Vortex - was ist das
(März 2004) Vieles von dem, was im weiteren Text angesprochen wurde, hat sich in den letzten Monaten durch eigene wissenschaftliche Windkanalversuche relativiert. Genaue Informationen zu den Versuchen und Ergebnissen finden Sie im Multihull Report in den Ausgaben ab August 2003.Die Fabel vom VORTEX und ein Aufruf zur Revolution
Dieser zugegeben provokante Titel hat sich mir bei der Lektüre des Buches "Sail Performance" von C.A. Marchaj geradezu aufgedrängt, hat doch eine Fabel immer ein belehrendes Element - nur kennt sie scheinbar niemand. Speziell das 11. Kapitel "The Sailpower Of Various Rigs" hat es mir angetan, habe ich doch hier zum erstenmal das Schlagwort VORTEX etwas besser verstanden. Und dazu noch die theoretische Beweisführung der Effizienz des symmetrischen Deltasegels, besser bekannt als "Krebsscherensegel", nachlesen können.Ich hoffe bei den oben genannten Themen soviel verstanden zu haben, um dem einen oder anderen Interessierten etwas mehr Klarheit vermitteln zu können.
Ist das Deltasegel dem Bermudarigg überlegen - oder nicht?
Das Bermudarigg ist relativ empfindlich bei der Einstellung des richtigen Winkels. Sehr schnell reißt bei falscher Einstellung die Strömung ab und aus Vortrieb wird Widerstand. Dem liegt phsyikalisch ein Wirbel hinter der Windeintrittskante der (Segel-) Tragfläche zugrunde. Dieser wächst mit der Vergrößerung des Einfallswinkels bis er die Hinterkante (Achterliek) erreicht und damit das saubere Anliegen der Strömung am Segel zusammenbricht.
Dazu ein Beispiel aus der Luftfahrt: Jeder kennt die aufwendige Flügelprofil-Verstellung mit diversen Klappen und Vorflügeln beim Landen einer normalen Verkehrsmaschine. Dies ist notwendig, damit während des steilen Landeanflugwinkels, die Luftströmung nicht abreißt. Anders dagegen das Überschallflugzeug "Concorde", das bei einem ungleich steileren Anflugwinkel (bis zu 40 Grad) keinerlei Profiländerungen benötigt. Deren Deltatragfläche behält über einen ungleich größeren Winkelbereich seine Wirksamkeit, ohne daß die Strömung abreißt. Der Grund kann nur das Fehlen einer "rechtwinklig" zum Wind stehenden Windeintrittskante sein. Daher kann sich auch kein dahinter "stehender" Wirbel aufbauen, vielmehr die berühmte Turbulenzschleppe, auch "Vortex" genannt.
Kippt man jetzt die "Concord" um 90 Grad zur Seite, hat man ein Deltasegel mit einem sehr großen wirksamen Bereich, der relativ unempfindlich gegen ungenaue Anstellwinkel sprich Segelstellungen ist. Ein dickes Plus für faule Skipper. Dieser angenehme Effekt ist aber nur die halbe Miete. Die andere Hälfte sind die angesprochenen Vortex-Wirbel, die entlang beider "Anström"-Kanten eines symmetrischen Deltasegels (oben und unten) entstehen und dabei eine starke Sogwirkung entwickeln.
Diese senkrecht zur Trag-/Segelfläche stehende Vortex-Komponente kann je nach Anstellwinkel der Fläche bis zu 100 Prozent des gesamten Vortriebs ausmachen. Mit diesem "Turbolader" fährt das Deltarigg allen anderen Segel-Antriebsvarianten davon. Daraus resultieren auch die unglaublichen Feststellungen wie: "That is, the crab claw rig delivers about 90 percent more driving power than the Bermuda rig" (Zitat C.A. Marchaj). Diese Aussage basiert auf einem Vergleich eines Deltariggs mit einem Bermudarigg (nur Großsegel) bei halbem Wind. Das bei kleineren Windeinfallswinkeln das Bermuda vorne liegt, muss dazu gesagt werden.
Beim Deltasegels wird der "stationäre" Wirbel an den schräg gestellten Windeintrittskanten störungsfrei bis hinter das Segel fortgesetzt. Beim Hochsegel bewirken die "Enden" des Segels am Topp und am Unterliek Störungen im Strömungsverlauf. Dem wird bei einem modernen Segel durch einen "gekappten" Segelkopf und ausgestelltes Achterliek entgegnet.
Erst wenn der Anstellwinkel extrem überzogen wird, werden die beiden Wirbelzöpfe auf dem "Rücken" der Segelfläche so groß, daß sie sich gegenseitig stören. Dann ist auch hier Ende und die Strömung bricht zusammen.
