Đề tài nghiên cứu giảm lực cản nhớt của tàu thủy bằng phương pháp tạo bọt khí

Lun án Ti c cht lng i



LỜI CẢM ƠN


Trong quá trình nghiên cu và hoàn thành lun án ti Nghiên cứu
giảm lực cản nhớt của tàu thủy bằng phương pháp tạo bọt khí  tác gi n
c nhiu s  t các t chc và cá nhân.
Tác gi xin chân thành c
1.  i hc Bách Khoa Hà Ni, Vi   ng lc, B môn K
thut Thy khí & Tàu thu kin v mt th
 tác gi tp trung vào công vic nghiên cu.
2. 
 


3. - 


4. Tp th cán b ng d     và TS. Lê
      tác gi tip cn t    
nghiên cu.
5. ng viên, khích l  tác gi hoàn thành tt lun án.
Trân trọng cảm ơn!


Tác giả

Phạm Thị Thanh Hương


Lun án Ti c cht lng ii



LỜI CAM ĐOAN


“Nghiên cứu giảm lực cản
nhớt của tàu thủy bằng phương pháp tạo bọt khí” 






Tác giả



Phạm Thị Thanh Hương



Lun án Ti c cht lng iii

MỤC LỤC

NỘI DUNG
Trang
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
vii
DANH MỤC CÁC BẢNG
ix
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
x
MỞ ĐẦU

1

1.

1

2.

1

3.

2

4.

2

5.

3
CHƢƠNG
1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU LỚP BIÊN - LỰC CẢN
5

1.1

5

1.1.1

5

1.1.2

5

1.1.3
H p biên
6

1.1.3.1
 Stokes
6

1.1.3.2


7

1.1.3.3

7

1.1.4

8

1.1.4.1

8

1.1.4.2

8

1.1.4.3
Tính toán s
8

1.2
Lc cn ca vt chuyng trong cht lng
9

1.2.1

9

1.2.2
Thành phn lc cn ca vt ngp chuyng trong
cht lng
10

1.3
Lc cn tàu thy
10

1.3.1

10

1.3.2
Thành phn lc cn tàu và nguyên nhân xut hin
11

1.4


13

1.4.1
Gim lc cn nht
13

1.4.1.1

13

1.4.1.2

22
Lun án Ti c cht lng iv




1.4.2
Gim lc cn hình dáng
22

1.4.3
Gim lc cn sóng
22
CHƢƠNG
2. TÍNH TOÁN LỰC CẢN TÀU – MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH
HƢỞNG ĐẾN GIẢM LỰC CẢN TÀU
24

2.1

24

2.1.1
Lc cn tàu chuy
24

2.1.1.1
Lc cn toàn phn ca tàu

24

2.1.1.2
Lc cn nht ca tàu
26

2.1.1.3
Lc cn sóng ca tàu
28

2.1.1.4
Lc cn không khí ca tàu
28

2.1.2
Lc cn ca tàu chuyng trên sóng
31

2.2

32

2.2.1
Pc cn toàn phn theo công sut
kéo tàu
33

2.2.2
c cc lc cn sóng
33

2.2.3
ng dng t tàu mu
34

2.3

34

2.3.1
Hình dáng thân tàu
34

2.3.1.1
Hình dáng thân tàu bin
35

2.3.1.2
Hình dng thân tàu na và tàu pha sông bin
35

2.3.2
H s béo tàu
36

2.3.3
 nhám thân tàu
36

2.3.3.1

 nhám chung
36

2.3.3.2
 nhám cc b
37

2.3.4
ng ca lp rêu, hà bám vào v thân tàu
38

2.3.5
ng ca lp biên bao quanh tàu
38

2.3.6
ng ca lp khí phun vào l
39
CHƢƠNG
3. NGHIÊN CỨU LỰC CẢN TÀU BẰNG PHƢƠNG PHÁP SỐ
40

