Роторный ветроход. Часть 1

Паруса — очевидный способ преобразовать энергию ветра в движение какого-либо транспортного средства. Но единственный ли он?

Еще один вариант использования ветра для движения — турбина, похожая на ту, что используется в ветрогенераторах, которая приводит во вращение гребной винт на судне или колесо на наземном транспорте.

Но в этой статье речь пойдет о более экзотическом способе «запрячь ветер» — роторе Флетнера.

В начале ХХ века было построено несколько судов — от маленькой яхты, до довольно крупного торгового судна, на которых были установлены роторы Флетнера в качестве движителей. Работоспособность идеи была полностью доказана, в том числе трансатлантическим переходом. Но на тот момент казалось, что использование ветра для движения судов бесперспективно. Топливо — уголь и нефть — стоили дешево, в отличии от нашего времени. Массового распространения роторы не получили.

Так что же такое — ротор Флетнера? Начнем издалека — с артиллерии.

В первой половине XIX века наметился переход от гладкоствольной артиллерии к нарезной. В нарезном стволе орудия снаряд при выстреле начинал вращаться относительно продольной оси. Возникал гироскопический момент, который стабилизировал снаряд. Меткость стрельбы резко повышалась. Но иногда случались совершенно непонятные промахи. Траектория снаряда абсолютно не соответствовала ожидаемой.

Изучением этого явления занялся немецкий физик Генрих Магнус, который в 1853 году описал теорию процесса, получившего название «эффект Магнуса».

Попробую изложить суть эффекта Магнуса максимально просто.


Важно

На низких (дозвуковых) скоростях газы и жидкости ведут себя одинаково. И их изучением занимается одна и та же наука — гидродинамика.

Вязкость — свойство жидкостей и газов оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. Проще — это трение между частицами (молекулами), из которых состоит жидкость или газ. Все реальные жидкости и газы обладают какой-то вязкостью.


Представим, что у нас имеется какая-то идеальная жидкость, не имеющая вязкости. И мы в поток такой жидкости поместили цилиндр (см. рис. 1).

Цилиндр в потоке идеальной (не имеющей вязкости) жидкости
Рис. 1. Цилиндр в потоке идеальной (не имеющей вязкости) жидкости

Скорость потока — V0. Но, по мере огибания цилиндра, скорость потока вначале растет от V0 в точке А, до 2V0 в точках Б и Б1, а затем плавно падает до V0 в точке А1. Это происходит из-за того, что частицам жидкости надо попасть из точки А в точку А1 не по прямой, а по дуге через точку Б или Б1. То есть пройти большее расстояние за то же время.

По закону Бернулли (кому интересно, что это такое — погуглите) при повышении скорости потока, давление в нем падает, а при снижении скорости потока, давление в нем растет. Вследствие этого, давление в точках А и А1 будет выше, чем в точках Б и Б1.

Если идеальную жидкость заменим реальной, обладающей вязкостью, то картина обтекания цилиндра будет другой (см. рис. 2).

Обтекание цилиндра потоком реальной вязкой жидкости (газа)
Рис. 2. Обтекание цилиндра потоком реальной вязкой жидкости (газа)

До точек Б и Б1 обтекание происходит примерно так же, как и в случае идеальной жидкости. Но в тонком (пограничном) слое, непосредственно прилегающем к цилиндру, из-за трения происходит замедление частиц. При этом более быстрый «внешний» слой жидкости старается увлечь пограничный слой за собой. И в точках В и В1 происходит отрыв пограничного слоя от поверхности цилиндра с образованием вихря. Симметрия потока нарушается. В области за цилиндром возникает зона разряжения — пониженного давления («в быту» мы говорим, что за объектом имеется ветровая тень). Таким образом — в точке А давление повышенное, а в точке А1 — пониженное. Из-за разницы давлений возникает сила лобового сопротивления (обозначается X).

Теперь представим, что помещенный в реальную неподвижную жидкость цилиндр равномерно вращается вокруг своей оси (см. рис. 3).

