Autor: Hans Buitelaar/METS/nauCAT
Osporavajući svjetski rekord u brzini jedrilica, švicarski tim SP80 razvija i fino podešava ventilirano hidrokrilo koji bi moglo pomoći u probijanju hidrodinamičkih granica koje ograničavaju brzine plovila na oko 50 čvorova. Kavitacija koja se javlja oko hidrokrila pri ovim velikim brzinama može se eliminirati u radikalno novom dizajnu hidrokrila. Prevladavanje kavitacije moglo bi omogućiti budući razvoj brzog pomorskog prometa s malim otporom.
Brzinski rekord za plovila na vjetar koji je postavio Paul Larsen 2012. na brodu Vestas Sail Rocket od 65,45 čvorova i dalje stoji. To ostaje vrlo impresivan rekord, jer se zakoni fizike povijaju pri takvim brzinama na vodi. Problem je kavitacija. Ove godine tim SP80 (potencijal brzine = 80) ima za cilj srušiti svjetski rekord rakete Sail postizanjem 80 čvorova. Njihov problem za prevladavanje: kavitacija.
Kavitacija je povezana s viskoznošću. Viskoznost vode veća je od viskoznosti zraka. Viskoznost sirupa je veća od viskoznosti vode. Ako se profil u obliku krila kreće kroz zrak, razlike u protoku duž profila će stvoriti uzgon. To se također događa u vodi. Ako je kut profila krila prema zraku ili vodi pravi, uzgon će biti optimalan, dok će turbulencija na stražnjem rubu biti minimalna. Pri velikim brzinama, zbog viskoznosti, voda ne može slijediti svoj laminarni tok na stražnjem rubu profila u obliku krila nakon što ju je vodeći rub tog profila gurnuo u stranu. Tekućina je jednostavno prespora. Na niskotlačnoj strani profila hidrokrila (foila) javlja se vakuumsko zvono. Ili zvono ispunjeno vodenom maglicom, zbog vrlo niskog tlaka. To se zove kavitacija. Brodovi za hidroglisiranje koji se kreću kroz vodu velikim brzinama koriste vrlo tanke profile hidrokrila kako bi smanjili ovaj učinak. Međutim, pri određenoj brzini kavitacija je neizbježna. Nestabilna kavitacijska zvona čine uzgon i kurs plovila vrlo nestabilnim i onemogućuju daljnje ubrzanje. Zbog toga je brzina hidroglisiranja plovila ograničena.
Ventilacija
U svojoj potrazi za postizanjem brzine od 80 čvorova (150 km/h), tim SP80 je naporno radio na dizajniranju krila koje nije sputano kavitacijom, ali s profilom koji će i dalje generirati dovoljno uzgona da nosi trup njihovog plovila preko vode. Pomicanje glomaznog trupa kroz vodu definitivno će uzrokovati previše otpora da bi ikada dosegnuo 80 čvorova. Studije pomorskih inženjera u Journal of Fluid Mechanics koje je proveo tim od 40 inženjera i studenata s Tehnološkog instituta u Lausanni EPFL (Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne) pokazale su da se nestabilni učinci kavitacije mogu prevladati ventilacijom. Kada se zrak uvede u područja ultra niskog tlaka na strani podizanja hidroglisera, zvono će se oblikovati u stabilniji oblik koji slijedi krilo. Smjer hidrokrila kroz vodu i njegova sila dizanja postaju mnogo stabilniji nego što je to bio slučaj s kavitacijskim zvonom vodene magle. Ovaj ključni uvid mogao bi omogućiti hidrogliserima da se kreću većim brzinama nego prije.
A.I. dizajn oblika
Sljedeći problem koji treba riješiti: koji će oblici hidrokrila održati mjehuriće zraka stabilnima u stalno promjenjivim okolnostima hidroglisera koji se kreće kroz vodu? Iako je znanje o dinamici fluida doživjelo brzi napredak tijekom posljednjeg desetljeća i računalna snaga se neizmjerno povećala, dizajniranje oblika hidrokrila koje osigurava uzgon kao i stabilan protok zraka za ubrizgavanje zahtijeva beskrajno izračunavanje. Umjetna inteligencija je ponudila moguće rješenje.
Klinasti oblik
Charles de Sarnez, voditelj hidrodinamike tima SP80, organizirao je program testiranja, optimizacije i simulacije za postizanje optimalnog oblika ventilacijskog hidrokrila za probijanje barijere od 50 čvorova. Modeli hidrokrila testirani su u kavitacijskom tunelu kako bi se dobili eksperimentalni podaci iz stvarnog života. Proračuni dinamike fluida izvedeni su na temelju eksperimentalnih podataka. Umjetna inteligencija korištena je za generiranje ogromnog broja simulacija. Korištenjem softvera za duboko učenje softverske tvrtke Neural Concept, procijenjena je izvedba vrlo velike varijacije oblika hidroglisera. Rezultat je potpuno novi dizajn hidrokrila: umjesto eliptičnog ili kapljičastog profila hidrokrila, profil klinastog oblika proizašao je iz simulacija i proračuna kao najučinkovitiji oblik za stvaranje uzgona i stvaranje stabilnog zračnog jastuka na strani niskog tlaka hidroglisera.
Zvučna barijera
"Hidrokrilo je ključ za obaranje rekorda" - objašnjava Benoît Gaudiot, COO i pilot zmaja SP80. Ažurirani dizajn hidroglisera – prema proračunima – sprječava nestabilnost uzrokovanu kavitacijom, omogućujući jedrilici da premaši trenutačni rekord brzine. "Ovo je ključni korak za nas", naglašava Xavier Lepercq, tehnički direktor SP80. "U svijetu jedrenja, svi najbrži brodovi suočeni su s fizičkim podvodnim fenomenom: kavitacijom. To je usporedivo sa zvučnim zidom u zrakoplovstvu. Da bismo premašili 60 čvorova, potrebni su nam oblici hidrokrila koji su vrlo različiti od onoga što možemo vidjeti danas u America’s Cupu i u svijetu jedrenja; ograničenja nisu ista. Ako naš brod može prevladati ovu prepreku, ne samo da možemo konkurirati Vestas Sailrocketu II, već ga i nadmašiti."
Pokušaj
S Mayeulom van den Broekom, Lepercq i Gaudiot okupili su se 2018. kao zaljubljenici u kiteboarding, oceansko jedrenje i proučavatelji hidrodinamike. Bili su inspirirani impresivnim postignućem Paula Larsena i njegovim Sail Rocketom, i težili su poboljšanju. Trojica Francuza će kasnije ove godine službeno pokušati oboriti trenutačni brzinski rekord za jedrilice.
Brzinski potencijal
Iako je u prvi mah usmjerena na obaranje svjetskog rekorda u brzini jedrenja, inovacija u dizajnu hidrokrila nosi potencijal za omogućavanje vodenog transporta velikom brzinom sa svim vrstama plovila, budući da se granice postavljene kavitacijom mogu prevladati. Dokaz koncepta može se jedino pružiti obaranjem rekorda.
Izvor: METS
