Der Twist-Flow-Windkanal der Yacht Research Unit Kiel

Twist Flow Windkanal der YRU-Kiel 26. Symposium Yachtentwurf und Yachtbau 2005
Der Twist-Flow-Windkanal der Yacht Research Unit Kiel
Dipl.-Ing. O. Müller, olaf.mueller@yru-kiel.de
Dr.-Ing. K. Graf, kai.graf@fh-kiel.de
Abstract
This paper introduces the new Twist Flow Wind Tunnel at Yacht Research Unit Kiel. The
principle of twisted apparend wind and its impact on sail trimming is described as well as the
main mechanical components of the wind tunnel. A basic introduction of the theory behind wind
tunnel test data and data processing is given. Some results are shown. A chapter of the paper
focuses on, how small sailmakers and yachtdesigner can make use of the wind tunnel to develop
their products.
1 Einleitung
Der Segelsport hat sich in den vergangenen Jahrzehnten technologisch stark entwickelt. Während
in früheren Zeiten die Erfahrung und Intuition eines Yachtdesigners oder Segelmachers
ausreichte, eine erfolgreiche Yacht bzw. ein schnelles Segel zu entwickeln, werden heute
ingenieurmäßige und technisch-wissenschaftliche Verfahren angewandt, um Yachten zu
analysieren und zu optimieren. Diese Entwicklung, die im Leistungssport, etwa in olympischen
Bootsklassen oder im Americas Cup, bereits Realität ist, dominiert in steigendem Unfang auch
den Entwurf und die Konstruktion konventioneller Yachten und Segel.
Zu den strömungsmechanischen Analyseverfahren, die bei der Leistungsprognose von Yachten
eingesetzt werden, gehören bereits seit vielen Jahren Windkanalversuche zur Untersuchung von
Rigg und Segeln, dem Antriebssystem einer Yacht. Bis heute werden Windkanalversuche
allerdings nur im Ausnahmefall durchgeführt. Professionelle Segelsportkampagnen wie
Americas-Cup- oder VOR-Kampagnen, aber auch einige wenige große Segelmachereien nutzen
den Windkanal zur Analyse ihrer Yachten oder zur Entwicklung neuerer Generationen von
Yachtsegeln. Es ist grundsätzlich möglich, Windkanalversuche mit Yachtriggs in jedem
beliebigen Windkanal durchzuführen, solange der Strömungsquerschnitt gestattet, Modelle mit
einer gewissen Mindestspannweite zu untersuchen. Für Yachtuntersuchungen besser geeignet
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sind aber sogenannte Twist-Flow-Windkanäle, in dem ein höhenabhängiger Windeinfallswinkel
simuliert werden kann.
Die Yacht Research Unit an der FH Kiel errichtet derzeit einen neuen Twist-Flow-Windkanal,
der für die Untersuchung von Yachtsegeln besonders geeignet ist. Der Windkanal wird zum einen
errichtet, um die Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten der YRU-Kiel zu unterstützen. Hier
dient er primär zur Verifikation und Korrelation von Strömungssimulationsverfahren. Die zweite
wichtige Motivation zur Errichtung des Windkanals ist es, den kleinen und mittleren
Segelmachereien der Region Zugang zu einer Entwicklungsressource zu ermöglichen, der bisher
nur den wenigen, international arbeitenden Segelmachereien zugänglich war. So ist es explizite
Zielsetzung der YRU-Kiel, die kleineren, handwerklich orientierten Segelmachereien bei der
Entwicklung neuer Segelschnitt-Familien zu unterstützen.
Die Errichtung des Windkanals und die Entwicklung der dazugehörenden
Untersuchungstechniken werden vom Wirtschaftsministerium des Landes Schleswig-Holstein aus
dem Regionalprogramm 2000 mit Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung
(EFRE) gefördert.
