De wetenschap van het zeilen: Deel 4
Verschijnselen en weerstand afkomstig van het grensvlak tussen lucht en water

Inspiratie

(notitie van Pieter)

De beschrijving van de verschijnselen die zich voordoen op het grensvlak tussen water en lucht en van het effect daarvan op de weerstand van de romp, heeft een uniek boek opgeleverd. Nooit eerder is iets van deze aard gepubliceerd. Dit op zichzelf vormde de inspiratie die mij ertoe aanzette deel 4 te schrijven. Het grote aantal onderwerpen dat moest worden behandeld, heeft geleid tot een boek van 558 bladzijden.

Deel 4 bestaat uit twee hoofdstukken. Hoofdstuk 8 is gewijd aan de verschijnselen en de weerstand afkomstig van het grensvlak tussen lucht en water, met weinig verwijzing naar waterdiepte. De verschillende behandeling van relevante onderwerpen in water van beperkte diepte is verzameld en overgebracht naar hoofdstuk 9. Zoals in deel 3 vermeld, heb ik besloten zowel deel 3 als deel 4 te wijden aan aspecten die verband houden met de scheepsweerstand: deel 3 aan aspecten die verband houden met de weerstand als gevolg van de viscositeit van het medium (lucht en water), en deel 4 aan aspecten die verband houden met de weerstand als gevolg van de vloeibaarheid van het grensvlak tussen lucht en water.

Hoofdstuk 8 begint met een beschrijving van het proces waarbij oppervlaktegolven worden gevormd door een lichaam dat zich met enige snelheid voortbeweegt op het grensvlak tussen lucht en water en de gevolgen van dergelijke golven voor de weerstand van dat lichaam. Het voorbeeld van een onderzeeboot die naar de oppervlakte komt van een diepte waarop geen oppervlaktegolven worden gevormd, wordt gebruikt om kenmerken van het golfvormingsproces aan te wijzen die anders niet te onderscheiden zouden zijn. Het volgende gedeelte is gewijd aan de afleiding van de eigenschappen van regelmatige oppervlaktegolven in diep water. De afleiding van het golfpatroon dat wordt opgewekt door een lichaam dat met een vaste snelheid over het wateroppervlak beweegt, wordt gerealiseerd door een wiskundig model dat is gebaseerd op het vervangen van de romp door een drukverstoring die inwerkt op een punt. Twee dergelijke afleidingen worden beschreven. Beide methoden blijken te leiden tot het bekende golfpatroon van Kelvin.

De belangrijkste component van de weerstand bij vaartuigen die hogere snelheden kunnen behalen, is de zgn. golfweerstand. De behandeling hiervan begint met een formele definitie van de golfweerstand en hoe deze weerstandscomponent kan worden bepaald. De energieflux van het transversale golfsysteem wordt gebruikt om een uitdrukking af te leiden voor de golfweerstand van de romp die dat golfsysteem heeft voortgebracht. De interferentie van de golfsystemen, afzonderlijk opgewekt door de boeg en het achterschip, wordt vervolgens aangepakt door elk van deze golfsystemen te modelleren met enkelvoudige drukpunten. Dit leidt tot een kwantificering van wat scheepsarchitecten ‘humps’ en ‘hollows’ in de (golf)weerstandscurve noemen.

Uitgebreid gebruik van het Kelvin-golfpatroon vereist dat de nauwkeurigheid ervan wordt onderzocht. De vergelijking met de resultaten van CFD-berekeningen leidt tot een bevredigend resultaat en een verrassing wat betreft een kenmerk van het Kelvin-golfpatroon dat niet zo duidelijk uit de CFD-resultaten naar voren komt.

Het onderwerp van brekende golven wordt behandeld in termen van hun aard en het onderscheid in types, gevolgd door breekcriteria en de resulterende weerstand wanneer een romp brekende golven genereert. De spray die door snel varende rompen en rompaanhangsels wordt opgeworpen, wordt eveneens behandeld. De nadruk ligt hier op de aard en verschijningsvorm, de kwantificering en het effect op de weerstand en op de afbuiging van de spray.

Door de wind veroorzaakte golven worden in detail behandeld. Om recht te doen aan dit belangrijke onderwerp is veel ruimte ingeruimd voor een uitgebreide beschrijving van de methoden die worden toegepast om een verwarde zee te beschrijven. De voorspelling van golfhoogte en golfperiode, gebaseerd op windsterkte, windduur langs de haal en haallengte, worden in detail behandeld vanwege het gebruik dat scheepsarchitecten van deze voorspelling maken. De bewegingen van zeiljachten in golven worden uitvoerig beschreven, evenals de berekening van de gemiddelde toegevoegde weerstand in golven. Vervolgens wordt het surfgedrag van zeiljachten in volgzeeën behandeld. De benadering van dit onderwerp is nieuw, evenals de resultaten die met de gekozen methode worden verkregen.

Cavitatie en ventilatie zijn de laatste twee onderwerpen die in hoofdstuk 8 aan de orde komen. Beide onderwerpen worden beschreven in termen van een beschrijving van de betrokken fundamentele processen en een beschrijving van de voorkomende typen, hun effecten en hun onderdrukking.

De twee onderwerpen die een aparte behandeling behoeven in het kader van het effect van water van beperkte diepte, zijn golfopwekking en golfweerstand. Hoofdstuk 9 heeft hoofdzakelijk betrekking op deze twee onderwerpen.