Миф о скольжении воды (1)

Быстрый корпус — это гладкий корпус. Корпус Вашей яхты достаточно гладкий (2)?

Пол Гримс, Журнал "Sailing World", июнь 1996 г. Перевод Николая Васильева

Вы можете не быть ни яхтсменом, ни ученым. Но каждый раз, спуская яхту на воду, Вы становитесь отчасти аэродинамиком, отчасти гидродинамиком, и отчасти даже космологом (если Вы хотите быть первым!).
Зачастую вполне достаточно знать, что обеспечивает скорость, не зная почему. Но как только Вы зададитесь более сложными вопросами, типа как минимизировать «сопротивление трения», Вы тотчас погрязнете в различных теориях. Одни станут убеждать Вас в необходимости мокрой шлифовки корпуса, другие в необходимости его полировки. Яхта «Stars & Stripes» в 1987 году имела особую микроструктуру поверхности, но может быть в 1996 году следует применять тефлон? В столкновении с таким множеством мнений, остается лишь одно средство — через тернии сложной науки все-таки попытаться добраться до истины. Вы будете приятно удивлены, что этот вопрос вовсе не такой сложный, как это казалось Вам раньше.

Теоретические основы
Условие прилипания

Термин «сопротивление трения» может ввести в заблуждение, когда он применяется для описания сопротивления на поверхности корпуса судна. Говоря о трении, обычно подразумевают наличие двух поверхностей, скользящих друг относительно друга. Но под водой таких поверхностей нет!
В справочниках по динамике жидкости обсуждение этого вопроса обычно начинается с разъяснения условия прилипания (3). Это условие означает, что молекулы жидкости, непосредственно прилегающие к движущейся поверхности, не скользят вдоль нее и не проскальзывают (4). Напротив, давление в жидкости прижимает эти молекулы к поверхности и они прилипают к ней. Это происходит независимо от материала поверхности (гелькаут, краска, пластик), от степени ее шероховатости и от смачиваемости поверхности. Фактически, если бы удалось выявить механизм проскальзывания жидкости по корпусу, а не прилипания к нему, это стало бы важным научным открытием.