3.1
T
40

3.1.1
Khái quát chung
40

3.1.2
H 
41

3.1.2.1
c
41

3.1.2.2
ng
41

3.1.2.3
ng
42

3.1.2.4
Dng tng quát co toàn
42

3.1.3

42

3.1.3.1
m k d
42
Lun án Ti c cht lng v

3.1.3.2
u hn (FDM)
43

3.1.3.3
hn t hu hn (FEM)
45

3.1.3.4
 tích hu hn (FVM)
45

3.1.3.5
n t biên (BEM)
49

3.1.3.6
 (SEM)
49

3.1.3.7
Mô phng s (CFD)
49

3.2
M
 
54

3.2.1

54

3.2.2
Các  tng quát
55

3.2.3
c gii
56

3.2.4
c gii bài toán trên FLUENT
56

3.2.5
Trình t mô phng dòng chy bao quanh thân tàu và
c cn tàu
57

3.2.5.1

58

3.2.5.2
La ch mu dòng ri
60

3.2.5.3
Min tính toán  u kin biên
60

3.2.5.4

61

3.2.5.5
nh v  chính xác, vòng lp
63

3.2.5.6
K mô phng
63
CHƢƠNG
4. NGHIÊN CỨU LỰC CẢN TÀU BẰNG THỰC NGHIỆM
PHUN KHÍ VÀO LỚP BIÊN ĐÁY TÀU
72

4.1

72

4.1.1
Hai nguyên tn lp mô hình
72

4.1.2


72

4.1.2.1
Lp mô hình tng phn theo s Reynolds
73

4.1.2.2

73

4.1.3
ng cn kt qu thc nghim
74

4.1.4
Tính chuyn lc cn t mô hình sang tàu thc
74

4.1.4.1

75

4.1.4.2
Hughes
76

4.1.4.3

76

4.2

77

4.2.1
B th mô hình tàu
77

4.2.2
Xe kéo mô hình và các thit b gn trên xe kéo
78

4.2.3
Thit b to và kh sóng trong b th mô hình
80

4.2.4
Thit b  nghim
82
Lun án Ti c cht lng vi




4.2.5
Thit b kt ni máy tính
83

4.2.6
H thu khin trung tâm

83

4.2.7
Phn m
84

4.3

85

4.4
Thc nghim phun khí vào lm lc
cn tàu
85

4.4.1
Mô hình và thit b th nghim
85

4.4.2
Kt ni thit b th nghim
88

4.4.3
Quá trình th nghic cn tàu
89

4.4.3.1
Thc nghim tính lc cn tàu chuyc


89

4.4.3.2

90

4.4.4
So sánh kt qu lc cn tàu theo tính toán s và thc
nghim
92

4.4.5
t kéo tàu trong th nghim
93

4.4.5.1
Công sut kéo ca tàu tính theo lý thuyt
93

4.4.5.2
Công sut kéo ca tàu trong th nghim
94

4.4.5.3
u qu áp dng phun khí vào lp biên 
tàu trong th nghim
96

4.4.6
Tho lun kt qu thc nghim

97
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
99
TÀI LIỆU THAM KHẢO
xii
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
xvi













Lun án Ti c cht lng vii




DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

TT
TÊN GỌI
KÝ HIỆU

CHỮ VIẾT TẮT
ĐƠN
VỊ
1
Chiu dài tàu, chiu dài tàu thc, chiu dài tàu
mô hình
L; L
H
; L
M

m
2
Chiu rng tàu
B
m
3
Chiu cao mn
H
m
4
Chiu chìm tàu
T
m
5
Chiu dày lp bien

m
6
Chiu dày nén ca lp biên

*
m
7
Chiu dày tn thng ca lp biên
**
m
8
Chinh mô nhám thân tàu

k

m
9
Chia mô nhám
thân tàu
tb
k


m
10
Công sut kéo tàu
EPS (PS,P
E
)
W
11
Din tích mt ct t tàu

m

2
12
Din tích mt c

0

m
2
13
c (góc ti) ca cánh


14
H s béo th tích ca tàu (H s th ng
chic)
 (C
B
)

15
H s c ca tàu (H s din tích
mc)
 (C
WP
)

16
H s béo thng ca tàu (H s din tích
mt ct ngang gia tàu)
 (C

M
)

