Testing av tradisjonsbåter i slepetanken Sverre Steen sverre.steen@ntnu.no Institutt for Marin Teknikk, NTNU I juni 2014 luktet det for første gang nyoljet trebåt i de store hydrodynamiske laboratoriene på Marinteknisk Senter i Trondheim. I samarbeid med Geitbåtmuseet i Valsøyfjord skulle NTNU Institutt for Marin Teknikk teste de hydrodynamiske egenskapene til en tradisjonell geitbåtfæring, og sammenlikne disse med egenskapene til «arvtakeren» møringsbåten. Som kjent har geitbåten hogne halser, som betyr at de to nederste bordgangene er hugget i form, i stedet for å være laget av bord som er saget i riktig tykkelse og så bøyet til riktig form. Møringsbåten og lystringen, som rundt 1870 overtok for geitbåtene, er laget av kun sagede bord, og er derfor enklere å bygge. Det tok lang tid fra man fikk sager rundt om på bygdene slik at man kunne bygge båter av kun sagede bord til man gikk bort fra geitbåten og over til møringsbåt og lystring. At man beholdt geitbåten også etter at teknologien gjorde det mulig å bygge enklere skrog kan skyldes at geitbåten hadde bedre egenskaper, eller var det bare konservatisme blant båtbyggerne? Har geitbåten bedre hydrodynamiske egenskaper enn møringsbåten? Det var dette spørsmålet vi ønsket å finne svar på gjennom testene. For å kunne besvare spørsmålet måtte vi gjøre sammenliknende tester. Geitbåtmuseet stilte derfor med to nybygde færinger en geitbåt bygd av Øystein Elgvasslien ved Geitbåtmuseet og en møringsbåt bygd av Jakob Helset i Bjørkedalen på Sunnmøre. Initiativet til forsøkene kom fra Jon Bojer Godal ved Geitbåtmuseet. Han traff leder av Institutt for Marin Teknikk ved NTNU, Harald Ellingensen, i et selskap, og de ble fort enige om at en slik test ville være interessant. Per Werenskiold, tidligere seniorforsker ved MARINTEK, OL-deltaker i seiling og en kjent mann i det norske vikingskipsmiljøet, har spilt en viktig rolle i planlegging og gjennomføring av forsøkene. Båtene Begge båtene ble testet med ror montert, låst i null grader. Båtene ble ballastert for å tilsvare vekt med to mann + 60 kg, og med det som blir ansett som optimal trim, nemlig 1 grad akterlig. Geitbåt Møring Lengde 591 cm 544 cm Vekt 366 kg 370 kg
Figur 1 Geitbåten blir heist inn i verkstedet for utrustning før forsøkene. Fra venstre: Jon Bojer Godal (med rygen til), Øystein Elgvasslien og Per Werenskiold. Figur 2 Møringsbåten får installert måleutrustningen. Fra venstre Per Werenskiold, Øystein Elgvasslien og Jon Bojer Godal. Forsøkene Forsøkene ble gjennomført i den store slepetanken på Marinteknisk Senter. Den er 260 meter lang, 10 meter bred og 5 meter dyp. Til vanlig brukes den av MARINTEK til å teste skalamodeller av store skip. Skipsmodellene kan være opptil 9 meter lange og veie flere tonn, så en 5,9 m færing på 370 kilos deplasement kan utmerket godt testes i full skala i slepetanken. Det er først og fremst ved seiling at færingens hydrodynamiske egenskaper utfordres, men i en slepetank kan man ikke teste båter under realistiske vindforhold. I stedet benyttes et såkalt yacht dynamometer, som holder båten fast sideveis og i rull, men tillater båten å bevege seg fritt vertikalt. I de frihetsgradene der båten er fastholdt måles kreftene og momentene som påføres.