2 Twist-Flow
In natürlicher Umgebung ist die Windgeschwindigkeit von der Höhe abhängig. Eine
meteorologische Windgeschwindigkeitsangabe ist in der Regel auf eine Referenzhöhe, z.B. 10 m,
bezogen. Die tatsächliche Windgeschwindigkeit berechet sich dann mit:
z
TWS )
10m
e
( z)
= TWSz
= 10m
(
( 2.1 )
mit der Windgeschwindigkeit TWS (True Wind Speed) und der Höhe über dem Wasserspiegel z.
e ist ein Exponent, der vom Segelrevier abhängig ist. Ein typischer Wert ist e=1/7. Bewegt sich
eine Segelyacht zu diesem wahren Wind der Geschwindigkeit TWS unter einem Winkel von
TWA mit der Bootsgeschwindigkeit u beim Abdriftwinkel β, dann berechnen sich scheinbare
Windgeschwindigkeit AWS und scheinbarer Windeinfallswinkel AWA mit:
AWS ( z)
+ β
2
2
= ( TWS ( z)
cos TWA + u cos β ) + ( TWS ( z)
sin TWA u sin ) ( 2.2 )
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TWS(
z)
sinTWA
+ u sin β
AWA(
z)
= arctan
( 2.3 )
TWS(
z)
cosTWA
+ u cosβ
wobei beachtet werden muss, dass β und TWA immer verschiedene Vorzeichen haben. Sowohl
AWS als auch AWA sind von der Höhenkoordinate z abhängig.
Mittels dieser Formeln lässt sich zeigen, dass der Twistwinkel des Windes für typische Windund
Bootsgeschwindigkeitsverhältnisse auf Raumschotskursen etwa 15-20°, auf Am-Wind-
Kursen etwa 4-7° beträgt. Bezogen auf typische Anstellwinkel des Segelprofils zum Wind sind
das etwa 15-30%. Selbstverständlich hat diese Variation des Anströmwinkels mit der
Höhenkoordinate erheblichen Einfluss auf Segelschnitt und Segeltrimm.
3 Beschreibung des Windkanals
3.1 Hauptabmessung und Voruntersuchungen
Der Windkanal der YRU-Kiel entsteht in offener Bauweise, d.h. das Modell befindet sich in
einem ungetunnelten Bereich des Windkanals. Durch diese Anordnung wird vermieden, dass ein
Druckgradient im Windtunnel die Umströmung des Modells beeinflusst. Weitere Vorteile sind
freie Sicht und offenen Zugang zum Modell. Die Luft wird frei in ein großes Hallenvolumen
ausgeblasen. Der Windkanal wurde ausgelegt für eine Masthöhe von 1,80 m und eine
Windgeschwindigkeit von 8-11 m/s. Der Messquerschnitt hat eine Breite von 3,6 m und eine
Höhe von 2,4 m. Größere Modell-Masthöhen sind durchaus wünschenswert, hier wurden aber
enge Grenzen durch Budget und Bauplatz gesetzt.
Die kompakten Abmessungen des Windkanals, die wegen Platzmangel in der Bauhalle
erforderlich waren, ließen Zweifel aufkommen, ob die Zuströmung des Modells hinreichend
homogen und drallfrei war. Mittels Strömungssimulationsverfahren wurde in einem frühen
Projektstadium ermittelt, welche Mindestquerschnitte und
Strömungskonditionierungsmaßnahmen ergriffen werden mussten, um dies zu erreichen.
Abbildung 3-1 zeigt das Ergebnis einer RANSE-Simulation. Die linke Abbildung zeigt das
Ergebnis einer Simulation, bei der noch keine Vanes (Strömungsumlenkschaufeln) und
Gleichrichter vorhanden sind. Die Strömung ist erheblich verdrallt und inhomogen. Durch Vanes
und Gleichrichter (rechte Abbildung) wird die Strömung ganz erheblich homogenisiert. Örtlich
wich die Geschwindigkeit im Messquerschnitt nur noch um 1-2% vom Mittelwert der
Strömungsgeschwindigkeit ab.
