str. 1

LABORATORIUM Z PODSTAW TEORII OKRĘTU

Sprawozdanie z ćwiczenia nr 18 (5)

Pomiar sił hydrodynamicznych na płacie nośnym

Data realizacji ćwiczenia:

Data oddania sprawozdania:

Grupa:

Lista studentów uczestniczących w ćwiczeniu:

str. 2

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się ze zjawiskiem powstawania siły nośnej i siły oporu na płacie
nośnym. Doświadczenie przeprowadzone jest w małym kanale obiegowym, znajdującym się w hali zajęć
dydaktycznych Laboratorium Hydrodynamiki Okrętu Instytutu Okrętowego Politechniki Gdańskiej.

2. Podstawowe informacje

Podczas ćwiczenia laboratoryjnego badano siłę nośną powstającą na symetrycznym płacie. Badań
dokonano w powietrzu laboratoryjnym, w temperaturze pokojowej w znajdującym się na Politechnice
Gdańskiej basenie modelowym. Pomiaru oporu i siły nośnej dokonano przy pomocy komputera z
odpowiednim oprogramowaniem.

2.1 Jakie są charakterystyki geometryczne płata nośnego?

Geometrię płata nośnego charakteryzują: profil płata, obrys płata i rodzaj powierzchni podstawowej
płata.



Profil płata określa krzywizna profilu, którą definiuje się jako miejsce geometryczne środków
odległości pomiędzy górną i dolną krawędzią profilu oraz rozkład grubości profilu;



Powierzchnia – miejsce geometrycznych charakterystycznych linii profilu (podstawowych);



Obrys – definiuje się jako obrys na powierzchni podstawowej;



Wymiary płata:
o

C – szerokość płata;

o

t – max grubość profilu;

o

f

M

– strzałka krzywizny profilu;

o

b – rozpiętość płata;

o

b/c– wydłużenie płata;

2.2 Jaka jest przyczyna powstawania siły nośnej?

Przyczyną powstawania siły nośnej jest różna prędkość przepływu płynu nad płatem nośnym i pod nim.
W wyniku szybszego przepływu płynu na górnej stronie płata powstaje strefa podciśnienia, oraz strefa
nadciśnienia na dolnej stronie. Z tego względu gówna strona płata nazywa się stroną ssącą, a dolna stroną
cisnącą.

2.3 Co to jest krytyczny kąt natarcia?

Jest to kąt nachylenia profilu do kierunku przepływu swobodnego. Przekraczając ten kąt natarcia
współczynnik siły nośnej maleje. W okolicach krytycznego kąta natarcia rośnie obszar dodatniego
gradientu ciśnienia w kierunku krawędzi natarcia, czemu towarzyszy spadek siły nośnej. Jednocześnie
powiększa się obszar zawirowań powodując wzrost oporu.

2.4 Co to jest współczynnik siły nośnej i od czego zależy?

Zależy od kąta natarcia. Przy krytycznym kącie natarcia współczynnik siły nośnej maleje. Wraz ze
wzrostem liczby Reynoldsa rośnie niezależnie współczynnik siły nośnej C

L

.

str. 3

3. Opis stanowiska badawczego

3.1 Kanał kawitacyjny

Pomiar sił hydrodynamicznych na płacie nośnym został przeprowadzony w małym obiegowym kanale
wodnym. Przepływ wody wytwarzany jest za pomocą dwu kół łopatkowych napędzanych przez silnik o
regulowanej prędkości obrotowej. Badane ciało było umieszczane w przestrzeni pomiarowej,
umocowując do dynamometru trzech składowych, pozwalającemu na jednoczesny pomiar oporu, siły
nośnej i momentu hydrodynamicznego. Pomiar prędkości przepływu dokonuje się za pomoca
pojedynczej sondy Pitota, pozwalającej bezpośrednio odczytać wysokość ciśnienia prędkości jako różnice
pomiędzy poziomem wody w kanale i poziomem wody w sondzie. Wyniki pomiarów rejestrowane i
przetwarzane są za pomocą komputera.

3.2 Płat

Płat użyty w ćwiczeniu był symetryczny. Płat zanurzony był w wodzie, przy czym prędkość przepływu
była stała i ustalona (według wskaźników komputera V = 0,513 m/s). Wykonano 5 pomiarów. Podczas
pierwszego pomiaru płat ustawiony był równolegle do przepływu, po czym przy każdym kolejnym
pomiarze odchylano go o 10

o

(do 40

o

). Wyniki odczytano z ekranu.

str. 4

Na każdym obiekcie umieszczonym w przepływie powstaje wypadkowa siła hydrodynamiczna. Siłę tę
można rozłożyć na składową prostopadłą do kierunku prędkości, zwaną siłą nośną oraz składową
równoległą do kierunku prędkości, zwaną siłą oporu. Płaty nośne są obiektami kształtowanymi w taki
sposób, aby uzyskać maksymalną wartość siły nośnej przy minimalnej wartości siły oporu. O
własnościach płata w dużym stopniu decyduje kształt jego przekroju prostopadłego do rozpiętości czyli
kształt profilu aerodynamicznego.

