Onderwerp: Aerodynamica van een zeilboot

Interessant thema. Ik zou er iets van moeten weten maar durf er eigenlijk geen uitspraak over te doen. Als we even uitgaan van een wat snellere boot (zeg 10+ knopen) zoals die van ons, dan wordt de vraag volgens mij eerst hoe de waterweerstand zich verhoudt tot de luchtweerstand.

Als de waterweerstand stukken hoger is dan de luchtweerstand, gaat het effectief weinig helpen om luchtweerstand weg te nemen. Daar zit een dichtheidsfactor in (zeg een factor 1000), maar het oppervlak boven water is ook vele malen groter dan onder water. Verder zit er nog een snelheidsfactor in - de (schijnbare) windsnelheid ligt meestal een factor 2 boven de watersnelheid. Dat zou op de achterkant van een envelop leiden tot

Vl / Vw = 2; // snelheid
Al / Aw = 10; // oppervlak
Rl / Rw = 0.001; // dichtheid

Dl / Dw = 2^2 * 10 * 0.001 = 50;

Mis ik nog iets cruciaals? Weerstandscoefficienten genegeerd dus ik zit er vast ergens flink naast, maar op deze manier geschat zal de water weerstand minstens 10 keer zoveel doen als de luchtweerstand. In dat geval blijft het verbeteren in de marge om iets aan je luchtweerstand te doen.

Overigens wordt luchtweerstand voor langzame boten _belangrijker_ in bovenstaande schatting: Vl/Vw ligt dan eerder bij 3-4.

Die factor schijnbare wind/watersnelheid = 2 reken je zeker voor een tri Zal voor een eenromper toch al gauw 3 zijn toch?
Een vraag voor de specialist: Het oppervlak onder water is groter zeg je maar boven water is het opp. ook niet gering en is een verzameling van vormen. Ik bedoel, het ene ding zit al in de turbulente luchtstroom van het andere ding. Hoe werkt dat uit in weerstand?
Als je nu al veel hebt gedaan om onderwater te optimaliseren (rompvorm geoptimaliseerd en het oppervlak schuren) waarom niet boven doorgaan....hoe zit dat dan weer bij planerende rompen....?

Volgens mij is alles van invloed; of dit nu in de marge zit of het grote verschil maakt; weerstandsvermindering heeft een gunstige invloed op de prestaties.
Er nog veel winst te behalen met onze ronde verstaging, ronde scepters en relingdraad, wapperende zeilpakken en een zeil vol reeflijnen. Zeker op een aandewindse koers waar je al zo zuinig moet zijn op je aerodynamica. Wie gaat er binnenkort de windtunnel in met zijn boot?

Misverstand?

Ik schreef inderdaad dat voor langzamer varende boten Vl/Vw eerder 3 tot 4 zou zijn dan 2.
(dus voor langzame boten wordt de luchtweerstand relatief 4 keer belangrijker)

Ik neem aan dat het oppervlak boven water 10x zo groot is als onderwater. Da's een hele ruwe gok, maar we nemen de weerstandscoefficient van de vorm ook niet mee.

Los van een weerstandsfactor is de formule voor weerstand van een plat vlak altijd 1/2*rho*v2 , ongeacht het medium ( althans als het een Newtons medium is) waarbij de rho de dichtheid van het medium is ( lucht 1,25 en water 1000) . Daaruit komt dan Newton/m2 en kg/m2 is dan dat getal gedeeld door 9,81 ( de versnelling van de zwaartekracht). Alleen bij hele hoge snelheden klopt het niet meer voor samendrukbare gassen als lucht waardoor e.e.a. niet helemaal opgaat voor bijv. een vliegtuig.
Niet proberen te begrijpen tyrouwens wat de versnelling van de zwaartekracht met stuw weerstand te maken heeft maar het is gewoon zo.
Door met de CW te vermenigvuldigen krijg je dan de werkelijke stuw weerstand. .
Voor een goede personenauto is die CW tegenwoordig ongeveer 0,2-0,25 . N.b. voor een fietser 0,9
nl.wikipedia.org/wiki/Weerstandsco%C3%ABffici%C3%ABnt
Voor een boot zal het ook wel ergens tussen 0,2 en 0,4 liggen.
Alleen ben je er dan nog niet want er komt ook nog de wrijvingsweerstand van de romp bij. Die is weliswaar lager dan de stuw weerstand maar kun je natuurlijk niet verwaarlozen.
Ook de golfweerstand van de boeggolf komt er bij .
Heelaas is het uitrekenen daarvan een heel stuk moeilijker en gaat voor dit draadje een beetje te ver vrees ik.
Ad