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Abbildung 3-1: Strömungssimulationsergebnisse des Windkanals
Links: ohne Vanes, rechts: mit Vanes und Gleichrichtern
Die Gesamtlänge des Windkanals beträgt etwa 17 m, die Breite 5 m und die Höhe 6.5 m. Der
Windkanal wurde in Holz-Ständerbauweise errichtet.
3.2 Ventilatoren Kanal, und Strömungskonditionierung
Als Antriebssystem kommen zwei Axialventilatoren mit zusammen 60 kW Leistung zum Einsatz.
Die Regelung der Ventilatoren erfolgt stufenlos über einen Frequenzumrichter. Dieser wird von
einem PC mittels Datenleitung und geeigneter Software gesteuert.
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Die luftführenden Teile hinter den Ventilatoren des Windkanals sind in mehrere Baugruppen
unterteilt:
• Diffusoren
• Setzkammer
• Kontraktion
• Umlenkvorrichtungen, Gleichrichter, Siebe, Rauhigkeitselemente
• Grenzschichtkanal
• Twist-Flow-Vorhang
In den Diffusoren erfolgt eine Aufweitung des Kanalquerschnitts. Dadurch verzögert sich die
Strömungsgeschwindigkeit. Infolge dessen wird der dynamische Druck hinter den Ventilatoren
abgebaut und in statischen Druck umgewandelt. Der Druckrückgewinn wurde in die Auslegung
der Ventilatoren mit einbezogen. Die Diffusoren sind zudem als Schalldämpfer ausgelegt, d.h. sie
sind aus Lochblech gebaut und gedämmt. In der Setzkammer erreicht der Kanal seinen größten
Querschnitt. Dieser Raum ist mit zusätzlichen Leitschaufeln ausgestattet, zusammen mit dem
stark expandierten Raumvolumen tragen diese Bauteile zur Beruhigung der Luftbewegung bei.
Die Kontraktion, eine Düse hinter der Setzkammer, verengt den Kanalquerschnitt und
beschleunigt die Luftströmung. Dabei findet eine weitere Vergleichmäßigung der Strömung statt.
Die Beschleunigung der in der Setzkammer beruhigten Strömung reduziert auch den
Turbulenzgrad.
Mit wabenförmigen Gleichrichtern werden verbleibende Wirbel aus der Winderzeugung
aufgebrochen. Die vertikale Geschwindigkeitsverteilung wird mit Screens, das sind Siebe
unterschiedlicher Dichte, hergestellt. Mit Rauhigkeitselementen wird im Grenzschichtkanal
das gewünschte Geschwindigkeitsprofil simuliert.
Die Vertwistung der Strömung erfolgt mit einem Twist-Flow-Vorhang. Der Twist-Flow-
Vorhang besteht aus mehreren vertikalen Lamellen und erlaubt eine Anpassung des
Windeinfallwinkels mit zunehmender Höhenkoordinate.
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3.3 Modell
Abbildung 3-2: Gleichrichter, Vanes, Diffusor und Twist-Flow-Vorhang
Das Windkanalmodell wurde entwickelt mit der Zielsetzung, mit einem einigen Modell eine
Vielzahl von Boots- und Riggvarianten zu testen. Dementsprechend wurde das Modell so
variabel gestaltet, dass es mit geringem Aufwand auf verschiedene Boots- und Riggvarianten
umgerüstet werden kann.
