J/109 INHAULING FSI STUDIE FÜR MEHR GESCHWINDIGKEIT & PUNKT

Im Winter 2018 führte UK Sailmakers Ireland in Zusammenarbeit mit Pat Considine von UK Sailmakers Chicago einen Testzyklus zur Fluid Structure Interaction (FSI) durch, um die Effektivität des Fockeinholens bis zu einem Schotwinkel von 6° zu bestimmen - genau innerhalb der Fall-Drehblöcke auf einer Standard-J/109. Unser Ziel war es, Geschwindigkeit und Punktzahl zu verbessern. In den Grand-Prix-Klassen des Segelsports werden die Schotwinkel bekanntlich immer enger - moderne TP52s haben Fockschotwinkel von bis zu 4 Grad außerhalb der Mittellinie. Die J/109-Klasse in Irland ist eine wachsende und wettbewerbsfähige Flotte, so dass UK Sailmakers es für notwendig hielt, einen neuen Blick auf den Segelplan und die Systeme an Bord des fast fünfzehn Jahre alten Designs zu werfen.

J/109 INHAULING Entwicklung

Die J/109 haben sich in den letzten vierzehn Jahren erheblich weiterentwickelt. Die sichtbarste Veränderung war der Wechsel zu einem nicht überlappenden Fock-Setup für optimale IRC-Leistung. Diese Verlagerung des Segelplans hatte aufgrund der geringeren Vorsegelfläche eine deutlich geringere Auswirkung auf die Leichtwindleistung des Bootes.

Um diesen Leistungsverlust auszugleichen, verwendet die Klasse ein Einholsystem, das den Schlitz zwischen Großsegel und Vorsegel verkleinert und so die Leistung des gesamten Segelplans erhöht. Bisher war der übliche Einholpunkt für eine J/109 die Kante des Kajütdachs - ein Schotwinkel von etwa 9°. Das ist effektiv bei echten Windgeschwindigkeiten von 15 Knoten und mehr - aber darunter ist das Boot im Vergleich zu seinen genuafliegenden Vorgängern immer noch relativ leistungsschwach. Wir waren der Meinung, dass durch die Arbeit mit dem Segelplan noch mehr Leistung erreicht werden kann.

Es wurde schnell klar, dass ein einfaches Anheben des Schothorns eines vorhandenen Segels und ein härteres Einholen des Segels nicht zu einer Erhöhung der Antriebskraft führt. Tatsächlich verlangsamt ein so starkes Einholen des Segels mit einer Standardfock das Boot sogar unter die Werte der Grundlinie des ursprünglichen Testaufbaus. Ein neues Segeldesign war erforderlich.

Im Folgenden erläutern wir den Ablauf einer FSI-Studie - und stellen einige unserer Erkenntnisse und Ergebnisse vor.

DER FSI PROZESS
Für die Zwecke dieses Artikels haben wir den FSI-Prüfprozess auf eine Reihe von übergeordneten Schritten vereinfacht. Für den Laien ist FSI wie ein digitaler Windkanal.

1. ZIELBEDINGUNGEN UND BASISLINIENPOLARE
Wir entschieden uns für eine Reihe von Bedingungen, unter denen wir glaubten, dass unser Inhaue-Setup am besten funktionieren würde - das waren 10-12 Knoten bei flachem Seegang. Diese Bedingungen würden es einem Amateur-Steuerer ermöglichen, den engeren Schotwinkel anzusteuern, ohne aus der Rille zu fallen.

Nachdem wir unsere Zielwetterbedingungen festgelegt hatten, sammelten wir unsere J/109-Polardaten für den Testfall und gaben sie ein. Zu den Variablen gehören u. a. Krängungswinkel, Leeway, Bootsgeschwindigkeit, Windrichtung usw.

2. ENTWURF
Nachdem wir unsere Zielbedingungen bestimmt und unsere Pole festgelegt hatten, gingen wir in die Entwurfsphase über.

Unser Standard-Großsegeldesign der J/109-Klasse wurde während des gesamten Testprozesses verwendet - es ist konsistent und ändert sich nicht.

Da wir der Meinung waren, dass für diese Leistungssteigerung ein spezielles Leichtwindsegel erforderlich war, begannen wir mit einer J1-Form für die Fock. Tiefer als die Standard J/109 Klasse Fock, die eine Kreuzung zwischen einem J1 und J2 ist, ist das neue Design tief mit Twist für Leistung in leichter Luft.