Mag ik vragen, hoe kom je aan een CW getal tussen de 0,2 en 0,4 voor een zeilboot?
Zijn daar ooit metingen voor gedaan?

holtere schreef :
Zo door mn oogharen kijkend, zal de cw waarse gan een gemiddeld zeiljacht rond de 0.6 tot 0.8 liggen. Niet de opbouw of de buiskap zal hepalend zijn, maar de romp zelf, het vrijboord. Daar zit veel meer oppervlakte in. En ziet wr aan de lucht zo'n beetje uit als een vlakke plaat.

Maar dat al valt in het niet bijd e stromingsweerstand van het tuig. Het totale oppervlak van mast en stagen is enorm, en wordt in de windweerstandsberekeningen wel degelijk meegenomen

ehhh, welke weerstandsberekeningen en waar worden die voor gebruikt?

Heel simpel voorbeeld; dyform of rodrigging. Dat koop je voor de verminderde drag.

Moderne racerompen hebben afgeronde of geschuinde vrijboorden. Dat is ook om de windvang te verminderen.

holtere schreef :
In de laatste VOR met de VO70 was er een deelnemende boot (ik denk Groupama, die ook wonnen) die met een mast voeren waar een paar zalingen minder op stonden (3 ipv 4) en dus minder drag hadden... Of dat de reden was voor de overwinning durf ik te betwijfelen (ze zijn hun mast tijdens een etape ook eens kwijt gespeeld), maar alle beetjes helpen zeker? Ik kan me voorstellen dat bij het ontwerp van een VO70 of andere high-tech racer wel degelijk windweerstand berekeningen gebeuren.

Natuurlijk helpen alle beetjes, het zal zeker iets doen om luchtweerstand te verminderen.
De vraag van TS was alleen waarom we daar in de praktijk niets (of weinig) aan doen, in ieder geval tot je bij de categorie wedstrijdboten komt.

Ik vermoed dat het antwoord is "omdat het geneuzel in de marge is" in vergelijking met de waterweerstand. Vandaar mijn afschatting met verhoudingen. Ik zou graag eens willen weten hoe de verhouding water-/luchtweerstand voor een toerjacht echt ligt.

Als die verhouding inderdaad rond de 10:1 of hoger ligt, kun je maximaal een paar procent winnen (de vormweerstand van het zeil raak je niet kwijt ...). Da's niet niks, maar zeker ook niet veel.

Luchtweerstand is wel degelijk belangrijk voor jachten. Ik kan er voorbeelden van noemen, zij het dan negatieve.
Ongeveer 50 % van de huidige huurjachten in Griekenland zijn catamarans van een bepaald merk die opvallen door hun luchtweerstand. Die 50 voet minimum dingen hebben twee verdiepingen, daarbovenop een tent waar de bestuurder in zit.
Daarboven, ik schat op zes meter boven water zit de giek.
Heb de laatste tijd twee keer een zeer harde wind meegemaakt tijdens een onweersstorm.
Ik heb respect voor onweer, zoek me vooraf een veilige ankerstek. Van daaruit kan ik dan zien wat er gebeurt tijdens zo´n freak wind.
Wat het meest opvalt is dat super mobo´s en dergelijke catamarans niet in staat zijn te ankeren.
Hun windvang is zo groot dat hun ankers te klein zijn.
Heb laatst nog tijdens zo´n 4 uur durende belevenis gezien dat een zo´n drie verdiepingen catamaran urenlang probeerde te ankeren, daarna aan de loefkant van de baai gewoon het “ strand” opvoer waarna men probeerde de boot met landlijnen aan bomen vast te maken.