Пограничный слой

Чтобы наглядно представить, к чему приводит условие прилипания, вообразите себя в жуткой ситуации: в переполненной станции метро. Вы находитесь в толпе, прижатой к поезду, который уже заполнен и начинает медленно двигаться. Людям, находящимся в контакте с поездом, не остается ничего другого, кроме как двигаться вместе с поездом, и в свою очередь толкать тех, кто прижимает их к поезду. Вы находитесь в шести футах от поезда, но и Вас толкает и тащит за поездом, хотя и не так быстро как двигается сам поезд и люди в непосредственной близости от него. Где-то позади Вас, намного дальше от поезда, этот эффект ослабевает настолько, что движение поезда уже не вызывает движения людей.
То что Вы сейчас вообразили (исключая панику), происходит и с теми молекулами воды, которые прилегают к поверхности корпуса яхты. Область жидкости, которая приводится в движение корпусом, называют пограничным слоем, и течение жидкости в этом слое может находиться в одном из двух состояний — ламинарном или турбулентном.
Если пограничный слой «ламинарный», то он имеет малую толщину и характеризуется малым сопротивлением. Но ламинарный слой очень неустойчив и быстро разрушается, образуя более толстый «турбулентный» слой, который можно наблюдать в кормовой оконечности корпуса или крыльев. Турбулентный слой охватывает большие массы воды и характеризуется большим сопротивлением. Поэтому первая задача доводки подводной поверхности корпуса — затянуть ламинарное течение как можно дальше в корму корпуса и выступающих частей путем создания идеальной поверхности в тех зонах, где может существовать ламинарное течение.
Вторая задача — минимизировать сопротивление в кормовой части корпуса, где течение переходит в турбулентное, и это уже немного проще. Большая часть турбулентного пограничного слоя состоит из хаотических вращающихся вихрей, однако непосредственно у поверхности существует тонкий слой, именуемый «ламинарным подслоем». Если шероховатость поверхности настолько мала, что все пики шероховатости целиком погружены в ламинарный подслой, то такая поверхность является «гидродинамически гладкой». Другими словами, дальнейшее снижение шероховатости этой поверхности уже не приводит к снижению ее сопротивления. Это означает, что в кормовой оконечности корпуса, где поток наверняка будет турбулентным, не требуется такая же чистота поверхности, как в носовой части корпуса, где поток еще остается ламинарным (5).
Рассмотрим два примера: одна яхта идет со скоростью 2 узла, а другая — со скоростью 12 узлов. Лабораторные эксперименты с плоскими пластинами показывают, что переход потока из ламинарного в турбулентное состояние происходит в пределах первых шести футов при скорости 2 узла, и в пределах первого фута при скорости 12 узлов. Но яхты — не плоские пластины, и ходят они не по зеркальной глади буксировочного бассейна, поэтому необходимо учесть и другие факторы, влияющие на переход течения из ламинарного состояния в турбулентное. Лабораторные испытания свидетельствуют, что самым сильным фактором, обеспечивающим ламинарный режим течения, является малая скорость хода. Заметьте также, что при малой скорости хода большая часть полного сопротивления корпуса обусловлена поверхностным трением (а не волновым сопротивлением, как при сильных ветрах). Поэтому чистота поверхности носовой части корпуса, швертов и рулевых перьев особенно важна при слабых ветрах.
Какова же шероховатость «гидродинамически гладкой» поверхности за точкой перехода ламинарного течения в турбулентное? При скорости 2 узла высота бугорков шероховатости не должна превышать 4 мил (0,1 мм) (6). При скорости 12 узлов «допустимая шероховатость» уже менее 1 мил (0,025 мм). Диаметр человеческого волоса составляет около 2,3 мил. При обработке корпуса шлифовальной бумагой №400 он будет гидродинамически гладким в зоне турбулентного течения при скорости хода до 7 узлов. Таким образом, для большинства килевых яхт доводка днища в кормовой оконечности с помощью шлифовальной бумаги №400 вполне приемлема. Для более быстроходных яхт требуется более высокая чистота поверхности.

Жестокая реальность
Корпус на поверхности воды

В реальных условиях форма корпуса или выступающей части (шверт) способствует затягиванию ламинарного течения. Однако, состояние моря способствует его разрушению.
Представьте поток, обтекающий корпус яхты. Он отклоняется в сторону от прямого течения носовой частью корпуса и ускоряется, пока не достигнет самой широкой и глубокой части корпуса. Это ускорение создает «положительный градиент давления», который стабилизирует и продлевает существование ламинарного течения в пограничном слое (7). Такой же эффект существует на килях, что позволяет оттягивать переход ламинарного течения в турбулентное на крыловых профилях и бульбах путем смещения их максимальной толщины в корму (8).
Достойным оппонентом этому позитивному эффекту выступает состояние моря. Турбулентность на поверхности воды вследствие волнения, наличия микроорганизмов и загрязнений может все испортить (9). Яхтенный конструктор Дэвид Педрик, который занимался этим вопросом в течении нескольких серий Кубка Америки, полагает, что неидеальное состояние моря в этой борьбе, как правило, побеждает. «Мы использовали электронные сенсоры и микрофоны, для контроля состояния течения» — говорит он. «Вы тоже можете сделать это, но не больше».
Наиболее благоприятные условия для существования ламинарного течения складываются на киле и руле, поскольку оба имеют хорошо обтекаемую форму и оба заглублены под свободную поверхность моря, на которой сосредоточено большинство возмущений набегающего потока. Аэродинамик и конструктор швертботов Фрэнк Бесвейт спрашивает: «существуют ли поверхности достаточно гладкие для гоночного швертбота?», когда он поднимается на крылья.