3. ERSTEINRICHTUNG UND FESTLEGUNG DER GRUNDLINIE
Nachdem wir unsere Segeldesigns ausgewählt hatten, konfigurierten wir unsere J/109 virtuell für das Segeln unter den in unserem Testfall herrschenden Bedingungen mit 10-12 Knoten. In unserem Computermodell stellten wir die Neigung, die Mastbiegung, die Schotspannung, die Fallspannung, den Unterliekstrecker, die Fockwagenposition, die Achterstagspannung usw. ein, bis wir die optimalen Einstellungen erreichten, d. h. den größten Auftrieb bei geringstem Widerstand. Um diese optimale Einstellung zu erreichen, war ein iterativer Prozess des Einstellens, Testens, Nachstellens, erneuten Testens usw. erforderlich. Hier kamen die Fähigkeiten und die Erfahrung des Konstrukteurs voll zum Tragen, um die schnellstmöglichen Einstellungen zu erreichen.

Einer der wichtigsten Punkte in dieser Testphase war es, den Inhauler so einzustellen, dass das Schothorn unseres J1-Auslegers den Süllrand des Kabinendachs berührt. Dadurch wird der Ausleger in einem Winkel von 9° zur Mittellinie geschotet.

In dieser Phase suchten wir nach Leistungstrends. Als wir Änderungen vornahmen und erneut testeten, erwarteten wir einen positiven Trend - entweder eine Erhöhung des Auftriebs oder eine Verringerung des Luftwiderstands - beides führte zu positiven Ergebnissen. Sobald sich der Trend abflachte oder sogar ins Negative drehte, wussten wir, dass wir die optimale Trimmung für dieses spezielle Design erreicht hatten.

Sobald der Konstrukteur die virtuelle Leistung des Bootes durch Anpassung der Segelsteuerung nicht mehr verbessern konnte, wurde der iterative Prozess gestoppt. Anschließend wurde eine Reihe umfassender FSI-Durchläufe mit diesem Aufbau durchgeführt, um einen Grunddatensatz zu erhalten, mit dem die nächste Testrunde verglichen und kontrastiert werden konnte.

4. ENTWURFSITERATION
Wir haben dann die von uns vorgeschlagenen Verbesserungen an unserer J1-Fock umgesetzt. Unser Ziel war es, dieses Segel in einem Winkel von 6° von der Mittellinie des Bootes aus zu schoten - das ist genau innerhalb der Fallführungsblöcke des Standard-J/109-Decklayouts. Wir nannten unser neues Design das 'JX'-Vorsegel.

5. DESIGN-TWIST
Wenn ein Segler Twist hört, denkt er oder sie normalerweise daran, die Schot zu lockern, um ihn zu erzeugen. Was viele Segler nicht wissen, ist, dass der Twist in die Form jedes Segels eingearbeitet ist - sie sind so konstruiert, dass sie mit einem optimalen Maß an Twist segeln. Der Standard-Twist eines Großsegels beträgt zum Beispiel etwa 12°.

Wir kehren zu unseren Tests zurück und beginnen damit, den konstruktiven Twist in unserem JX-Vorsegel zu erhöhen. Mit zunehmendem Design-Twist nahm der Widerstand ab und die Antriebskraft zu. Während der Anpassung des Design-Twists wurde auch der virtuelle Trimm der Fock angepasst, um das Segel optimal zu trimmen.

Als wir sahen, dass der Trend bei der Hub-/Widerstands-/Antriebskraft zu einem Plateau führte, erreichten wir den optimalen Design-Twist.

Wir einigten uns auf eine maximale Erhöhung des Design-Twists um 7,6° in vertikaler Richtung. Dadurch konnte das Segel bei dem kleineren Schotwinkel von 6° ein gleichmäßiges Twistverhältnis zum Großsegel beibehalten.

6. MAXIMALE STURZPOSITION
Beim Einholen in engen Winkeln ist es sehr wichtig, den Schlitz nicht mit einer Umlenkung vom Vorsegel-Achterliek zu "verschließen". Ein Achterliekhaken oder eine Umlenkung bei solch engen Schotwinkeln verursacht einen enormen Luftwiderstand und verstopft zudem den Schlitz. Es ist ein gerader Ausstieg aus dem Achterliek erforderlich. Ein Achterliekhaken oder -rücklauf wird oft dadurch verursacht, dass sich die Tiefe des Vorsegels nach achtern in Richtung Achterliek bewegt. Dies führt dazu, dass die Einfahrt fein wird und sich das Achterliek zum Großsegel hin verengt - es ist wichtig, die maximale Vorspannung im Segel zu halten.

Als wir unseren Design-Twist erhöhten und unseren Schotwinkel weit nach innen brachten, passten wir die maximale Camber-Position des Segels an. Über mehrere Iterationen hinweg stellten wir fest, dass es von Vorteil war, die maximale Camber-Position nach vorne zu verlegen. Dadurch wurde verhindert, dass die oberen Teile des Vorsegels den Schlitz verschlossen.