Når en båt seiler, så vil det unntatt i ren medvind bli en betydelig sidekraft fra vinden på båten. Skroget må under vanns produsere en like stor men motsatt rettet sidekraft. For å gjøre dette må skroget ha en avdriftsvinkel. Avdriftsvinkelen gir i sin tur opphav til en ekstra motstand. Et godt seilbåtskrog skaper en stor sidekraft med liten avdriftsvinkel og liten ekstra motstand det er derfor moderne seilbåter er utstyrt med en dyp, vingeformet kjøl. Sidekraften fra seilet skaper også et krengemoment, som må balanseres ved at båten krenger og derved skaper et like stort rettende moment. I tillegg kommer balansen mellom skrog og rigg langskips sidekraftsenter fra skrog og rigg bør ligge så nært hverandre som mulig et avvik må kompenseres med rorbruk, eller ved å justere riggen. Vi gjennomførte en serie tester der båten ble slept med ulike hastigheter, avdriftsvinkler og krengevinkler. Når seilbåter testes på denne måten benytter man vanligvis testresultatene sammen med en beregningsmodell for kreftene fra riggen til å beregne oppnåelig hastighet for båten ved ulike vindretninger og vindstyrker man lager en såkalt VPP, eller Velocity Prediction Program, for båten. Beregningsmodellen for kreftene fra riggen baseres helst på tester av riggen i en vindtunnel, eller ved modifikasjon av eksisterende beregningsmodeller for samme type rigg. Vi fant ikke beregningsmodeller for færingrigger, og tid og budsjett tillot ikke vindtunneltester dessuten var det jo de hydrodynamiske egenskapene vi ønsket å teste. Derfor ble det laget to ulike beregningsmodeller for riggen. Den ene var en skalert utgave av riggen til Gokstadskipet, og den andre var en skalert modell av kun storseilet til en konvensjonell seilbåtrigg. Ved sammenlikningen ble begge båtene «utstyrt» med samme rigg i beregningsmodellene vi så altså bort fra det faktum at tradisjonelt er riggene på de to færingene noe forskjellige. Analysen av forsøksresultatene, inklusive VPP analysen ble gjort av Rémi Retho, student ved ENSTA ParisTech, som hadde sommerjobb ved Institutt for Marin Teknikk. Figur 3 Geitbåten under testing i slepetanken ved Marinteknisk Senter i Trondheim. Yacht-dynamometeret som holder båten fast til slepevognen er montert inn i kryssfiner-kassen som er plassert midt i båten. Båten ble låst i ulike krengevinkler og avdriftsvinkler ved hjelp av yacht-dynamometeret. De fire små sølvfargede kulene festet på baugen er markører som ble brukt til å måle båtens posisjon og vinkler. Da bildet ble tatt hadde båten en fart på 6 knop, en krengevinkel på 15 grader og en avdriftsvinkel på 6 grader.
Figur 4 Møringsbåten under testing. Hastighet 6 knop, krengevinkel 15, avdriftsvinkel 6 grader. Forsøksresultater Vi gjennomførte en serie tester der båtene ble slept med ulike hastigheter, avdriftsvinkler og krengevinkler. Det samme testprogrammet, med enkelte små unntak, ble gjennomført med både geitbåten og møringsbåten. Dette gjør det mulig å sammenlikne hydrodynamiske krefter på skrogene direkte, og vi kan sammenlikne hastighetsegenskapene ved seiling ved bruk av VPP-modellen. I det følgende vil jeg vise en del representative resultater. Resultatene i Figur 5 viser at motstand uten krengevinkel og avdriftsvinkel er lavere for geitbåten enn for møringsbåten, spesielt når hastigheten overstiger 4 knop. Dette kan forklares dels ved at geitbåten er noe smalere i vannlinjen, og dels ved at den har konkav vannlinje i baugen, mens møringsbåten har konveks vannlinjeform. Vi har erfaring fra modelltesting av store skip at ved høyere hastigheter er det mest gunstig med konkave vannlinjer i baugen. Også med ulike kombinasjoner av krengevinkel og avdriftsvinkel hadde geitbåten lavere motstand enn møringsbåten. Motstand [N] 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 Geitbåt Møringbåt 0 2 4 6 8 Hastighet [knop] Figur 5 Sammenlikning av motstand uten avdriftsvinkel og krengevinkel
En interessant observasjon, som stemmer med beregninger og målinger på store skip, er at motstanden på skroget er nesten helt upåvirket av krengevinkelen, slik man kan se av Figur 6. Det er slik sett ingen grunn til å flytte seg sideveis i båten ved seiling, så lenge krengevinkelen ikke blir så stor at båten tar inn vann. 72 70 Motstand [N] 68 66 64 62 60 Geitbåt Møring 58-10 -5 0 5 10 15 Krengevinkel [grader] Figur 6 Motstand som funksjon av krengevinkel. Hastighet 4 knop. Ingen avdriftsvinkel. En egenskap ved skroget som er viktig for gode seilingsegenskaper er balansen i båten. Man ønsker at sidekraftens angrepspunkt i langskips retning skal ligge nært senter for kreftene fra riggen, og at angrepspunktet skal flytte seg minst mulig med fart og avdriftsvinkel, noe som betyr at momentarmen for giremomentet skal være liten og mest mulig konstant. Ubalanse mellom kraftsenter fra skrog og rigg må kompenseres med rorbruk, og man ønsker at denne skal være minst mulig. En ubalanse oppfattes i praksis som at båten er logjerrig. Figur 7 viser hvordan angrepspunktet til sidekraften endrer seg med avdriftsvinkelen. Vi ser at geitbåten har mindre endringer enn møringsbåten, men forskjellene er ikke store, bortsett fra ved liten avdriftsvinkel, der møringen framstår som ganske logjerrig. Figur 8 viser momentarmen som funksjon av hastighet i stedet for avdriftsvinkel, og gir i hovedsak samme konklusjon. Momentarm [m] 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 Geitbåt Møring 0.00 3 4 5 6 7 Hastighet [knop] Figur 7 Momentarm for giremoment. Rullevinkel 5 grader. Hastighet 4 knop.