Die bedeutendste Hauptabmessung des Modells ist die Riggspannweite, die im vorliegenden Fall
1.80 m beträgt. Das Modell besteht aus einer sehr soliden Rahmenkonstruktion, um die
Rumpfmodelle beliebiger Abmessungen montiert werden können. Das Rigg ist auf der
Rahmenkonstruktion befestigt, die alle Riggkräfte aufnimmt. Es kann mit einfachen Mitteln
variiert werden. So ist es möglich, die Anzahl der Salinge zu variieren, den Anschlagspunkt des
Vorstags und des Spinnakers wie auch den Abstand des Mastes vom Deckanschlagpunkt des
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Vorstages (J). Die Rumpfhülle aus Kunststoff besitzt nur eine aeromechanische Funktion. Länge,
Freibord und Breite des Rumpfes werden üblicherweise angepasst an die Spannweite des Riggs.
Das vorhandene Modell gestattet es, mit sehr geringem Aufwand umgerüstet zu werden, dass
sowohl breite IMS-Yachten als auch sehr schmale ACC-Yachten getestet werden können.
In die Rahmenkonstruktion integriert sind Servomotoren für alle notwendigen
Trimmvorrichtungen. Für das Testen von Vorwind-Segeln sind das:
• Großsegelschot
• Baumniederholer
• Spinnakerschot und Achterholer
• Spinnakerschot-Barberholer
• Spinnakerbaum-Toppnant und Niederholer
Sämtliche Servomotoren werden digital mittels PC und geeigneter Software angesteuert.
Abbildung 3-3: Rahmengestell und Rumpf des Windkanal-Models
3.4 Messwaage und Messtechnik
Der Windkanal wird mit einer 6-Komponenten-Messwaage ausgerüstet. Sie misst Kräfte in
Schiffslängsrichtung, in Querschiffsrichtung sowie senkrecht zur Wasseroberfläche. Es werden
ferner das Krängungsmoment, das Giermoment und das Trimmmoment erfasst.
Die 6-Komponenten-Messwaage ist eine Eigenentwicklung, konstruiert und gebaut an der FH
Kiel. Sie ist aufgebaut aus insgesamt 7 Load-Cells, das sind Kraftsensoren auf DMS-Basis. Eine
geeignete Mechanik entkoppelt diese Load-Cells. Auftriebskörper nivellieren das Eigengewicht
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von Messwaage und Modell. Die Bestimmung der horizontalen Kräfte erfolgt im Rahmen der
Untersuchungen immer in Bezug auf die Schiffslängsachse, daher sind Messwaage und Modell
als geschlossenes System konzipiert. Messwaage und Modell werden gemeinsam von einem
Schrittmotor gedreht.
Abbildung 3-4: 6-Komponenten-Messwaage
3.5 Servo-Ansteuerung und Messdatenerfassung
Die Steuerung der Trimmeinrichtungen, der Windgeschwindigkeit, des Windeinfallwinkels und
die Messdatenerfassung erfolgen in einer integrierten PC-basierten Mess- und Regelkette. Die
Signale der Load-Cells werden verstärkt, gefiltert und dann einem A/D-Wandler zugeführt, der
als PC-Einsteckkarte im Messrechner integriert ist. Die Servomotoren der Trimmeinrichtungen
werden direkt über die digitalen Ports der A/D-Wandlerkarte gesteuert. Die Messwert- und
Signalverarbeitung im PC erfolgt mit dem System LabView von National Instruments. Mittels
virtueller Instrumente und Aktuatoren wird die gesamte Versuchsanlage vom PC aus gesteuert.
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Abbildung 3-5: Frontpanel für die Steuerung der Servomotoren der Trimmeinrichtungen
3.6 Fertigstellung und Anwendung in der Praxis
Die YRU-Kiel forscht und entwickelt seit vielen Jahren auf dem Gebiet der Aero- und
Hydromechanik von Yachten. Ein Schwerpunkt ist dabei Anwendung und Entwicklung von
Strömungssimulationsverfahren. Diese Verfahren bedürfen bis heute einer Verifikation und
Kalibrierung durch geeignete Modellversuche. Dies gilt insbesondere für die Simulation der
Umströmung von Spinnakern, zum einen wegen der komplexen Strömungsverhältnisse,
insbesondere aber wegen der Verformung des Spinnakers unter Windlast. Im Rahmen der Studie
FlexSail werden Windkanaluntersuchungen durchgeführt, um entsprechende Ergebnisse mit
Simulationsergebnissen zu vergleichen. In diesen Windkanalversuchen werden nicht nur die auf
den Spinnaker wirkenden Kräfte ermittelt, sondern auch differenzielle Strömungsgrößen mittels
Laser Doppler Anemometrie vermessen. Es ist ferner geplant, die Form des Segels unter
Windlast, den sogenannten Flying-Shape des Segels zu ermitteln.