Ben later wezen kijken, de boot was gehuurd door een “bowlingclub “ oude mannen, een wonder dat er geen doden gevallen zijn. Het jacht zat droog in de stenen, de huurders waren straal.

Maatje kleiner en ook behoorlijk gladjes.

holtere schreef :
Bijvoorbeeld om tijdens het ontwerpproces het benodigde motorvermogen uit te rekenen:

Voor wedstrijschepen is het niet ongebruikelijk om alles uit de kast te halen om de weerstand door het water te verminderen (shapen, schuren, waxen, etc)
Als je dat allemaal al gedaan hebt, en de verschillen tussen de verschillende schepen is nog steeds heel klein ga je naar de luchtweerstand kijken om te zien of je daar iets kunt optimaliseren!

Als ik het me goed herinner heeft er al regelmatig iets in de Seahorse magazine gestaan hierover. Voor “normale” jachten is dit uiteraard veel minder van toepassing omdat daar inderdaad nog veel meer te winnen is onderwater of met “low hanging fruit” zoals een buiskap mbt luchtweerstand!

Het zal voor wedstrijddag ten ook meehelpen dat ze steeds vaker de hele tuigage meenemen in het zeilontwerp! Daar maken ze dan CFD berekeningen van, en dan gaan er vanzelf dingen opvallen...

Groeten,
Johnnie

qua earodynamica ook een mooi voorbeeld, de DNA A-cats: www.catsailingnews.com/2018/03...-f1-x-in-detail.html

Noorderling schreef :
Ja behoorlijk gladjes. Maar dat wil niet zeggen dat de boot ook sneller is. Doet mij denken aan Golfjes en Kadettjes met spoilers, snelle spiegels en LM velgen, die rijden er ook geen meter harder door.

Voor boten die niet planeren, geldt de maximale bootsnelheid als beperkende factor. Voor een boot met een waterlijn van 8 meter is dat circa 6,8 knopen. Heb je die snelheid eenmaal te pakken, dan maakt de luchtweerstand niet meer uit.

redshift schreef :
Preciese cijfers kan ik zo gauw niet vinden, maar dat de luchtweerstand van een boot, tuigage en zeilen merkbaar is (impact op de snelheid) vinden we elke trimclinic weer uit

Met weinig wind (6 a 8 kts) is heel goed merkbaar dat diepe zeilen (voorstag doorhangend, mast recht, outhaul gevierd) veel meer weerstand hebben dan vlakke zeilen. Dan zit je in een snelheidsgebied dat de rompsnelheid nog niet gehaald wordt (wel al 6 kts van een max van 8 kts) en de waterweerstand nog niet op het maximum zit.

Tot grote verbazing van alle deelnemers aan de clinic blijkt dan elke keer dat de zeilen behoorlijk afvlakken (aan de wind, dat wel) de boot sneller laat varen: 5 tot 10% extra performance.
De lift vermindert weliswaar (vlakker zeil) maar de drag neemt zoveel meer af dat het netto resultaat een grotere voortstuwende kracht is: de lift/drag ratio verbetert.

Een oud draadje: zeilersforum.nl/index.php/foru...rstand-van-de-zeilen

Dit weekend weer gemerkt wat de luchtweerstand is ( met buiskap;- ). recht tegen de wind in of met de wind mee scheelde 2 knopen bij gelijkblijvend toerental, bij windkracht 6. EN niet zeilend, op de Ringvaart van de Haarlemmermeerpolder kun je niet kruisen met een jacht....

