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关于水翼船那些事儿(1)

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干练水手

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发表于 2019-12-18 08:51 | 显示全部楼层 |阅读模式

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前言:距离上一篇航行原理扫盲贴已经快一年,和预期的一样,全球范围内对水翼船的热度持续上升。始终觉得,水翼船最激动人心的部分来自于背后的设计及各类技术脑洞,观赏性反而是其次。而看懂水翼船,着实是一个需要智商和思考的技术活,所以这次就继续吹吹牛逼,分几次聊聊水翼船~温馨提醒:阅读本文之前建议再复习一下“一次搞懂帆船航行原理”,否则可能越看越懵逼...

500多年前的文艺复兴时期,达.芬奇同志绝对是一个充满了各种奇思异想的创业青年,俗称博物学家。凭着一手秒杀全场的绘画技能,设计了一系列概念性产品。要是放在如今这个时代,差不多就是那种天天拿着PPT,喊着“我要造车!”“我要上火星!”“目标3年IPO!”的创业者。这哥们儿的概念性产品之一,就是下面的这张设计图——扑翼机(Ornithopter)

关于水翼船那些事儿(1)w1.jpg

这个扑翼机,其实就是一个基于仿生学设计的飞行器,人得像鸟一样不断扑腾翅膀才能飞起来。但很可惜,这款产品最终胎死腹中,并没有量产。直到300年后,有一个小伙儿活捉了N种鸟类用于科学研究。在分析了各种鸟的体重,肌肉力量和飞行能力之后,得出了下面这张图,扑翼机的失败原因才算是浮出水面~

关于水翼船那些事儿(1)w2.jpg

结论是,靠人类的肌肉力量,怎么扑腾都不可能飞起来。从此以后,人类的飞行方式彻底告别仿生学,走入了一个新时代——流体力学。若非得用几个字形容水翼(Hydrofoil),那就是——低配版机翼。

什么是水翼?

不少人觉得,只有可以腾空飞起来的那些水翼船才配备水翼。其实,这是一个不严谨的说法。只要是作用于水中的类机翼部件(比如说稳向板Daggerboard,龙骨Keel,舵Rudder),其实都可以算作水翼(Hydrofoil)。

水翼工作原理

在之前的文章中我们已经说过,水翼和帆的原理都是如出一辙的,无非就是攻角,升力,和阻力这三大要素之间的互相协调。

关于水翼船那些事儿(1)w3.jpg

而在今天的这一部分,我们将更深入得讨论如下几个问题。

1.为什么大风天时用小号的水翼?

2.水翼为何都是前缘比较圆,后缘比较尖?

3.攻角过大为何会失速?

第一个问题对于大部分读者来说应该都是相当简单的,依旧是参考下面这个升力公式。如果先忽略实验得出的升力系数CL,那么影响升力的,只剩下流体的速度,密度以及水翼受力面积这三大元素。我们曾经解释过,小小的龙骨可以抵消帆面产生的横移,是因为水的密度比空气大,所以要产生同等的升力,龙骨受力面积远小于帆的面积。同理,大风天用小号的水翼也是如此。假设大风天时,船速为20节,小风天时的船速为10节,由于CL和水的密度不变,那么根据公式就可以计算出,如果要产生同样的升力,大风天所需的水翼受力面积仅为小风天的四分之一。这也是为什么,双体水翼船比赛时,总会有各种大小的水翼。而帆船在大风天时的缩帆和换小帆,也是同样的道理。

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至于第二个问题, 观察过帆船稳向板和舵的水手一定会注意到这个现象,前缘一般比较厚且圆润,后缘则是薄如刀片。在流体力学中,有一个叫做康达效应(Coanda Effect)的现象。无论是水,空气还是其他流体,只要当流体与它流过的物体表面之间存在表面摩擦时(也可以说是流体粘性),只要曲率不大,流体会顺着物体表面流动。洗碗时水龙头的水顺着碗面弯曲,空调的风向调节,附着在帆面上的空气,以及附着在水翼上的水流都是康达效应的体现。

关于水翼船那些事儿(1)w5.jpg

其实前圆后尖的流线型在大自然中并不罕见,雨滴,鲸鱼,都是如此。另一方面,鉴于流体力学是一门标准的实验学科,实验室民工们在大量的实验后发现,只要是在亚音速状态下,前圆后尖的翼型可以在各种攻角下都获得相对高的L/D比值(升力/阻力比)。

关于水翼船那些事儿(1)w6.jpg

上图就是仿真软件里的一个例子,下图分别是攻角分别为(1度,2度,5度和30度时的升力,阻力及L/D)。可以发现,除了在大攻角30度时L/D的比例降为2,气流线明显分离之外,剩下三种情况下的L/D差异并不大,且升力不断增加,气流线也非常完美得执行了康达同志派给它的任务,贴合紧密。

既然如此,那就让我们开一下脑洞,试想一下,如果两头尖的翼型又会是什么结果?