Momentarm [m] 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 Geitbåt Møring 0.00 3 4 5 6 7 Hastighet (knop) Figur 8 Momentarm for giremoment. Avdriftsvinkel 4 grader. Rullevinkel 5 grader. Som nevnt er en viktig egenskap for et seilbåtskrog evnen til å produsere sidekraft. Et eksempel fra resultatene er vist i Figur 9, som viser at for samme hastighet (4 knop) og avdriftsvinkel produserer geitbåtskroget en større sidekraft en møringsbåten altså at kjølvirkningen er bedre. Økningen i sidekraft gir en motstandsøkning, og denne bør være minst mulig det er i virkeligheten forholdet mellom sidekraft (F y ) og motstandsøkning (R - R 0 ) som er viktig. Forholdet kan uttrykkes matematisk F R R, der F y er sidekraften, R er motstanden i aktuell tilstand og R 0 er motstanden som y ( 0 ) uten avdriftsvinkel. Forholdstallet Fy ( R R0 ) er vist i Figur 10 for 4 knop. Vi ser at bortsett fra for 2 grader avdrift er forskjellene veldig små. Årsaken til den svært høye verdien for møringsbåten ved 2 grader avdriftsvinkel skyldes veldig liten motstandsøkning, og den høye verdien er nok primært et utslag av måleusikkerhet. Nå er det jo slik at møringsbåten i utgangspunktet har størst motstand, og dersom vi beregner forholdstallet basert kun på den totale motstanden: geitbåten igjen kommer best ut. Fy R, ser vi fra Figur 11 at Sidekraft F y [N] 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 Geitbåt Møring 0 5 10 15 20 avdriftsvinkel [grader] Figur 9 Sidekraft. Hastighet 4 knop. Krengevinkel 5 grader.
F y /(R - R 0 ) [-] 60 50 40 30 20 10 0 Series1 Series2 0 5 10 15 20 avdriftsvinkel [grader] Figur 10 Forholdstall for sidekraft dividert med motstandsøkning. Hastighet 4 knop. Krengevinkel 5 grader. 3 3 2 F y /R [-] 2 1 1 0 Geitbåt Møring 0 5 10 15 20 avdriftsvinkel [grader] Figur 11 Forhold mellom sidekraft og motstand. Hastighet 4 knop. Krengevinkel 5 grader.
Resultater av VPP analysen Det er vanskelig å få et klart bilde av skrogets egenskaper ved seiling uten å se kreftene fra skroget i sammenheng med kreftene fra seilriggen. For å gjøre det benytter vi et Velocity Prediction Program (VPP). Som nevnt har vi gjort slike beregninger basert på forsøkene og skalering av to ulike typer rigger. Det er brukt samme rigg i beregningene på de to båtene, slik at forskjellene i resultater skal skyldes skrogenes hydrodynamiske egenskaper. Resulterende hastighet som kan oppnås ved ulike vindstyrker og retninger, beregnet med VPP med bruk av Osebergskipets rigg, er vist i Figur 12. Figur 13 viser resulterende krengevinkel. Resultatene viser at geitbåten oppnår noe høyere fart, men at den krenger mer. Resultatene med den konvensjonelle seilriggen gir tilsvarende resultater. Figur 12 Resultater av VPP analyse med seilmodell basert på Osebergskipets rigg.
