Гидроаэродинамика в парусном спорте

3. Гоночный бейдевинд и гистерезис линии отрыва потока

Описание этого замечательного явления я нашел в одной из последних книг очень известного в мире «крыльевика», профессора С. М. Белоцерковского. Для парусных гонок плавание линии отрыва имеет решающее значение. Думаю, многие задавались вопросом, каким образом в физике проявляется техника руления на лавировке у спортсменов высокого уровня. Если стараться держать лодку прямолинейно хорошего результата не добиться. Например, гонщик, который идет очень тонко, зачастую перекручивая, оказывается не только выше, но еще и дальше своего более прямолинейного соперника. Этот парадокс привыкли списывать на что угодно, но только не на конкретные физические процессы. Снимая все вопросы, процитирую в вольном переводе Бена Эйнсли. Говоря о лавировке в слабый ветер, он рекомендует периодически перекручивать, а потом снова разгоняться. Лучшие мировые гонщики в совершенстве владеют этой техникой. Так почему лодка при такой технике идет не только круче, но и быстрее, ведь по уму на перекрутках лодка в скорости должна терять.

Все дело в плавании линии отрыва потока. Главное в обтекании паруса – подветренная сторона. Парус именно такой, чтобы на подветре вызвать нужное ускорение потока и, как следствие, разрежение давления, которое как бы подсасывает парус с подветра. Если на подветре случился отрыв, то парус обтекается с большой скоростью только до точки отрыва. Главный смысл настройки паруса должен сводиться к тому, чтобы сместить эту точку как можно дальше назад. На пузатых парусах, в слабый ветер, этот отрыв всегда есть. Причем он может начинаться еще до середины паруса. Если мы перекручиваем, то ветер смещает линию отрыва назад, а когда уваливаемся, линия отрыва возвращается на прежнее место. Казалось бы, ну и что - при перекручивании хоть и получаем более эффективное обтекание подветренной стороны, но сильно теряем в нагнетании давления на «наветре», причем эти потери заметно останавливают лодку. Смысла в этом действительно никакого нет, но все дело в том, что при уваливании на прежний курс линия отрыва возвращается вперед не сразу! Она как бы залипает в смещенном назад состоянии после перекрутки. В эти самые мгновения парус обтекается супер эффективно. Это и есть явление гистерезиса отрыва потока - при возвращении паруса в исходное положение, отрыв же в свое исходное состояние возвращается с некоторой заметной задержкой или вообще, при идеальных условиях, может так и остаться смещенным назад. Опытные гонщики, не зная ничего о физике, на ощущениях добиваются нужного ритма разгона и перекрутки. Грубейшей ошибкой является стабилизация курса с положения «полнее», отрыв потока в этом случае будет самым неблагоприятным.

Лодки со стакселем не такие чувствительные к гистерезису. Возможны такие ситуации, когда «плавающая» техника ничего не даст. Основной поставщик тяги – грот обдувается с подветра стакселем, что и так смещает отрыв назад до предела. Приведение приведет к уменьшению этого благоприятного потока со стакселя. Однако, однозначно сказать о вреде или пользе плавающей техники на «двойках» можно только с помощью экспериментов.

При усилении ветра роль этого явления нивелируется. Гонщики парус вынуждены делать плоским, чтобы избежать заполаскивания. Парус обтекается под очень маленьким углом атаки. Все это приводит к тому, что отрыв перестает существовать. Соответственно не может идти речи и о гистерезисе линии отрыва потока.

Возникает вопрос, а какой должна быть форма паруса для того, чтобы увеличить амплитуду перемещений линии отрыва. Очень много вопросов имеется по лодкам со стакселем. Также хотелось бы количественно оценить параметры плавающей техники. Насколько нужно перекручивать, сколько по времени должно длиться приведение, зависание, уваливание и прямолинейное движение. Имеет ли это все смысл при сильном ветре, когда отрыва с плоского паруса вообще может не оказаться. Чтобы ответить на эти вопросы нужно исследование. Натурные эксперименты в этой ситуации не годятся, т.к. кроме аэродинамической трубы нужно сделать сложные механизмы для перемещения самого паруса, отслеживания усилий на нем и визуализацию потока. Хорошим выходом здесь видится численный эксперимент. Современные методы расчета вязких течений позволяют с высокой точностью моделировать все явление без потерь, а также оперативно искать оптимумы для профилей паруса и ритма перемещений. Причем это все стало возможно только сейчас и содержательных исследований на эту тему пока еще не наблюдается.