7. KAMBER
Um den geraden Ausgang aus dem Achterliek des Segels beizubehalten, wurden mehrere Sturzkorrekturen vorgenommen. Vor allem wurde die Vorspannung im unteren Bereich des Segels reduziert. Infolgedessen wurde auch die Gesamtvorspannung in den unteren Bereichen des Segels reduziert. Diese flacheren Abschnitte gewährleisten einen geraden Achterliekausstieg bei maximalem Einholen. Die untere Tiefe wird nun durch die Positionierung des Trimmpunkts, d.h. die vom Trimmer gesteuerte Schothornposition, gesteuert. Dies ermöglicht einen engeren Schotwinkel, ohne dass das Großsegel mehr Rückwind bekommt.

8. ERGEBNISSE - VERGLEICH MIT DER BASISLINIE

Nachdem wir viele Stunden an unserem "JX"-Design gearbeitet hatten, entschieden wir uns für das neue Design. Wir führten dieselben umfassenden FSI-Tests durch, die wir auch für die Ermittlung unserer Basisdaten verwendet hatten. Im Folgenden gehen wir auf einige unserer Ergebnisse ein.

Oben (FOTO) sehen Sie unsere J/109-Testplattform. Das linke Bild zeigt unser Basismodell des Vorsegels J1. Rechts sehen Sie unser neues Vorsegel JX". Dieses Bild zeigt die Druckabbildung der Segel in Lee. Es ist deutlich zu erkennen, dass die JX-Konstruktion im Vergleich zur J1-Konstruktion eine deutlich höhere Druckdifferenz erzeugt.

Nicht nur am Vorsegel selbst, sondern auch am Großsegel kommt es zu einer Druckdifferenzänderung. Dies zeigt, dass ein härteres Inhauling die Effektivität und Effizienz des gesamten Segelplans verbessern kann.

9. ERGEBNISSE: AUFTRIEB, WIDERSTAND UND ANTRIEBSKRAFT
Bei unseren FSI-Tests kontrollierten wir, wie der Segelplan getrimmt war, um eine korrekte Strömung über das Vorliek bei einer wahren Windgeschwindigkeit von 12 Knoten und einem wahren Windwinkel von 37,5° zu erreichen. Bootsgeschwindigkeit von 6,34 Knoten mit 18,8 Grad Krängung und 3 Grad Leeway.

Die Form und der Trimm des Großsegels blieben während des gesamten Tests konstant, um die Anpassungen des Fockdesigns zu isolieren.

Unsere anfänglichen FSI-Tests lieferten einige Basiszahlen für unsere Tests des neuen Designs.

Bemerkenswerte Zahlen:
- Fx (Antriebskraft): 1154N
- Fz (Seitenkraft): 3770N
- Cl (Lift): 2.77
- Cd (Luftwiderstand): 0.247

Unsere anschließenden FSI-Prüfungen ergaben eine Reihe von Zahlen für unser neues JX-Design. Bemerkenswerte Zahlen unten mit Deltas von früheren Tests.

- Fx (Driving Force): 1160N (+1%)
- Fz (Seitenkraft): 3848N (+2%)
- Cl (Lift): 2.79 (+1%)
- Cd (Drag): 0,266 (+7,6%)

Mit dem neuen 'JX'-Design sind wir in der Lage, die Antriebskraft um 1% und den Auftriebskoeffizienten des Segelplans um 1% zu erhöhen. Damit verbunden ist natürlich eine Erhöhung des Luftwiderstands und des Krängungsmoments, aber bei 12 Knoten echter Windgeschwindigkeit können diese durch das Aufrichten überwunden werden - eine härtere Gangart. Die andere Möglichkeit besteht darin, den erhöhten Auftrieb in Höhe umzuwandeln, anstatt schnell vorwärts zu fahren.

Bei einem wahren Windwinkel von 36,5° haben wir den gleichen Gesamtauftriebskoeffizienten beibehalten, aber dadurch etwas an Antriebskraft verloren.

Dies zeigt die Vielseitigkeit des JX-Designs. Mehr Leistung und Effizienz im Normalmodus und immer noch sehr effizient im Höhenmodus.

10. MAINSAIL
Es ist zu beachten, dass der Trimm des Großsegels zwischen den FSI-Tests nicht verändert wurde. In der Realität würde das Großsegel bei einem kleineren Schotwinkel weiter nach Luv gebracht werden, um den offenen Schlitz beizubehalten. Dies würde zu einem Anstieg des Auftriebskoeffizienten, der Seitenkraft und des Widerstands führen. All das könnte durch mehr Wandern überwunden werden. Und wie wir alle wissen, gewinnt bei dieser Windgeschwindigkeit in der Regel derjenige, der seine Crew als Erster voll auf Touren bringt.

