tuulivastus Rungon, maston, vanttien ja miehistön tuulivastus –Erittäin suuri vaikutus luovilla –Jokaiselle oma suhteellinen tuuli Tuulen pystyprofiili –Maston vastus riippuu purjeista ja trimmeistä –Rungon vastus riippuu kohtauskulmasta ja muodosta Cd-kertoimen määrittäminen vaikeaa –IMS käyttää 0,68 –Autoille ~0,3 Ruffia ei yleensä huomioida –Miehistö voi olla myös sisällä tai ruffin takana

31 Nopeuden ratkaiseminen Perustuu iterointiin –Arvataan nopeus ja kallistuma Lasketaan tuulivoimat Lasketaan uusi kallistuma ja nopeus Jatketaan edellä kunnes saavutetaan tasapaino Oikeasti myös sisäisiä iterointeja VMG pitää etsiä iteroimalla tuulikulmaa –Melko raskasta laskentaa IMS todistus –IMS VPP:llä muutamassa sekunnissa –Omalla VPP:llä puolessa minuutissa »Sorto, paljon purjevaihtoehtoja »Ei vielä kunnolla optimoitu –Excel-pohjainen PCSail useita minuutteja

32 VPP:n tarkkuus ja virhelähteet Rungon kokonaisvastus –Mallikokeen mittaustarkkuus ~1% Voimien mittaus ja nopeuden määrittäminen –Siirtäminen oikeaan mittakaavaan ~5% –Polynomeilla laskeminen toiselle rungolle ~10% Purjevoimat –Mallikokeen mittaustarkkuus ~1% Voimien mittaus –Siirtäminen oikeaan mittakaavaan ~10% –Kertoimilla laskeminen toiselle rikille helposti yli 10%

33 Absoluuttinen tarkkuus yksittäisessä nopeudessa Hyvin vaikea mitata –Tarkkuusvaatimus ~1% eli alle 0,1 kn –Todellinen tuuli Pystyprofiili Siftit Mittauksen tarkkuus –Purjeet häiritsevät anturia –Tosituulikulman mittaus epätarkkaa –Aallokko –Trimmit ja pohjan puhtaus –Mittaus ei onnistu kuin IAAC-projekteilta Tarkkuus ehkä 5% –Jos olot juuri oikeat –Ei oikein kelpaa ”Target Speediksi” –Todistuksen VMG-kulmat eivät välttämättä ole optimeja –IMS VPP:n purjevalinnat eivät välttämättä optimeja

34 Suhteellinen tarkkuus yksittäisessä nopeudessa Tuuli A vs. tuuli B –Tarkkuus huomattavasti parempi kuin edellä –Kertoo paljon veneen luonteesta Luovi vs. avotuulet Kova vs. hiljainen tuuli Vene A vs. vene B –Tarkkuus hyvä, jos Veneet saman tyyppisiä Veneet hyviä –Ei VPP:n huomioimattomia ”ongelmia” »Skuuttikiskojen paikat »Huonot eväprofiilit

35 IMS vs. ”ideaali” VPP IMS VPP ei aina pyrikään olemaan tarkka –”Politiikkaa” Halutaan estää ”epäedulliset” veneet –Kalliit –Suuri syväys –Ylisuuri purjepinta-ala –Spinnun minimimitta Vanhojen veneiden halutaan pärjäävän –Ikähyvitys –Kikkailun estäminen Kiinteää potkuria ei hyvitetä tarpeeksi –Tavallisen 3-lapaisen vastus ainakin 3-kertainen Miehistöpainolle rajat –Yli normaalipainoa ei hyvitetä runkovastuksessa

36 Kaikkea ei huomioida Aallokko todellisten ominaisuuksien mukaan –Kevyellä aallokon vastus IMSissä olematon –Aallokko riippuu tuulihistoriasta ja paikasta Veneen rajoitukset –Trimmauksen rajoittuneisuus Skuuttikiskot, saalingit ja vantit Epäoptimaalisuudet –Pohjan karheus –Huonot eväprofiilit –IOR-mutkat

