Использование XFLR5 для  изучения возможности кавитации крыла в воде (Aleon 2011)

При использовании программы Xfoil желательно не забывать от отличиях  движения крыла  в воде от воздуха.

1)  Из-за больше вязкости воды при той же скорости движения и длине хорды Числа Рейнольдса в 11-13 раз  выше , то есть точка перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный лежит выше по потоку . Обязательно необходимо указывать правильные числа  Рейнольдса.
На небольшой глубине и при ветре  вода более возмущена , выбор Ncrit ( парметр определяющий тточку перехода) необходимо брать ниже, в конференциях  рекомендуют 1-3

2)  При понижении давления  есть возможность воды закипать - пузыриться  ..По соотношению  "Бернулли"  давление локально на плавнике может понизиться очень сильно  ,зависит от местных скоростей на профиле ( от вида о профиля и угла атаки) .
И тогда  начинает сказываться способность жидкости закипать - пузыриться в местах местного понижения  Cp  . Обычный ориентировочный критерий: если коэффициент избыточного давления ( разряжения)  Cp  на крыле стал  ниже минус сигмы -числа кавитации , (см ниже), то очень  вероятно начало появления пузырьков в этих местах на профиле .  Все это -классика скоростных подводных крыльев ...некоторые избранные главы учебников и справочников - внизу страницы.. Поэтому для профилей принято строить  так называемые кавитационные диаграммы ( это график минимума Cp на данном профиля в зависимости  от угла атаки)

Для удобства  моделирования  процессов  зарождения кавитации ввели число кавитации ,  назовем сигма ,это отношение запаса давления к скоростному напору . При увеличении скорости ,как видно ,сигма падет очень быcтро : пропорционально квадрату скорости ,
Например, в наших условия вертикального плавника в воде( глубина малая  ) при внешнем нормальном атм. давлении около
766 мм рт столба (10**5 Па )

сигма равно примерно =2  при 10 м.сек( 36 км.час) ;
сигма =1 при 14 м.сек,
а  при 20 м.сек( 72 км.час) сигма вообще =0.5 .

Более точно - надо учитывать еще глубину(  1 Атмосфера=10 м глубины примерно) и точнее с внешним атмосферным давлением (чуть  меняется от погоды). Но учитывая малые глубины, для оценок начала кавитации на плавнике  остановимся на этих цифрах ..




Вот есть хорошие фотографии при экспериментах в гидро лотке c профилем NASA 0015 при  разных числах кавитации( сигма) - 1.96 и  1.54,
. Фото при угле  атаки 8.36:  

Скорость  в опыте - 8 м.сек ,для получения разных чисел кавитации меняли  внешнее давление
http://www.fluidlab.naoe.t.u-tokyo.ac.jp/Research/CavPictures/index.html.en

профиль NASA 0015,  8.36deg, 8m/s, cavitation number: 1.96 - сравним с белой линий на графике ниже от Xfoil



Bird's-eye view  (NACA 0015, 8.36deg, 8m/s, cavitation number: 1.54 - зеленая линия на графике Cp

Для сравнения с этими фотографиям участков появления пузырей   
с помощью программы   Xfoil построим  теоретическое распределение избыточного давления Cp по этому профилю (NASA 0015 )
при угле 8.36 градусов



Видно что критерий начала зарождения кавитации:  Cpmin= минус сигма    неплохо схватывает суть явления!

Картина плавного классического обтекания нарушена ! При появлении пузырьков распределение давление становится отличным от классического, особенно в зонах зарождающейся кавитации  .  Cy  по-немногу падает.
 При увеличении зоны пузырьков  Гидро Качество крыла становится все хуже и хуже . Понятно что в этих зонах сложно рассчитывать на классическое пониженное давление и  предсказываемые CY .Несущие свойства крыла уменьшаются

Повторюсь, что  число кавитации при виндсерфинговых обычных  условиях примерно равно
сигма  =2 при 10 м.сек ( 36 км.час) - довольно большой запас по давлению,
сигма  =1.5 при 12-13 м.сек ( 42-44 км.час) - уменьшается быстро
сигма = 0.5 при 20 м.сек( 72 км.час)-

Поэтому ясно что все эти проблемы более актуальны при больших скоростях ..

Можно сказать что число кавитации со знаком минус есть некоторая  ориентировочная линия  на теоретическом графике распределения Cp по профилю,  ниже которой не получится  опуститься  местному давлению на наветренной стороне  профиля в воде для данной скорости и углу атаки( он определяет лифт-CY и соответсвенно распределение  Cp , так как здесь  будут появляться пузырьки ...

Поэтому  для больших скоростей проектируют такие профили которые бы имели более "полочное" распределение Cp , без пиков выходящих за минус сигма в некотором диапазоне  углов .Получались они со смещенной назад точкой максимальной толщины и довольно острыми носиками.
 Из известных профилей пользовались 16, 64 и 66 серией NACA, для Спк -профили Вальхнера , известны разработки Epller 818, 817( несимметричные) и симметричные  836,837 серии

У плавника угол атаки   при одинаковой боковой загрузке тоже падает примерно пропорционально квадрату скорости ,вопрос насколько маленьким по площади можно взять плавник , чтобы обеспечить высокое  качество при заданной скорости и загрузке ..
Что будет например при 72 км.час ( сигма = 0.5) . О  привычных больших углах атаки обычного симметричного профиля  уже говорить сложнее, из-за  возможной  зоны зарождающейся кавитации,  если  значения Cp уйдут ниже минус 0.5 ... Обычно  на этой скорости диапазон углов на симметричном профиле  всего до 3-5 градусов
Это нужно учитывать при выборе площади и профиля плавника ...Отрывы на больших скоростях из-за кавитации происходят гораздо раньше по углу атаки чем обычный отрыв погран. слоя...


По теме еще некоторые параграфы из классики подводных крыльев

а)о кавитации , б)  где начинается на  крыле
в)  для скоростных СПК :

Aleon 2011