Windkanaluntersuchungen der YRU-Kiel beschränken sich jedoch nicht auf Eigenforschung. Es
ist insbesondere beabsichtigt, die Untersuchungstechnik der Windkanaltests für Segelmachereien
verfügbar zu machen. Es soll so erreicht werden, dass kleine und mittlere Betriebe der
Segelmacherbranche Zugang zu einer Untersuchungs- und Optimierungstechnik erhalten, die
bisher den großen international arbeitenden Segelmachereien vorbehalten war.
Damit Segelmachereien Nutzen aus Windkanaluntersuchungen ziehen können, müssen diese
immer in ein Gesamtuntersuchungskonzept eingebunden sein. Dies beinhaltet:
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• Entwicklung von Segelschnittfamilien aus bestehenden Moulds
• Fertigung von Modellsegeln
• Durchführung und Auswertung von Windkanalversuchen
• Integration von Windkanalergebnissen in ein Geschwindigkeitsprognoseprogramm
• Geschwindigkeitsprognose und Bewertung
Die YRU-Kiel ist darauf eingerichtet, die oben genannten Einzelschritte einer Optimierung von
Segelschnitten in Kooperation mit den Segelmachern durchzuführen. Dabei spielt das
Geschwindigkeitsprognoseprogramm AVPP, eine Eigenentwicklung der YRU-Kiel, eine zentrale
Rolle. AVPP ist ein Postprozessor sowohl für Schlepptankergebnisse als auch für Ergebnisse aus
dem Windkanal. Durch Integration von Windtunnelergebnissen in AVPP werden Segelschnitte
bewertet. Werden Windkanaluntersuchungen durch Segelmachereien durchgeführt, erhalten diese
nicht nur die Windkanal-Messergebnisse, sondern auch das Werkzeug AVPP, um ihre Segel zu
bewerten. Sie sind damit in der Lage, ihren eigenen Kunden den Nutzen von im Windkanal
optimierten Segeln zu demonstrieren.
4 Verarbeitung von Windkanal-Messergebnissen
Zum Zeitpunkt der Drucklegung dieses Aufsatzes lagen noch keine Ergebnisse aus dem neuen
Windkanal vor. Es werden daher an dieser Stelle exemplarisch Ergebnisse aus anderen
Windkanaluntersuchungen herangezogen, die von der YRU-Kiel durchgeführt wurden.
4.1 Vortriebs- und Querkraftkoeffizienten von Segelsätzen
Als Ergebnis einer Windkanaluntersuchung liegen in der Regel tabellarische Messwerte der
aerodynamischen Kräfte und Momente in Abhängigkeit des Windeinfallwinkels vor. Diese
werden ermittelt für einen Segeltrimm, bei dem die Vortriebskräfte ein Maximum aufweisen.