17
H s béo dc tàu (H s )


18
H s lc cn toàn phn
C, C
x


19
H s lc cn ca tàu thc và tàu mô hình
C
H
, C
M


20
H s lc nâng
C
y


21
H s lc cn áp sut
C

P


22
H s lc cn ma sát
C
F

23
H s cn ma sát cc b
C
f


24
H s lc cn ma sát ca bn ph
C
Fo


25
H s lc cn nht
C
V


Lun án Ti c cht lng viii

26
H s lc cn hình dáng
C
VP


27
H s lc cn sóng
C
W


28
H s lc cn không khí
C
AA


29
H s lc c nhám b mt thân tàu
C
A


30
H s lc cn phn nhô
C
AP

31
H s lc c
C
R


32
H s lc cn b sung
C
d


33
H s hi quân
C
E


34
H s hình dáng (k n  cong và
hình dáng thân tàu)
k



35
H s  cong b mt thân tàu
k
F

36
H s ng hình dáng thân tàu
k
VP

37
H s nhng hc ca cht lng

m
2
/s
38
H s nhng hc ca cht lng quanh tàu
thc

H
m
2
/s
39
H s nhng hc ca cht lng trong b th

M
m
2
/s
40
H s nhng lc hc ca cht lng


m
2
/s
41
Khng riêng ca cht lng

kg/m
3

42
Khng riêng ca không khí

A
kg/m
3

43
ng khí phun
Q, Q
A
lít/phút
44
Lc cn toàn phn
R, R
x

N
45
Lc nâng
R

y

N
46
S xâm thc


47
S Froude và các bin th ca nó
Fr, Fr
V
, Fr
H
,
Fr
B


48
S Reynolds và các bin th ca nó
Re, Re*, Re**

49
Trng tàu

N
50
Th c ca tàu

m

3
51
T l xích ca tàu mô hình so vi tàu thc
33
1

H
M
L
L
k


52
Tit din cn chính
S
m
2

53
Vn tc dòng chy và các thành phn ca nó
v, v
x
, v
y
, v
z

m/s

54
Vn tc tàu thc, vn tc tàu mô hình
v
H
; v
M
m/s
55
Vn tc lung khí bao quanh phn khô ca tàu
v
A
m/s
56
Vn tc tuyi ca gió
v
B
m/s

Lun án Ti c cht lng ix



DANH MỤC CÁC BẢNG



Bng 2.1
Giá tr h s lc cn ca các phn nhô
28
Bng 2.2

Giá tr h s lc cn b mt C
A
i vi tàu bin
28
Bng 2.3
Vn tc gió Bopho t cao h = 6,0 m so vi mc bin
30
Bng 2.4
Giá tr h s lc cn không khí C
AA

30
Bng 2.5
Giá tr h s b sung
E
k
trong khai thác tàu bin
30
Bng 3.1
Thông s n tàu mô hình MHNCS 2008-015
Và thông s n but
58
Bng 4.1
 và tàu mô hình