Soweit zur kurzen und damit hoffentlich eingängigen Erklärung dieses Phänomens.
Weitere Erkenntnisse und offene Fragen aus Marchaj's Buch zum Deltasegel:
Segelform
Die Form ist auch mit entscheidend für eine optimale Wirksamkeit. So sind bauchige Formen mit stumpfer Spitze den linearen eckigem Design grundsätzlich überlegen.
Segelstellung
Idealerweise wird das Segel (auf seine Symmetrieachse bezogen) am Wind möglichst parallel zur Wasseroberfläche gefahren (Erfahrung aus dem Windkanal). Wird es auf raumen Kursen bis ca. 40 Grad nach oben angestellt, ist ein kleiner Leistungszuwachs zu erzielen. Darüber hinaus gehende Winkel reduzieren die Wirksamkeit.
Wie sieht es aber mit der seitlichen Neigung aus. Welcher Winkel bietet die optimale Verteilung zwischen Auftriebs- und Vortriebskräften. Genauso stellt sich die Frage nach dem horizontalen Winkel. Kann, muss das Deltasegel je nach Kurs und Wind gedreht werden können?
Segelwölbung
Das ideale Deltasegel wäre ein Brett! Je geringer die Wölbung, desto besser der Vortrieb (Erfahrung aus dem Windkanal). Daher ist auch die effektivste Reffmethode das Segel etwas zu öffnen, damit ein Bauch entsteht. Ein bauchiges Segel verhindert auch den Aufbau der so geschätzten Vortex-Wirbel, was die Wirksamkeit weiter reduziert. Was noch fehlt, sind genaue Erkenntnisse, inwieweit welche Wölbung bei welchem Wind und Kurs was bewirkt. Wann genau die Vortexwirkung aufhört. Oder kann auch nur mit einer Reduktion der Segelfläche ein "Reff-Effekt" erzielt werden? Wenn ja mit welchem Wirkungsgrad? Fragen über Fragen.Anströmungskante
Aus Beschaffungs- und Kostengründen wird man beim Riggbau immer auf Rundmaterial zurückgreifen. Idealer sollen aber "schärfere" Kanten sein (Erfahrung aus dem Windkanal), evtl. elliptisch ausgeprägt wie Hubschrauberflügel. Ein noch weites Feld für Forschung und Entwicklung.
Es wäre in höchstem Maß wünschenswert, wenn sich auch einmal eine deutsche Uni oder Fachhochschule mit dem Thema befassen würde. Hierzulande gibt es doch auch Windkanäle. Aber laßt dann die Ergebnisse nicht im "Finiten-Elemente-Dschungel" zwischen Integralen und Differentialen verschwinden. Was man bräuchte, wären handfeste Aussagen, die sich direkt in die Praxis umsetzen lassen.
Links zum Thema:
Department of Aerospace Engineering - Analysis of Delta Wing Flows
A. Filippone - Wings For All Speeds - Delta Wings
Daher erfolgt jetzt der Aufruf zur Revolution,
weil der evolutionäre Weg durch Regatta-Formeln und Beschränkungen verbaut ist. An dieser Stelle ein Zitat von Colin Palmer, der meinen Artikel schon vor bald 10 Jahren im 'Wooden Boat' Magazin vorweggenommen hatte (habe ich leider zu spät erfahren, sonst hätte ich alles abschreiben können):
... im Originaltext:
"The development of racing yachts is undertaken arbitrary, man-made rules. This means that certain assumptions go unchallenged and that the development is very specific. One of the most obvious examples is the dominance of the marconi (bermuda) rig on all racing boats. Most people believe that this is because it is the fastest rig available. They do not realize that the racing rules are actually written to encourage the use of overlapping Jibs (genoas) and shortened mainsails (thus the modern marconi rig) and penalize the use of other types of rigs".
.. und dasselbe in deutsch:
Die Entwicklung des Yachtsports ist willkürlichen, künstlich errichteten Regeln unterworfen. Dies heißt, daß bestimmte Vorgaben unangefochten bleiben und daher die Entwicklung sehr spezifisch verläuft. Eines der offensichtlichsten Beispiele ist die Dominanz des Hochriggs (Marconi/Bermuda) auf allen Regattabooten. Die meisten Leute glauben, das käme daher, daß dieses Rigg das schnellste wäre. Sie realisieren nicht, daß dem nur die Regattaregeln zugrunde liegen, die den Einsatz von überlappenden Vorsegeln und verkleinerten Großssgeeln bevorzugen (also das 'moderne' Hochrigg) und den Einsatz von anderen Riggs bestrafen.
Vergleich der Rigg-Arten. Weitere Informationen zu den verschiedenen Riggs.