关于水翼船那些事儿(1)w7.jpg

通过仿真测试(攻角也为1度,2度,5度和30度)可以发现,相对于前圆后尖的翼型,两头尖的翼型表现其实并不赖,甚至在小攻角时的L/D比例还更好(也就是说,同等升力下,阻力更小)。但其缺点也同样明显,在攻角调整时,相对于前圆后尖的翼型,两头尖翼型的L/D比例对角度十分敏感,一不小心就会失速。尤其是在高速水翼船航行的过程中,突然间的失速可能会造成船毁人亡的惨剧。同样的,这也是普通民航飞机也会选择前圆后尖翼型的原因。(这里插一句,个人认为,如果水翼前缘做成刀片一样尖,撞到水下不明物体以后的破损几率比较大应该也是原因之一)

那有没有例外呢?这个当然可以有,超音速战斗机就是一个例子。对飞机来说,如果发动机的推力足够强劲,那偶尔的失速是可以依靠增加推力来弥补的,这类飞机就是典型的有钱任性家底厚。而就是那么凑巧,配备了矢量发动机的第五代战斗机就是这种任性的人生赢家。由于超音速巡航的过程中,机翼并不需要大幅度的调整攻角,所以两头尖的翼型对于攻角敏感的缺点可以忽略不计了,而其阻力小的优点反而还能帮助飞机飞得更快。感受一下,超音速飞机的翼型长下面这样,1,2是较早期飞机的翼型,3,4是早期的亚音速飞机翼型,5,6则为现代超音速飞机翼型~

关于水翼船那些事儿(1)w8.jpg

下面,再来看看第三个问题,攻角过大时,为什么会有失速的产生?如果只是为了得瑟,轻描淡写得扔出“库塔-茹科夫斯基定理”这几个字应该就能镇住全场。但正如牛顿大叔喜欢用力来分析物体的运动状态一样,为了更直观得理解失速问题,我们需要引入一个叫做环量的概念。除此以外,我们还需要知道一个叫做启动涡的东西。

先说启动涡~其实在开帆船的过程中,启动涡随处可见,比如说下图调整舵的过程中舵片尾部产生的启动涡。当舵片向左转时,水流会在舵尾形成一个逆时针的启动涡;当舵片向右转时,水流则会相应的形成一个顺时针的启动涡。

关于水翼船那些事儿(1)w9.jpg

说完了启动涡,接下来灵魂画手就要继续登场了。如果假设康达效应在任何曲率下都能沿着物体表面弯曲,那么理想状态下,水翼周围的气流线应该是下图这样的。水翼的前缘和后缘都会有一个明显的大转弯,尤其是水翼后缘,几乎是一个U型回旋。所以呢,这种情况显然不会发生,水翼后缘想绕但是绕不过去的这股气流,同样也会形成一个启动涡。

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在下图中,启动涡以及用红色逆时针箭头标注。形成启动涡以后,更神奇的事情就发生了。由于两条蓝色气流线中间是一个密闭空间,所以如果要让这个空间保持稳定,那就需要一个与启动涡反方向的涡与之平衡。而这个反向涡,就是图中标注的顺时针绿线,我们把它叫做绕翼环量。这个绕翼环量,就是产生升力的原因。

关于水翼船那些事儿(1)w11.jpg

既然如此,如果不断增加水翼的攻角,绕翼环量是否会一直存在呢?答案是否定的。根据上面提过的康达效应,受流体粘度的限制,水流也只能小角度偏转。当角度过大时,情况就会变成下图这样。水翼上方的气流线会与水翼表面明显分离,分离区域更是大到可以直接形成一个反向涡。于是,绕翼环量大大减小甚至可以忽略不计,升力不够就成了一个必然的结果。这种情况,就是我们提了又提的——失速。

关于水翼船那些事儿(1)w12.jpg

当然,解释失速可以有很多种方式。最后留个小问题,只观察失速时的气流线曲率是否也能解释失速问题呢?欢迎留言~答案请见“关于水翼船那些事儿(2)”。


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发表于 2020-5-13 10:15 | 显示全部楼层
本帖最后由 begun 于 2020-5-13 10:30 编辑

你这文章有一些错误。。

“前圆后尖的流线型在大自然中并不罕见,雨滴” 这是很明显的被习惯误导。只有在画家臆想中的雨滴才是前圆后尖的。真实的在空中滴落的雨滴受表面张力的作用都是接近球形的,并没有个尖锐的尾巴。
image.png

至于为什么雨滴长期被描绘成这个样子,也许画家是按照窗户玻璃上流淌的水滴或者水滴离开附着点的最后一刻的样子(这个时候速度趋近于0和空气阻力没半毛钱关系)来想象出雨点的样子。然后长期以往,在公众眼里就变成一种固化的概念了。这是典型的谎言说一千遍就变真理的故事。


后面一段
“水翼的前缘和后缘都会有一个明显的大转弯,尤其是水翼后缘,几乎是一个U型回旋。所以呢,这种情况显然不会发生”
实际情况是,这就一定会发生,而且实际情况就如同配图中那样会倒流(尽管那个配图画的比例有点夸张,但形状是对的)。也就是上下气流的汇合点 并不是人们简单画的那样必须在后缘尖峰处汇合,而是在后缘上表面汇合。如下面的风洞照片:
P16022403FromP12052701AirfoilStreamlinesFromSearsC.jpg
然而人们总是臆想气流的流线必须是平滑贴着后缘流动的。画图的时候都画了个错误的流线。

关于升力的解释,我可以很明白的告诉大家,绝大多数教科书上说的都是简化的,片面的。这种简化的程度已经到了在事实面前不堪一击的程度。也就是说,你甚至可以说它都是些错误的灌输而已。
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