4. Полные курсы и дорожка Кармана

Дорожка Кармана появляется на курсе фордевинд. Когда парус перебит и стоит под прямым углом к ветру, то образуются одинаковые условия срыва потока на передней и задней кромках паруса. Однако, в действительности отрыв происходит не совсем одинаково. Вихревая пелена, сорвавшись с паруса, выстраивается в шахматном порядке, срываясь с периодической интенсивностью с передней и задней шкаторин. Поток как бы гуляет по парусу, направляя большую свою часть то к передней, то к задней шкаторине. Образовавшуюся при этом когерентную структуру и принято называть дорожкой Кармана. На первый взгляд это явление яхтсменов должно слабо интересовать, но все дело в том, что пелена сильно влияет на распределение давления на парусе. Дорожка Кармана приводит к тому, что лодку на фордевинде в сильный ветер начинает раскачивать. А это уже очень большая проблема для яхтсменов.

Давайте попытаемся разобраться, какие есть способы избавления от дорожки Кармана. Для быстроходных яхт ситуация проще - в гонках они вообще не ходят курсом фордевинд, выставляют парус остро к ветру и картина обтекания паруса соответствует лавировочным режимам. Таким образом, если спускаться по ветру бакштагами, то проблемы раскачивания можно избежать. Но для многих швертботов это может оказаться не эффективно.

Чтобы упорядочить поток можно ослабить оттяжку гика. Психологически это сложно сделать, ибо лодка начинает крениться на наветренный борт, что не естественно. При ослабленной оттяжке гика появляется сопло в районе задней шкаторины паруса, там, где парус больше всего открыт. В это сопло и устремляется большая часть потока. Таким образом, передней шкаторине почти ничего не достается, поток становится упорядоченным, а поведение лодки предсказуемым. На практике было замечено, что при порыве, когда сила ветра гнет мачту и открывает парус, лодку не бросает в раскачку, а появляется однонаправленный кренящий момент на наветренную сторону. Наибольшие проблемы появляются у лодок с перебитым гротом. Так у Лазеров и Финнов становится сильно опущен нок гика, который при раскачке может зацепиться за воду и тогда уже переворот довольно сложно избежать.

Неопытные гонщики прибегает к другому способу предотвращения раскачки на фордевинде. Опасаясь потравить оттяжку гика, вдобавок, они добирают шкоты намного больше чем обычно. В таком режиме поток уже уходит в основном через мачту. Лодка ведет себя более предсказуемо и что самое главное, на порыве она кренится на «положенную» подветренную сторону. Но скорость при этом невелика. Кроме этого вследствие небольшой скорости на парус постоянно оказывается большое давление ветра, т. к. скорость вымпельного ветра на фордевинде в таких условиях растет. Яхтсменам, перебивающим парус, еще следует опасаться раскачки от волн, ведь за устойчивое глиссирование зацепиться уже намного сложнее.

В последнее время очень популярна техника хождения с периодическими переходами от прямого бакштага к обратному. Назовем такую технику плавающей. Эта техника хорошо описана, например, в книге Бена Эйнсли. Парус при таком подходе настраивают следующим образом: сильно отпускают оттяжку гика и кэннингхем. Траектория движения зависит от волны. Яхтсмен подбирает большую волну, а потом на обратном бакштаге с сильно потравленным гиком скатывается с нее. Рекомендуются большие углы. Следует заметить, что во всех режимах здесь основная часть потока уносится с задней шкаторины, благодаря потравленной оттяжке гика. Это действительно очень сбалансированная и эффективная техника движения курсом фордевинд. Так при скатывании с волны на обратном бакштаге, лодка накренена на гонщика, что позволяет избавиться от давления на руле и подставить волне днище лодки, что благоприятно сказывается на глиссировании. Если грамотно применять плавающую технику, то дорожка Кармана не будет образовываться. Высокая скорость добавит лодке остойчивости. Единственный минус такой техники ее сложность. Нужно очень точно рулить, практически на грани, и тонко чувствовать крен, зачастую перенося вес своего тела на борт, на котором расположен гик.