11. VON DER VIRTUELLEN ZUR REALEN WELT
Im April 2018 testeten Barry Hayes, Graham Curran und Mark Mansfield von UK Sailmakers Ireland das neu entwickelte Vorsegeldesign "JX" mit zwei Booten. Sie verwendeten zwei gut aufeinander abgestimmte J/109, darunter den amtierenden irischen Klassen- und IRC-Nationalmeister "Joker II". Der Test fand unter idealen Bedingungen mit 10-12 Knoten echtem Wind und Flachwasser in der Dubliner Dun Laoghaire Bay statt.

Das Vorsegel "JX" wurde während der gesamten Testphase auf beiden Booten verwendet, wobei das Vorsegel der Joker II, die die Meisterschaft gewann, ebenfalls ausgetauscht wurde. "JEDI" verwendete ein Uni-Titanium-Großsegel von UK Sailmaker, während "Joker II" ihr eigenes Klassengroßsegel verwendete.

Mehrere Stunden wurden mit Aufwindtests verbracht, bei denen sich Bug an Bug in der gleichen Brise aufstellte.

Es gab einen bemerkenswerten Unterschied zwischen den beiden Vorsegeln, wenn beide mit einem Schotwinkel von 6° hart eingeholt wurden. Die "JX"-Fock blieb verdreht und schnell, während die andere Fock dazu neigte, sich früh zu schließen und ein übermäßiges Aufrollen der beiden Großsegel zu verursachen.

Obwohl es schwer ist, einen eindeutigen Vorteil festzustellen, stellten beide Steuermänner unabhängig voneinander fest, dass das Boot bei dem engen Schotwinkel von 6° mit dem "JX"-Vorsegel leichter zu steuern war.

12. MATERIELLE VERBESSERUNGEN
Die J/109 ist ein 14 Jahre altes Design - Sie werden sich fragen, warum wurde das nicht schon früher gemacht?

Die Realität ist, dass die Materialverbesserungen in der Segelherstellung in den letzten zehn Jahren erheblich waren. Dabei geht es nicht so sehr darum, welche Materialien verwendet werden, diese sind ziemlich konstant, sondern vielmehr darum, wie sie in der Tuchtechnologie kombiniert werden. Das Uni-Titan-Tuch von UK Sailmakers ermöglicht es uns, Segel mit konstantem Tiefgang, konstanter Tiefe und sauberen Achterlieksausgängen über eine große Bandbreite von Windbedingungen zu bauen. Während sich herkömmliche Dacron- oder Schnursegel mit zunehmender Windgeschwindigkeit verformen und vertiefen, bleiben Uni-Titanium-Segel in ihrer Designform starr. Dies ist für das moderne Segeldesign von entscheidender Bedeutung, insbesondere beim Schoten von Vorsegeln in engen Winkeln.

13. SCHLUSSFOLGERUNG
Während unserer FSI-Testphase wurde deutlich, dass ein engerer Schotwinkel die Gesamtleistung und Effizienz des J/109-Segelplans verbessern würde. Wir waren jedoch nicht davon überzeugt, dass dies in einer realen Situation außerhalb der virtuellen Testbox der Fall sein würde.

Nach einem Test auf dem Wasser, mehreren großen Regatten und einer Irland-Rundfahrt konnten wir mit Freude feststellen, dass die Entwicklung des Vorsegels 'JX' ein Erfolg war.

Beim Einholen von Focks gibt es viel mehr zu beachten, als Sie vielleicht denken. Es ist üblich, das Vorsegel unabhängig zu betrachten - aber es ist nur ein Rädchen im Getriebe. Das Verhältnis zwischen dem Vorsegel und dem Großsegel sowie zwischen dem Segelplan und dem Unterwasserprofil des Bootes muss berücksichtigt werden - sie alle zusammen erzeugen eine Kraft, die Sie vorwärts bringt, vorzugsweise schneller als Ihr Gegner. Wenn eine dieser Beziehungen aus dem Gleichgewicht gerät, beginnt das gesamte System zu bröckeln.

WAS KOMMT ALS NÄCHSTES?
Unsere virtuellen und On-the-Water-Tests ergaben weitere potenzielle Leistungsverbesserungen, die wir weiterverfolgen werden - wir investieren weiter in die J/109-Klasse und die Segler werden diese und weitere Entwicklungen in den kommenden Monaten auf dem Wasser sehen.