P – wypadkowa siła aerodynamiczna
P

Z

– siła nośna

P

X

– siła oporu

M – moment siły aerodynamicznej
V – prędkość przepływu
α – kąt natarcia

str. 5

4. Wyniki pomiarów

4.1 Prędkość przepływu.

Lp.

Kąt [

o

]

V [ m/s ]

1

0

0,588

2

10

0,595

3

20

0,599

4

30

0,600

5

40

0,603

4.2 Opór.

F

xo

= - 0,133

Lp.

Kąt [

o

]

F

x

[N]

F = F

x

– F

xo

[N]

1

0

- 0,103

0,03

2

10

0,630

0,763

3

20

2,502

2,635

4

30

4,334

4,467

5

40

6,306

6,439

0,03

0,763

2,635

4,467

6,439

0

1

2

3

4

5

6

7

0

10

20

30

40

O

pó

r

Kąt natarcia

Wykres oporu w stosunku do kata natarcia

Seria 1

str. 6

4.2 Nośność.

F

yo

= 0,59

Lp.

Kąt [

o

]

F

y

[N]

F = F

y

– F

yo

[N]

1

0

-0,442

0,148

2

10

5,281

5,871

3

20

7,301

7,891

4

30

6,739

7,329

5

40

6,326

6,916

0,148

5,871

7,891

7,329

6,916

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

10

20

30

40

N

oś

no

ść

Kąt natarcia

Wykres nośności w stosunku do kata natarcia

Seria 1

4.3 Współczynnik siły oporu i siły nośnej.

Współczynnik siły oporu wyraża się wzorem:

qA

D

C

D



[ - ]

Współczynnik siły nośnej wyraża się wzorem:

qA

L

C

L



[ - ]

gdzie:



q

1/2

2

V





A

bc

str. 7

Lp.

Kąt [

o

]

C

D

C

L

1

0

0,0020

0,0096

2

10

0,0497

0,3822

3

20

0,1716

0,5138

4

30

0,3019

0,4772

5

40

0,3816

0,4476

str. 8

4.4 Współczynnik doskonałości profilu.

Współczynnik doskonałości profilu wyraża się wzorem: [(F

x

- F

xo

)/(F

y

- F

yo

)]*10 [ - ]

Lp.

Kąt [

o

]

[(F

x

- F

xo

)/(F

y

- F

yo

)]*10

1

0

2,027

2

10

1,300

3

20

3,339

4

30

6,095

5

40

9,310

str. 9

5. Wnioski wynikające z przeprowadzonych badań



znak siły nośnej pokazywany przez komputer zależy od odchylenia płatu (w kierunku wskazówek
zegara, bądź przeciwnie); w obliczeniach trzeba wziąć pod uwagę wyniki wyświetlane przy wodzie
nieruchomej;



w chwili oderwania strug opór gwałtownie rośnie;



analogicznie współczynnik siły oporu w chwili oderwania współczynnik gwałtownie rośnie;



w chwili oderwania strug siła nośna rośnie poczym maleje;



analogicznie współczynnik siły nośności w chwili oderwania współczynnik rośnie poczym maleje;



wraz z odchylaniem się płata opór statku rośnie wykładniczo;



wykres współczynnika doskonałości profilu wskazuje, że najmniejszy współczynnik uzyskano dla
10

o

. oznacza to iż stosunek oporu do siły nośnej jest najbardziej optymalny dla 10

o

. opływ dla 10

o

jest najmniej zaburzony;



siła nośna jest największa dla 20

o

;



najbardziej optymalne ustawienie pióra to odchylenie go o 10

o

, w celu zaś uzyskania największej

siły nośnej (bez liczenia się z oporem) trzeba odchylić pióro o 20

o

;



siła oporu jest największa dla 40

o

;

6. Uwagi krytyczne studentów, wynikające ze zdobytej wiedzy

a) Płat jest ustawiany 0

O

do 40

O

gdyż dalsze wychylenie płata jest bezcelowe. Powyżej 40

O

opór i siłą

nośna nie ulęgają znacznej zmianie.

b) Badanie zostało przeprowadzone w basenie modelowym co oznacza że pomiary są niezgodne z

rzeczywistością.