Bij 9 Beaufort scheelt het bij mij 3 knopen snelheid, proefondervindelijk vastgesteld.

Dekadent

@ Joop,
Mooi van die berekeningen en natuurlijk logisch maar aan berekenen van motorvermogen heb ik nooit gedacht...
Kun je wat zeggen over het extra vermogen dat er bij geplust wordt door windvang?
@ Noorderling en Romkes, mooie foto's en blijkt dat er toch meer mensen goed over nadenken!
Buiskappen platleggen wordt veel vaker gedaan omdat ze of de lierhandles niet rond kunnen draaien òf hooguit voor wat werkbaarder uitzicht. Niet voor de aerodynamica want anders hadden ze de frot op het dek wel even helemaal los gehaald
Wij varen weleens zonder mast met een kale boot en de windvang is inderdaad echt veel minder!
Eigenlijk is mijn idee ook, wat kun je doen om grote klappen te maken?
BK noemde al het effect van vlakke zeilen?

holtere schreef :
Ik denk niet dat er ooit wordt gerekend aan extra vermogen voor een motor om tegenwind te compenseren . Allereerst is dat maar weinig t.o.v. het vermogen om de waterweerstand te overwinnen en ten tweede zijn een veel grotere factor de golven die immers met de wind mee je tegemoet komen. En dat laatste wordt zeker niet berekend maar je kiest gewoon bijv. 10 % motorvermogen meer dan je theoretisch nodig hebt om de rompsnelheid te halen.Dat wordt dan dus 4-4,5 maal waterverplaatsing + 10%.
Desondanks zul je altijd langzamer gaan met wind en golven tegen. Dat is wel de reden dat een te kleine motor van bijv. 3-3,5 maal de waterverplaatsing toch de nodige nadelen heeft. Ik heb bijv. al eens eens bijna een week in Haugesund vastgelegen omdat ik in twee niet tegen 5-6 Bf in kwam om vanuit naar de Hardanger te komen en weer om moetst keren, zegge en schrijve een kleine 7 mijl.
Kwam gewoon omdat de 7,5 pk van mijn toenmalige MD5A ( als die dat nog haalde ) simpelweg te krap was voor 2 ton boot ,incl. bemanning en voorraden en uitrusting eerder 2,5 ton.
Twee jaar later met een nieuwe 11 pk Vetus ging dat een heel stuk beter.
Ad

Yellow Boat schreef :
In het boek "Principles of Yacht Design" van Lars Larsson wordt wel degelijk de "windage" weerstand berekend. Zie de afdruk in de post van @Joop. Er worden getallen gegeven voor de in het boek beschreven boot voor een windsnelheid van 15 m/s bij een bootsnelheid van 3.6 m/s recht in de wind. Met de gegeven formules en weerstandscoefficienten kun je het ook voor je eigen boot "berekenen" of afschatten.

Jan

Dat het te berekenen is weet ik ook wel maar ik moet de werf nog zien die dat voor een standaard serieschip doet.
Misschien wel voor een one-off design .
Vaak wordt er gewoon standaard een zo klein mogelijk motor gekozen door een werf , simpelweg vanwege de kosten.
Dat was altijd al zo. Op mijn Leisure 27 van 3 ton zat ook standaard maar een MD5A van 7,5 pk . Een grotere MD7 van 13 pk was ook wel verkrijgbaar maar dat kostte wel 2500 gulden extra ( in 1977).
Vrijwel alle nog varende Leisure 27's hebben of nog een MD5A of er is later een grotere motor ingebouwd.
Ad

Maar even een andere situatie, die vooralsnog genegeerd wordt:

Tijdens de wedstrijden gaat bij ons zomaar een keer of 10 de spinnaker omhoog. Ik leg hem in de haven al klaar en dat betekent dat er een flinke zak (60cm hoog en ook zo iets in diameter) in de preekstoel zit. Daar blijft hij de hele wedstrijd zitten, ook in een eventueel kruisrak. Hoe dom is dat?