37 Kehityskohteita Runkovastuksen laskeminen –Polynomisovitteiden tarkkuus rajallinen Ratkaisuna kaikkien veneiden mallikokeet tai CFD-laskenta –Ei taloudellisesti mahdollista »~10 k€/runko Purjevoimien laskeminen –Kertoimien tarkkuus rajallinen Erilaisten purjeyhdistelmien mittaaminen tai CFD-laskenta CFD-laskenta venekohtaisesti –Ei taloudellisesti mahdollista »Lukemattomia laskentoja IAAC-veneiden VPP:t todella tarkkoja!

38 Vertailuveneet FG41Sera29X332Swan37 GPH596.7662.3656.8691.2 Suunnitteluvuosi2001 19941970 LOA12.4958.83210.06011.079 Leveys, MB3.8522.9913.2833.259 Vesilinja, LSM011.058.5019.2058.919 Paino, DSPM7662315447397045 Märkäpinta-ala, WSM32.0117.5123.0726.22 Oikaiseva momentti, RM20 181.143.294.2137.7 Purjeala, SA (Main+Fore) 89.2247.6458.4660.11 Syväys, DHK01.9891.7391.8341.878

39 Muutokset Miehistöpaino (CW2 min ja CW3 max) Paino (FF1 +20 mm ja FF2 -20 mm) Kelluma-asento (FF3 ja FF4 +-20 mm) Genuan koko (110, 130 ja 150%) Maston paino (oletus vs. punnittu) Oikaiseva momentti (+-20%) Barduunat (1 ja 2) Spinnun koko (1.8*J ja 1.98*J)

40 Muutosten vaikutus, GPH FG41Sera29X332Swan37 CW2 100.08 (-139 kg)100.52 (-157 kg)100.01 (-15 kg)100.00 (-40 kg) CW3 99.74 (+302 kg)99.53 (+90 kg)99.55 (+328 kg)99.94 (+350 kg) FF1 99.54 (-469 kg)99.15 (-247 kg)99.34 (-330 kg)99.58 (-346 kg) FF2 100.10 (+478 kg)100.81 (+259 kg)100.63 (+338 kg)100.40 (+352 kg) FF3 100.13 (+95 kg)100.24 (+28 kg)100.03 (+58 kg)100.05 (+46 kg) FF4 99.53 (-90 kg)99.92 (-26 kg)99.92 (-53 kg)99.94 (-42 kg) MW1 99.7989100.25799.878299.8987

41 Muutosten vaikutus, GPH FG41Sera29X332Swan37 LP1 (110%)101.006100.846101.081101.519 LP2 (130%)100.335100.075100.472100.781 LP3 (150%)99.782199.531999.8021100 RM1 (-18%)100.905100.981101.02100.651 RM2 (+26%)99.128599.109299.05699.4213 RUN1100.33599.622599.604199.7975 RUN210099.592399.604199.7975 SPL1 (1.8*J)100.05100100.548100.448 SPL2 (1.98*J)99.413499.426299.908699.7251

42 Windward-Leeward

43 Windward-Leeward, FG41

44 Windward-Leeward, Sera29

45 Windward-Leeward, X332

46 Windward-Leeward, Swan37

47 Circular Random

48 Circular Random, FG41

49 Circular Random, Sera29

50 Circular Random, X332

51 Circular Random, Swan37

52 Upwind

53 Upwind VMG, FG41

54 Upwind VMG, Sera29

55 Upwind VMG, X332

56 Upwind VMG, Swan 37

57 Reach 90

58 Reach 90, FG41

59 Reach 90, Sera29

60 Reach 90, X332

61 Reach 90, Swan37

62 Downwind VMG

63 Downwind VMG, FG41

64 Downwind VMG, Sera29

65 Downwind VMG, X332

66 Downwind VMG, Swan37