Обтекание неподвижной реальной жидкостью вращающегося цилиндра
Рис. 3. Обтекание неподвижной реальной жидкостью вращающегося цилиндра

Благодаря трению цилиндр вовлекает во вращение пограничный слой жидкости, который как бы прилипает к цилиндру и приобретает окружную скорость Vc, равную окружной скорости самого цилиндра. При этом пограничный слой вовлекает во вращение уже следующий слой частиц жидкости, но из-за текучести жидкости окружная скорость следующего слоя будет ниже окружной скорости пограничного слоя. На некотором расстоянии от цилиндра скорость движения жидкости станет равной 0. На рис. 3 штриховой линией показано распределение скоростей слоев (V), а пунктирной линией — распределение давлений (P), от минимального возле цилиндра, до максимального в области неподвижной жидкости.

Усложняем задачу — представим себе обтекание вращающегося цилиндра потоком реальной жидкости (см. рис. 4). При этом рассмотрим две ситуации, когда окружная скорость цилиндра Vc равна скорости потока V0 (рис. 4а), и когда Vc = 2V0 (рис. 4б). Приведенные картинки являются теоретическими — не учитывающими срывов потоков, но по ним легче объяснить суть процесса.

Обтекание вращающегося цилиндра однородным потоком жидкости или газа. а) Окружная скорость цилиндра равна скорости потока. б) Окружная скорость цилиндра вдвое выше скорости потока
Рис. 4. Обтекание вращающегося цилиндра однородным потоком жидкости или газа. а) Окружная скорость цилиндра равна скорости потока. б) Окружная скорость цилиндра вдвое выше скорости потока

Y — это так называемая «подъемная сила», которая стремится поднять цилиндр вверх, возникает из-за разности давлений в точках Б и Б1. А эта разность давлений возникает в соответствии с законом Бернулли из-за разности скоростей потока в данных точках. Хорошо заметно, что в случае б) сила Y будет намного больше — разница скоростей потока в точках Б и Б1 больше.

На рис. 5 изображена картина обтекания вращающегося цилиндра однородным потоком, которая ближе к реальности.

Реальная картина обтекания вращающегося цилиндра потоком жидкости или газа
Рис. 5. Реальная картина обтекания вращающегося цилиндра потоком жидкости или газа

Наряду с подъемной силой Y, из-за срыва пограничного потока возникает и сила лобового сопротивления X.

Таким образом, Магнус нашел причину, по которой нарезные снаряды при наличии бокового ветра меняли свою траекторию.

Сам Магнус не видел возможности практического применения этого эффекта. Но нашелся человек, который решил применить вращающиеся цилиндры (роторы) в качестве движителей морских судов.

Об этом в следующей части статьи.

Часть 2 >

© Максим Мурадян, 03.09.2017

6 thoughts on “Роторный ветроход. Часть 1

  1. Вы умудрились одной статьей «уложить» у меня в голове теорию хождения под парусом против ветра. Теперь это. Да вам преподавать надо.

    1. Спасибо. Очень приятно. Когда-то в течении пары лет преподавал электротехнику на курсах повышения квалификации моряков.

      1. Жду продолжения. Еще (я не очень наглею?) интересно было бы почитать про скоростные парусные лодки, которые двигаются гораздо быстрее ветра.

        1. Нет, не наглеете :). Вкратце я об этом писал тут: https://www.tamak.com.ua/series1/170521-2, и тут https://www.tamak.com.ua/%d1%81%d1%82%d0%b0%d1%82%d1%8c%d0%b8/proa1
          Парусники на подводных крыльях и глиссирующие меня не очень интересуют — у них слишком низкая мореходность.
          Но, в цикле «Парусник от А до Я» планирую развернутую статью о гидродинамике. И там рассмотреть вопросы повышения скорости водоизмещающих судов подробнее, чем в статье о проа.

Оставьте комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *