Sola bermudatakilassa
Bermudatakila muodostuu kahdesta karkeasti ottaen kolmion
muotoisesta purjeesta. Keulapurje on nimensä mukaisesti keulassa maston
etupuolella, ja maston takana on isopurje. Näiden purjeiden välissä on pystysuuntainen
rako, sola.
Tuskin mihinkään muuhun takilan osaan kohdistuu niin paljon
väärinymmärrystä ja vääriä tulkintoja kuin solaan. Tyypillinen väite on, että
sola kiihdyttää virtausta ja parantaa näin purjeiden toimintaa. Tämä ei
kuitenkaan pidä paikkaansa. Tässä tekstissä seurailen Arvel Gentryn jo 1970-luvulla
esittämää selitystä, jonka myös CFD-laskenta on myöhemmin osoittanut hyvinkin oikeaksi.
Tarkastellaan ensin purjetta yleisesti. Sekä keula- että isopurje
ovat siipiprofiileja, jotka viskoosissa virtauksessa saadaan vastusvoiman
lisäksi tuottamaan voima, joka ei ole virtauksen suuntainen ja jota kutsutaan
nostovoimaksi. Tämä voima syntyy virtauksen (syystä tai toisesta) synnyttämästä
paine-erosta siipiprofiilin eri puolilla. Profiilin pinta-alayksiköllä syntyvän
voiman suuruus riippuu paine-erosta pinta-alayksikön eri puolilla, ja suunta pinta-alayksikön
normaalivektorin suunnasta. Purjevenettä vie parhaiten eteenpäin voima, joka suuntautuu
mahdollisimman hyvin veneen kulkusuuntaan. Vastaavasti venettä pyrkii viemään
sivulle sellaiselle pinta-alayksikölle syntyvä paine-ero, jonka normaali
osoittaa veneen sivulle. Koska köli estää liikettä sivuttain, tämä voima
kallistaa venettä.
Suurempi paine-ero tuottaa suuremman voiman. Paine-ero
puolestaan riippuu mm. ilman virtausnopeudesta purjeen ympärillä. Mitä isompi virtausnopeus
on, sitä isompi on alipaine purjeen suojanpuolella, ja mitä pienempi virtausnopeus
on, sitä isompi on ylipaine purjeen tuulenpuolella. CFD-laskennan perusteella
tiedetään, että noin kaksi kolmannesta purjeen voimista syntyy suojan puolella
alipaineen vaikutuksesta, ja yksi kolmannes tuulen puolella.
Virtausta purjeen takaliikissä sitoo ns. Kutta-ehto (Martin Wilhelm
Kutta 1867-1944); saksalainen aerodynaamikko), jonka mukaan purjeen eli puolilta
yhtyvän virtauksen tulee takaliikissä olla yhtä nopeaa. Ei siis ole mahdollista,
että lähellä purjetta purjeen eri puolilta yhtyvät virtaukset olisivat eri
nopeuksisia.
Lisäksi siipiprofiileilla on viskoosissa virtauksessa outo ominaisuus:
ne kääntävät virtausta jo ennen kuin virtaus osuu profiiliin. Tämä johtuu
siitä, että profiilin aiheuttama ilmahitusten liiketilan muutos välittyy viskositeettivoimien
kauttaa hitusiin, jotka eivät vielä ole kohdanneet profiilia. Tätä kutsutaan
upwash-ilmiöksi; fennomaaninen suomennos on ylöstaite. Purjeen etureunaan (kovalla
myötätuulella takareunaan) osuva virtaus ei siis tule vallitsevan apparenttituulen
suunnasta, vaan hiukan kääntyneenä poispäin purjeen jänteestä. Ilmiön ulottuvuudet
riippuvat mm. purjeen koosta ja kohtauskulmasta.
Tarkastellaan tilannetta, jossa keulapurje on yksinään tuulessa.
Sopivasti trimmattuna se tuottaa nostovoimaa, joka vie venettä eteenpäin, ja
sillä pystytään purjehtimaan tiettyyn tuulikulmaan vastatuuleen. Keulapurjeen
etuosassa pinta-alayksiköiden normaalit sojottavat paljolti veneen keulaa
kohti, joten erityisen tärkeä on purjeen etureunassa syntyvä voima.
Sama tilanne syntyy, kun isopurje on yksinään tuulessa. Isopurjeella
on kuitenkin lisäksi etureunassaan masto. Masto ei ole purjeen aerodynamiikan
kannalta hyvä, sillä se aiheuttaa suojan puolelle taakseen pyörteen, josta syntyy
helposti separaatiokupla, eli virtaushäiriö joka muuttaa isopurjeen suojapuolen
virtauksen laminaarisesta turbulentiksi koko purjeen matkalta ja romahduttaa
purjeen voimantuoton. Erityisesti masto estää purjehdusta ylös tuuleen, sillä
separaatiokupla syntyy jo sellaisilla kohtauskulmilla, jotka keulapurje
kestäisi hyvin. Pyörre sinänsä on hankala, koska se aiheuttaa turbulentin
virtauksen juuri isopurjeen etuliikkiin, joka keulapurjeen tavoin on venettä parhaiten
eteenpäin vievä purjeen osa, koska purjepinnan normaalit osoittavat siinä eniten
veneen kulkusuutaan.
Kun nyt sitten nostetaan molemmat purjeet, ne alkavat vaikuttaa
toisiinsa useilla suorastaan taianomaisilla tavoilla. Tarkastellaan seuraavassa
pääasiassa kryssisuuntia: tulokset laajenevat myös muille tuulensuunnille.
Ensinnä isopurjeen laajalle ulottuva upwash alkaa kääntää
tuulta myös keulapurjeelle. Tämän seurauksena keulapurjeelle tuleva tuuli
kääntyy sivulle merkittävästi, jolloin keulapurje-isopurje -yhdistelmällä pystytään
ajamaan huomattavasti ylemmäs tuuleen kuin pelkällä keulapurjeella.
Vielä merkittävämpää on se, että keulapurjeen takaliikki on
nyt isopurjeen suojanpuolella alueessa, jossa isopurje kiihdyttää omaa suojanpuolen
virtaustaan. Tämän seurauksena virtaus koko keulapurjeessa kiihtyy ja alipaine
purjeen takana kasvaa. Keulapurjeen voimat kasvavat huomattavasti. Kutta-ehto
vaatii, että myös tuulenpuolen virtaus keulapurjeessa kiihtyy, mutta koska
alipainepuolen ilmiöt ovat ratkaisevampia, kokonaisuutena keulapurjeen
voimantuotto kasvaa. Kuvassa alla on esitetty Arvel Gentryn jo 1980-luvulla tekemä
laskelma paine-erosta keulapurjetta pitkin laskettuna ilman isopurjetta ja
isopurjeen kanssa. Cp viittaa painekertoimeen eli dimensiottomaan suhteelliseen
paineeseen ja x purjeen pituuteen ( 0 = Etuliikki, 12 = takaliikki;
oletettavasti Gentry käyttää tässä jonkin purjeen pituutta jollakin korkeudella
jalkoina). Katkoviivalla on merkitty painekerroin eri kohdissa purjetta ilman
isopurjetta molemmin puolin purjetta (negatiivinen Cp on alipaine), ja
yhtenäisellä viivalla isopurjeen kanssa. Nähdään, että suojan puolella isopurjeen
kiihdyttämä virtaus aiheuttaa kautta purjeen puolitoista-kaksinkertaisen
alipaineen, kun taas suojan puolella kiihtynyt virtaus pienentää painekerrointa
lähinnä tuulen puolella purjeen takaosassa. Erityisen tärkeää on, että nettopainekerroin
lähellä purjeen etuliikkiä kasvaa huomattavasti – tämä on juuri se osa purjetta,
joka vie venettä parhaiten eteenpäin! Alemmassa kuvassa suojan puolen painevoima
on visualisoitu profiiliin.
Entä sitten isopurje? Ensinnä Keulapurje (ja sola) hidastavat virtausta isopurjeen etuosassa. Tämä pienentää maston separaatiokuplaa sekä paineen muutosnopeutta pintaa pitkin, mikä tarkoittaa, että isopurje voidaan jalustaa isommalle kohtauskulmalle kuin ilman keulapurjetta. Näin isopurje saadaan vielä paremmin kääntämään keulapurjeen virtausta ilman vaaraa purjeen sakkaamisesta, millä on kryssillä erityisen iso merkitys. Kuvassa alla on esitetty isopurjeen painekerroin (Cp) pitkin isopurjeen pituutta x ilman keulapurjetta (katkoviiva) ja keulapurjeen kanssa. Ilman keulapurjetta painekerroin isopurjeen etuosassa olisi iso. Tulos on kuitenkin teoreettinen, sillä nopeasti kasvava paine (pienenevä alipaine) yhdistettynä mastopyörteeseen aiheuttaa sen, että virtaus irtoaa ja purje sakkaa. Keulapurjeen kanssa isopurje ei itse asiassa juurikaan tuota paine-eroa eli voimaa. Tämä ei ole niin vakavaa kuin voisi ajatella, sillä voima isopurjeessa sen ollessa jalustettuna keskelle vain kallistaisi venettä, ja separaatiokupla estäisi eteenpäin vievän voiman tuoton isopurjeen etuliikissä.
Lopuksi voidaan kysyä, mihin solaa tarvitaan. Eikö yksi iso yhtenäinen purje ilman solaa toimisi yhtä tehokkaasti? Todennäköisesti yhden ison purjeen painejakauma muistuttaisi keulapurjeen painejakaumaa ilman isopurjetta (fig. 6 katkoviiva). Painevoimat olisivat varmastikin vähän isommat suuremman pinta-alan takia, mutta myös vastusvoimat kasvaisivat. Lisäksi painejakauma olisi sellainen, että samalla eteenpäin vievällä voimalla vene kallistuisi solallista ratkaisua paljon enemmän. Erityinen takaisku olisi upwashin menettäminen; tällaisella purjeratkaisulla ei pystyttäisi purjehtimaan tuuleen yhtä ylös kuin kahdella erillisellä purjeella. Kahteen purjeeseen liittyy luonnollisesti myös kaikenlaisia mittakaava-, sivusuhde- ja käsiteltävyysetuja, jotka menetettäisiin yhdellä purjeella.
Näin olemme nähneet, että purjeilla on merkittävää salaista
yhteispeliä. Purjeiden asettelu niin, että väliin jää sola, samaan aikaan vähentää
isopurjeen virtausnopeuksia, paine-eroja ja kallistavia voimia sekä lisää keulapurjeen
virtausta, paine-eroja ja eteenpäin vieviä voimia ja mahdollistaa purjehtimisen
ylemmäs tuuleen. Ja niin – virtaus solassa ei kiihdy, vaan oikeastaan hidastuu.
Kuvat: Arvel
Gentry, The Application of Computational Fluid Dynamics to Sails , Proceedings
of the Symposium on Hydrodynamic Performance Enhancement for Marine
Applications, Newport, Rhode Island, October 31 - November 1, 1988