Гладкость поверхности и плавность обводов

До сих пор наше внимание было сосредоточено на чистоте поверхности, а не на ее плавности. Под плавностью мы понимаем наличие на корпусе бугров и впадин относительно теоретической кривой (10).
По этому вопросу Карл Киркмен, известный гидродинамик с большим опытом экспериментальных исследований, обнаружил, что корпус нечувствителен к плавным отклонениям формы до тех пор, пока они не сопровождаются резкими изменениями кривизны. «Если на корпусе есть ступенька или выбоина, — говорит Киркмен, — «то это, конечно, существенно. Но корпус может стерпеть и значительную волнистость, если только она не находится там, где оно может стать причиной трансформации потока.»
Педрик согласен с этим, но добавляет, что для килей и рулей чистота и плавность поверхности имеют одинаково важное значение для ходкости.

Смачиваемость и несмачиваемость

Любые дискуссии о «быстрой поверхности» корпуса в конечном счете приводят к вопросу должна ли вода смачивать корпус или нет. «Смачиваемость не имеет существенного значения», — говорит Киркмен: «Смачиваемость есть функция поверхностных напряжений на поверхности корпуса и жидкости, и никто не сможет объяснить мне, как оно может повлиять на сопротивление трения подводной части корпуса.»
При этом и Педрик и Киркмен не считают хорошей идеей использование различных паст на основе воска, так как они могут иметь хорошую адгезию к различным загрязнениям воды и/или вступать с ними в химическую реакцию, так что чистота поверхности может оказаться хуже чем после мокрой шлифовки.

Что такое риблеты?

Риблеты были применены на днище 12-метровой яхты «Stars & Stripes» в серии Кубка Америки 1987 года. Это тонкие v-образные канавки, которые были созданы на корпусе с помощью виниловой пленки (от компании 3-M). Вскоре после их телевизионного дебюта риблеты были запрещены правилами соревнований, которые сегодня запрещают «намеренно текстурированные» поверхности, которые изменяют «характер течения в пограничном слое».
Хорошо. Но что если Вы, старательно с водой отшлифовали вновь покрашенное днище до получения «гидродинамически гладкой» поверхности. Не сотворить ли Вам «чудо» и не пройтись ли аккуратно от носа до кормы шлифовальной бумагой №220, спустив на воду «эту чертову штуку»?
К сожалению для протестового комитета не имеет значения, как именно была создана текстура. Первые работы по риблетам показали, что их эффективность зависит от геометрии тонких канавок, и что скругленные канавки приводят к росту сопротивления.
Они также показали, что риблеты провоцируют более ранний переход ламинарного течения в турбулентное, чем на гладкой поверхности (11). Как указывает Киркмен, оптимальная высота риблет зависит от скорости, так что любая конкретная геометрия риблет — это компромисс. Так что попытки имитировать правильные риблеты с помощью шлифовальной бумаги №220 скорее увеличат сопротивления корпуса, чем уменьшат его.

Доводка подводной поверхности

Теперь нужно договориться о нескольких вещах. Шверты должны быть отполированы до зеркального состояния. Для килевых яхт и неглиссирующих швертботов при легких ветрах корпус должен быть идеально отполирован по крайней мере до миделя. За миделем для килевых яхт будет достаточно шлифовки бумагой №400. Для быстроходных яхт корпус должен быть идеально отполирован от носа до кормы.
Но что такое идеальная чистота поверхности? Следует пользоваться красой или гелькаутом? И как поддерживать эту чистоту? Здесь рассмотрены некоторые из этих вопросов.

Волшебные краски

Мы слышали о водоотталкивающих красках, о красках дающих смачиваемую поверхность, которые «обеспечивают меньшее сопротивление, так как трение воды об воду меньше, чем трение воды о твердую поверхность», и о красках с низким коэффициентом сопротивления. Сталкиваясь с подобными объяснениями их эффективности, помните, что химические свойства краски смогут уменьшить сопротивление только при условии идеальной чистоты поверхности: либо допуская распыление краски на более чистую поверхность и образуя более твердую поверхность для более тонкой влажной шлифовки, либо снижая адгезию для микроорганизмов и загрязнений. Любые другие объяснения затрагивают условие прилипания. Можно надеяться, что кто-нибудь найдет способ обеспечить скольжение воды по поверхности корпуса, но до этих пор считайте, что условие прилипания по-прежнему в силе, и значение имеет лишь чистота поверхности.
К результатам испытаний, которые показывают снижение сопротивления благодаря рекламируемой краске, в целом следует относиться скептически. К примеру снижение сопротивления на 10% приведет к гигантскому преимуществу по скорости в любом монотипном классе яхт. Если это произойдет, об этом сразу станет известно.

Гелькаут

Яхтсмены часто сомневаются в качестве поверхности нового корпуса, если корпус покрыт гелькаутом. Даже если по бликам отраженного света видна некоторая волнистость поверхности, в действительности поверхность может иметь достаточно высокое качество. Так как человеческий глаз сверхчувствителен к бликам, то на блестящих поверхностях видны любые самые незначительные изъяны. Корпуса с матовой поверхностью, например после влажной шлифовки, могут выглядеть гораздо лучше, но если их сделать глянцевыми, скорее всего блики также вскроют все их изъяны. Если Вы твердо не уверены в наличии слишком большой шероховатости или серьезных нарушений плавности обводов, то Вам лучше сосредоточить усилия на Вашем киле, шверте и руле.
Иногда на поверхности гелькаута встречаются явные дефекты типа «апельсиновой кожуры» (12) или «тканевой структуры» (13). Это означает, что поверхность может быть достаточно плавной, но чистота поверхности слишком низкая. Если Вы решились на мокрую шлифовку корпуса, покрытого гелькаутом, лучше всего будет заново отполировать подводную поверхность корпуса в яхтенной мастерской с нанесением нового слоя гелькаута или защитного слоя эпоксидной краски.
Однако без достаточных причин не стоит шлифовать поверхность из гелькаута. После нанесения поверхностный слой гелькаута изобилует синтетическими смолами, которые весьма устойчивы к воздействию внешних факторов. Удаление этого слоя приводит не только к более быстрому выцветанию, но может вскрыть поры, имеющиеся в толще гелькаута. Эти поры не имеют большого значения с точки зрения сопротивления (влияние крошечных выступов, например, прилипшей дорожной грязи, гораздо сильнее), но приводят к снижению эффективности гелькаута, как защиты стеклопластиковой оболочки корпуса от воды.
Для гелькаута наилучший способ сохранить чистоту поверхности — это мыло и вода. Многие яхтсмены наносят слой жидкого мыла перед спуском на воду, чтобы сохранить корпус в чистоте при выходе из грязной гавани. Хотя это и дает эффект, но при этом мыло дополнительно загрязняет акваторию. В качестве альтернативы некоторые яхтсмены полируют днище. В любом случае принимайте меры для защиты корпуса от загрязнителей. Помните, что пасты на основе воска не рекомендуются.
Если поверхность корпуса доводится по эпоксидному грунту, то можно также использовать мокрую шлифовку. Но шлифованная поверхность будет пачкаться быстрее, чем после полировки или покрытия гелькаутом, как это было сделано на Кубке Америки.

Идеальный корпус

Наверное лучший способ выяснить, как доводят корпус специалисты, изучить доводку корпусов претендентами на Кубок Америки. Эти яхты хранятся на воздухе, поэтому они не нуждаются в защите от обрастания, или в красках предназначенных для длительного нахождения в воде. Однако, есть еще несколько важных моментов.
По крайней мере среди американских синдикатов, наблюдаются незначительные отклонения от описания Педрика: «Мы начинаем с получения поверхности наивысшей твердости. Начиная со смелой попытки в 1974 году, на всех лодках используются краски компании Awlgrip, поскольку каталитически отвержденный уретан обеспечивает сверхвысокую твердость поверхности. Поверхность шлифуется с водой бумагой №600, причем завершение шлифовки выполняется по линиям тока — для минимизации негативного влияния остаточной шероховатости. Перед спуском, наносится моющее средство для предохранения от масел и загрязнения».
Как видите, это не сложно. Поверхности выступающие частей должны иметь наивысшую степень чистоты, и носовая часть корпуса должна быть безупречна. В корму от ожидаемой точки перехода ламинарного течения в турбулентное (где-то в районе миделя), поверхность должна быть лишь «гидродинамически гладкой». Если же вы столкнетесь с какой-нибудь мистикой, вспомните об условии прилипания.

Пол Гримс был членом американского студенческого союза яхтсменов в университете Брауна, инженером в компании Тиллотсон-Пирсон, в настоящее время владеет компанией «Fusion Composites» в Миддлтауне.

Примечания переводчика.

1  В оригинале «Slip Sliding Away». Видимо игра слов: одно из значений slip — ошибка, а sliding away можно перевести как исчезновение. (Здесь и далее примечания переводчика.)
2  Далее для терминов «smooth», «smootness» и эквивалентных им по смыслу вместо слова «гладкость» часто используется специальный технический термин «чистота поверхности», характеризующий степень шероховатости поверхности.
3  В оригинале используется термин «no-slip condition», который буквально означает «условие отсутствия проскальзывания». В русскоязычной технической литературе общепринят термин «условие прилипания».
4  Оба термина «slide» и «slip» означают скольжение. Но первый обычно употребляется при описании непрерывного скольжения, а второй — при описании прерывистого процесса: скользнул–остановился и т.д.
5 Здесь подразумевается одно не упомянутое обстоятельство. В любом течении существует пристенная область, где возмущения потока (например, от пиков шероховатости) затухают без катастрофических последствий для режима течения в целом. В турбулентном потоке эта пристенная область называется ламинарным подслоем. В ламинарном потоке такая пристенная область тоже существует, но ее толщина гораздо меньше. Поэтому требования к чистоте поверхности при ламинарном течении гораздо выше.
6  Единица измерения длины. 1 мил = 0.001 дюйма = 0.0254 мм.
7  Распределение давления по корпусу реальной яхты существенно зависит от числа Фруда, от углов крена и дрейфа, и может значительно отличаться на подветренном и наветренном борту. Но в целом можно считать, что в носовой части корпуса (до миделя) условия существования ламинарного течения более благоприятны по сравнению с плоской пластиной.
8  Существует множество ламинаризованных крыловых профилей, симметричных и несимметричных, максимум толщины которых удален от носика профиля дальше, чем, например, на обычных NACA-профилях.
9 Устойчивость ламинарного течения существенно зависит от степени турбулентности набегающего потока. Естественная турбулентность может рассматриваться как естественный турбулизатор потока в пограничном слое корпуса, который действует независимо от качества поверхности. В поверхностном слое моря естественная турбулентность, как правило, самая высокая.
10 Термин «fairness» — «плавность» в трактовке автора означает точность изготовления корпуса. Обычно же под плавностью обводов (т.е. линий теоретического чертежа) понимается плавность изменения самой линии, угла наклона ее касательной и ее кривизны.
11  Это утверждение представляется весьма спорным.
12  Т.е. мелкие бугорки, как на поверхности апельсина. Иногда используют также термин «шагреневая кожа».
13  После распыления гелькаут не растекся по поверхности, а застыл с образованием поверхности, как на грубой шлифовальной бумаге. Случается при нарушениях технологии.

Перевод: Н.В. Васильев, Email:science@vnv.spb.su Дата создания 16.12.06

 

Информационные спонсоры Программы:    Alexander Bruhn, Германия , фирма "КАТЕР ЛАЙФ",
Координатор - Антипов Сергей Михайлович, тел +7 903 675-2156