Sollen diese Messwerte auf die Großausführung übertragen werden, sind Ähnlichkeitsgesetze zu
beachten. Wie bei vielen experimentellen schiffbaulichen Strömungsuntersuchungen gelingt es
auch bei Windkanaluntersuchungen nicht, alle relevanten Ähnlichkeitsgesetzte zu erfüllen. Die
Reynoldssche Zahl:
S AWS
Rn = ( 4.1 )
h ν
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wird gebildet mit der Segelfläche S, der Spannweite des Riggs (Abstand Wasseroberfläche
Masttop) h, der scheinbare Windgeschwindigkeit AWS und der kinematische Viskosität ν. Die
Windgeschwindigkeit im Windkanal ist von gleicher Größenordnung wie bei der
Großausführung, d.h. die Reynoldssche Zahl ist im Modellversuch etwa um den Maßstabsfaktor
zu klein. Dies wird üblicherweise akzeptiert. Im Schiffbau sind Modellversuche üblich, bei denen
die Reynoldssche Zahl im Modellversuch um den Faktor 500 und mehr kleiner ist als bei der
Großausführung. CFD-Untersuchungen zeigen zudem, dass der von der Reynoldsschen Zahl
abhängige Reibungswiderstand nur einen kleinen Teil am Gesamtwiderstand hat, so dass der
systematische Fehler durch die zu kleine Reynoldssche Zahl klein ist. Voraussetzung ist
allerdings, dass im Modell und Großausführung ähnliche Strömungskondition vorliegt und das
Separation nur an definierbaren geometriebedingten Stellen auftritt.
Dynamische Ähnlichkeit: Das Verhältnis Tuchgewicht je Fläche zum Staudruck der Anströmung
muss für Schiff und Modell gleich sein. Außerdem muss das Verhältnis der Spannungen im
Segeltuch zum Staudruck der Anströmung für Schiff und Modell gleich sein. Diese beiden
Ähnlichkeitsbedingungen lassen sich nicht zugleich herstellen. Während das erste dynamische
Ähnlichkeitsgesetz zu Tuchgewichten ähnlich der Großausführung führt, müssen nach dem
zweiten dynamischen Ähnlichkeitsgesetz die Tuchgewichte im Modellversuch umgekehrt zu den
Membrankrümmungen des Segels abnehmen.
Bei vergleichenden Untersuchungen – etwa von Segelsätzen – wird meist völlig auf eine
Übertragung von Modellversuchsergebnissen auf die Großausführung verzichtet. Es werden aus
den Modellergebnissen Strömungskraftkoeffizienten gebildet:
c
FX
= ( 4.2 )
0. 5ρAWS
S
X 2
Re f
Hier ist cX der Vortriebskoeffizient, FX die gemessene Vortriebskraft und ρ die Dichte der Luft.
Dabei muss sowohl der Definition der Segelfläche als auch der Windgeschwindigkeit besondere
Aufmerksamkeit gewidmet werden. Als Segelfläche wird von den Autoren üblicherweise die
Segelfläche herangezogen, die sich aus den Klassebestimmungen für das einzelne Modell ergibt,
unabhängig von der tatsächlichen Tuchfläche. Die Windgeschwindigkeit wird berechnet mit:
1 2
∫
AWS Re f = AWS ( z)
dz
( 4.3 )
h
h
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In ähnlicher Weise definiert man einen Krängungskraftkoeffizienten, gebildet mit der Kraft, die
senkrecht auf der Ebene steht, die von der Centerline und dem Mast aufgespannt wird.
Abbildung 4-1 zeigt den Vortriebskraftkoeffizienten für einen Vormwind-Segelstell, bestehend
aus Großsegel und einer Serie von Vormwindsegeln eines Volvo Ocean Racers. Obwohl die hier
gezeigten Segeldesigns einen Maximalwert der Vortriebskoeffizienten bei scheinbaren
Windeinfallswinkeln von etwa 110° bis 130° aufweisen, sind die Segelschnitte hier optimiert für
scheinbare Windeinfallswinkel von etwa 90°. Es zeigen sich erhebliche Unterschiede zwischen
den einzelnen Segeln von bis zu 15%. Bei allen hier gezeigten Segeln ist die rechnerische
Segelfläche gleich.