Figur 13 Beregnet krengevinkel for ulike vindforhold. Beregnet med Oseberg seilmodell. Undervannsvideo «grønålen» For å kunne observere strømningen ble to undervannskamera benyttet under forsøkene. Et kjent fenomen for folk som seiler færinger og liknende tradisjonsbåter er at det ofte kan observeres en spesiell virvel, kalt grønålen, i kjølvannet til båten. Navnet kommer antakelig av utseende til virvelen, den vil gjerne være grønnaktig på farge og er lang og buktende som en ål. Undervannsvideoene viser tydelig at grønålen er en virvel som oppstår allerede framme i baugen når båten går med avdrift se eksempelbilder i Figur 14. Virvelen blir, når avdriften overstiger omtrent 4 grader, sterk nok til å trekke luft ned i senter av virvelen (tilsvarende som den virvelen som kan oppstå når man tapper vannet ut av badekaret eller oppvaskkummen). Virvelen ligger langs kjølen og tilføres virvling fra denne, og blir liggende igjen i kjølvannet, der den etter hvert vil gå i oppløsning. Man vil ha liknende virvler fra alle båter med kjøl når de går med avdriftsvinkel, men det er på grunn av formen på baugen at virvelen ventileres, og dermed blir lett synlig.
Figur 14 Undervannsbilder av geitbåten. Hastighet 6 knop, krengevinkel 15 grader, avdriftsvinkel 6 grader. Konklusjoner Resultatene viser at geitbåten har mindre motstand og derfor vil være raskere enn møringsbåten. Forskjellene er mest markerte ved høye hastigheter. Resultatene tyder også på at geitbåten er bedre å seile, fordi sidetrykksenteret varierer mindre med hastighet og avdriftsvinkel. Siden geitbåten er smalere er stabiliteten noe dårligere. Mindre bredde er sannsynligvis en viktig årsak til lavere motstand og dermed bedre fartsegenskaper. Forskjellene er imidlertid ikke dramatisk store. Testene omfattet bare stille vann. Utstyret vi brukte tillot ikke tester i særlig store bølger, og tilgjengelig tid tillot heller ikke testing i bølger. Seiling skjer når det er vind, og da er det også bølger. Derfor bør også sjøegenskapene vurderes og sammenliknes, før en endelig «dom» angående hvilken båt som er best kan felles. Det er mulig å gjøre en slik sammenlikning i laboratoriet, men det er kanskje bedre å gjøre sammenlikningen på sjøen. Det finnes i dag lett og nøyaktig måleutrustning som gjør det mulig å gjøre nøyaktige målinger på båter utendørs under seil. Det hadde også vært interessant å utvide sammenlikningen til å omfatte flere båttyper, slik som åfjording og nordlandsbåt. Det står, som så ofte er tilfellet, først og fremst på tilgang på finansiering.
Vedlegg: Bilder fra forsøkene Figur A 1 Geitbåt. 4 knop. 10 grader krenging. 4 grader avdriftsvinkel
Figur A 2 Geitbåt. 4 knop. 10 grader krenging. 6 grader avdriftsvinkel.
Figur A 3 Geitbåt. 4 knop. 10 grader krengevinkel. 8 grader avdriftsvinkel.
Figur A 4 Geitbåt. 4 knop. 10 grader krengevinkel. 10 grader avdriftsvinkel.
Figur A 5 Geitbåt. 6 knop. 10 grader krengevinkel. 4 grader avdriftsvinkel.
Figur A 6 Geitbåt. 6 knop. 10 grader krengevinkel. 6 grader avdriftsvinkel.
Figur A 7 Geitbåt. 6 knop. 10 grader krenging. 8 grader avdriftsvinkel.
Figur A 8 Geitbåt. 6 knop. 10 grader krengevinkel. 10 grader avdriftsvinkel
Figur A 9 Møringsbåt. 6 knop. 10 grader krenging. 6 grader avdriftsvinkel.
Figur A 10 Møringsbåt. 6 knop. 10 grader krengevinkel. 8 grader avdriftsvinkel.
Figur A 11 Møringsbåt. 6 knop. 10 grader krengevinkel. 10 grader avdriftsvinkel.
Figur A 12 Sammenlikning av geitbåt (venstre) og møringsbåt (høyre) ved sleping rett fram. Hastigheter (ovenfra og nedover) 5, 6 og 7 knop.