cX [-]
1.6
1.5
1.4
1.3
1.2
1.1
1.0
0.9
0.8
C3C1 C3C1a
C3B01 C3B01rev
C3B04 C3D01
C3D02rev
0.7
-160 -150 -140 -130 -120 -110
AWA [°]
-100 -90 -80 -70 -60
Abbildung 4-1: Vortriebskraftkoeffizient für C3-Segel eines VOR
4.2 Vergleich eines symmetrischen und eines asymmetrischen Spinnakers
Im Rahmen der Geschwindigkeitsprognose wird die Bootsgeschwindigkeit mittels zweier
Trimmparameter, reef und flat. Dabei steht reef für eine Reduktion der Spannweite des
Segelsatzes, flat für eine lineare Reduktion des Auftriebsbeiwertes, z.B. durch Flachtrimmen des
Segels, aber auch durch Fieren des Travellers. Reef und flat können nur auf den Auftriebsbeiwert
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und über den Zusammenhang zwischen Auftrieb und induziertem Widerstand auf den
Widerstandsbeiwert angewandt werden. Vortriebs- und Seitenkraftkoeffizient werden daher zur
Integration in ein Geschwindigkeitsprognoseprogramm üblicherweise mittels
Koordinatentransformation umgerechnet in den Auftriebs- und Widerstandskoeffizienten.
Abbildung 4-2 zeigt Auftriebs- und Widerstandsbeiwert für einen symmetrischen Spinnaker
sowie für einen asymmetrischen Spinnaker, der an einem konventionellen Spinnakerbaum
gefahren wird. Unterschiede zwischen diesen beiden Segeln treten primär bei
Windeinfallswinkeln kleiner als 100° auf. Auch hier werden wieder zwei Segel miteinander
verglichen, die rechnerisch die gleiche Segelfläche haben.
cL [-]cD [-]
2
1.8
1.6
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0 20 40 60 80 100
AWA [°]
120 140 160 180 200
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cL Asymmetric on Pole
cD Asmmetric on Pole
cL Symmetric
cD Symmetric
Abbildung 4-2: Auftriebs- und Widerstandsbeiwerte eines symmetrischen und eines
asymmetrischen Spinnakers
Der Unterschied der Auftriebs- und Widerstandsbeiwerte der beiden Segel hat dementsprechend
einen Einfluss auf die Bootsgeschwindigkeit überwiegend bei relativ spitzen Vorwindkurs
Abbildung 4-3 zeigt einen Geschwindigkeitsvergleich für eine IACC-Yacht der neuen Generation
V5. Der asymmetrische Spinnaker ist auf fast allen Kursen außer auf sehr tiefen Vormwindkursen
TWA>145° dem symmetrischen Spinnaker überlegen. Auf tiefen Vormwindkursen ist der
erwartungsgemäß symmetrische Spinnaker vorzuziehen, die Geschwindigkeitsunterschiede sind
jedoch klein.

Twist Flow Windkanal der YRU-Kiel 26. Symposium Yachtentwurf und Yachtbau 2005
u[m/s]
7
6
5
4
3
2
1
0
30
TWS=3m/s_SYM
TWS=4m/s_SYM
TWS=5m/s_SYM
TWS=6m/s_SYM
TWS=7m/s_SYM
TWS=8m/s_SYM
TWS=9m/s_SYM
TWS=10m/s_SYM
TWS=3m/s_ASYM
TWS=4m/s_ASYM
TWS=5m/s_ASYM
TWS=6m/s_ASYM
TWS=7m/s_ASYM
TWS=8m/s_ASYM
TWS=9m/s_ASYM
TWS=10m/s_ASYM
150
TWA [°]
180
Abbildung 4-3: Geschwindigkeitsvergleich symmetrischer und asymmetrischer Spinnaker
60
120
Abbildung 4-4 zeigt Time Allowance Deltas, das sind die Zeitunterschiede für das Zurücklegen
einer nautischen Meile, hier für das ACC-Boot mit symmetrischem und asymmetrischem
Spinnaker im Vergleich. Bei geringer Windgeschwindigkeit TWS und auf relativ spitzen
Vormwindkursen beträgt der Zeitgewinn durch den asymmetrischen Spinnaker bis zu 15s/nm.
Bei sehr tiefen Vormwindkursen TWA > 160° beträgt hingegen der Zeitgewinn des
symmetrischen Spinnakers etwa 3s/nm. Bei Regattayachten, die Up-and-Down-Regatten segeln,
muss allerdings beachtet werden, dass die Kurse mit optimaler gutgemachter Geschwindigkeit
VMG bei wenig Wind relativ spitz sind ( TWA ≈ 135°
), bei viel Wind hingegen recht stumpf
( TWA ≈ 155°
). Die gezeigten Ergebnisse bestätigen also einmal mehr die Grundregel, dass bei
wenig Wind asymmetrische Spinnaker, bei viel Wind symmetrische Spinnaker von Vorteil sind.
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180
90

Twist Flow Windkanal der YRU-Kiel 26. Symposium Yachtentwurf und Yachtbau 2005
WA[°]
60
180
90
160
140
TWA [°]
120
- 15 -
100
2
0
-5
-10
-15
4 6 8 1012
TWS [m/s]
Abbildung 4-4: Time Allowance Deltas [s/nm] Symmetrischer vs. asymmetrischer Spinnaker
(rot: symmetrischer Spinnaker ist schneller, grün, blau: asymmertischer Spinnaker ist schneller)
5 Schlussbemerkung
Der neue Twist-Flow-Windkanal der Yacht Research Unit Kiel ist seit Herbst 2005 in Betrieb
und befindet sich aktuell in einer Tune-Up-Phase. In dieser Phase wird die
Strömungskonditionierung und die Genauigkeit des Dynamometers optimiert sowie die
Reproduzierbarkeit untersucht. Es wird erwartet, dass der Windkanal mit Beginn des neuen
Jahres seinen Regelbetrieb aufnehmen wird.
Der neue Windkanal stärkt das Potential und die Ressourcen für Eigenforschung der YRU-Kiel,
die ihre Untersuchungsverfahren in große Segelsportkampagnen wie VOR und ACC einbringt.
Darüber hinaus soll der Windkanal aber insbesondere kleinen und mittleren Segelmachereien zur
Verfügung stehen. Diese sollen damit die Möglichkeit erhalten, eine Technologie zu nutzen, die
bisher nur wenigen international operierenden Segelmachereien vorbehalten blieb. Die YRU-Kiel
wird diese Windkanaluntersuchungen nicht isoliert anbieten, sondern stellt ein Paket von
Analyse- und Optimierungsmaßnahmen zur Verfügung, mit dem ein Custom-Segelsatz für eine
einzelne Yacht oder aber eine generische Segelsatz-Familie entwickelt werden kann. Dieser
Support erstreckt sich vom Entwurf der Moulds über die Anfertigung von Modellsegeln, die
Δ TA [s/nm]

Twist Flow Windkanal der YRU-Kiel 26. Symposium Yachtentwurf und Yachtbau 2005
Durchführung von Modellversuchen sowie deren Auswertung incl. Bewertung. Die YRU-Kiel
fordert die Segelmachereien der Region nachdrücklich auf, diese neue Möglichkeit zur
Verbesserung ihrer Produkte zu nutzen.
6 Literatur
Claughton, A., Wellicome, and Shenoi: Sailing Yacht Design / Theory, Addison Wesley
Longman Limited, Essex, GB, 1998
Graf, K. and Böhm, C.: A New Velocity Prediction Method for Post-Processing of Towing
Tank Test Results, Proc. 17th Chesapeake Sailing Yacht Symposium, Annapolis, Maryland,
March 2005
Weitere Literatur, Olaf, bitte nachtragen, ausserdem, die Vortraege von Ranzenbach aus HPYDI
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