85

Lun án Ti c cht lng x



DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ

Hình 1.1

5
Hình 1.2


5
Hình 1.3

6
Hình 1.4
L
9
Hình 1.5

11
Hình 1.6
u khin lp biên gim lc cn tàu
14
Hình 1.7
Kt cu lp ph kiu ct
20
Hình 1.8
Kt cu lp ph kin
20
Hình 1.9

21
Hình 1.10

23
Hình 2.1
quanh 

29
Hình 3.1


46
Hình 3.2

47
Hình 3.3
Cu trúc mô phng s CFD
50
Hình 3.4

54
Hình 3.5
Mô hình 3D 
59
Hình 3.6
Miu kin biên
60
Hình 3.7

62
Hình 3.8

62
Hình 3.9


63
Hình 3.10
Phân b
64

Hình 3.11

65
Hình 3.12
dòng khí   tàu
65
Hình 3.13
Phân -
66
Hình 3.14
-

67
Hình 3.15
 

68
Hình 3.16
 
69
Hình 3.17

69
Hình 3.18

70
Hình 3.19

Q = 20 lít/phút
70

Lun án Ti c cht lng xi



Hình 4.1
tàu
77
Hình 4.2

78
Hình 4.3
Tm phanh hãm mô hình
79
Hình 4.4
Dng mô hình
79
Hình 4.5
 
80
Hình 4.6

80
Hình 4.7

81
Hình 4.8

81
Hình 4.9


82
Hình 4.10

83
Hình 4.11

83
Hình 4.12
B kt ni chuyi s liu cao sóng
83
Hình 4.13

84
Hình 4.14

84
Hình 4.15

86
Hình 4.16

86
Hình 4.17
Hình dng, kt cu, v trí bung phun khí trên tàu mô hình
87
Hình 4.18

88
Hình 4.19


88
Hình 4.20

88
Hình 4.21
Hình nh tàu mô hình chuyi tc
 v = 1,4 ng khí phun Q = 20 lít/phút
89
Hình 4.22
Hình nh chuyc
i t v = 1,4 m/s và ng khí Q = 20 lít/phút
89
Hình 4.23

90
Hình 4.24
H s lc cn toàn phn tàu chuy
90
Hình 4.25
Hình nh tàu mô hình ng Q = 20 lít/phút
chuyng trên sóng hình sin v h =12cm
91
Hình 4.26
Dòng khí  chuyng trên sóng hình sin vi biên
 h =12cm khi phun khí vi ng Q = 20 lít/phút
91
Hình 4.27
Lc cn toàn phn tàu chuyn ng trên sóng hình sin
92
Hình 4.28

Lc cn và h s lc cn theo tính toán s và thc nghim
khi phun khí vng Q = 20 lít/phút
92
Hình 4.29

95
Hình 4.30
tàu trên sóng hình sin 
khi 
Q = 20 lít/phút
95
 1



MỞ ĐẦU

1. LÝ DO NGHIÊN CỨU, MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI
 gi
 chuyng ca mt vt th
t mài ca các nhà khoa h
các thc m st lng?
 i vi các vt th khác nhau? s a
vt th và cht lng bao quanh? làm th  vt th di chuyn trong cht lng
c d     


u 
y t chuyng trong cht l
dng, kt cn trong

vic nghiên cu lc cn và gim lc cn tàu thy trong quá trình vn hành nhm
mm chi phí khai thác tàu, góp phn tit king nhiên liu, gim
ng khí thi.
Hin nay trên th gii có rt nhiu nhm gim lc cn tàu thy.
o bt khí là mt trong nhu qu và
tính kh c áp dng nghiên cu ti
Vic phát tri.
Chính vì v Nghiên cứu giảm lực cản nhớt của tàu thủy bằng phương
pháp tạo bọt khíi mu, kim nghio bt khí
nhm gim lc cn tàu thy và kh ng dc t
khai thác tàu thy.
2. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
 iúp tác gi nâng cao kin th  nghiên cu, ng
dng và phát trin khoa hc k thuc bic cht lng và
ng kt lun quan trng c nh vai trò gim lc cn
co bt c bit áp di vi tàu hàng vn ti.
 i trong vic xây dng mô hình tính toán, mô phng thy
ng lc hc dòng chy bng phn m kho sát
 2



trc tip ng ca bt khí ti gim lc cn tàu vn ti, m ra kh ng
dng nghiên cu kh m lc cn nhi cu trúc lp biên.
Các kt qu nghiên cc kim chng bng thc nghim ti Phòng thí nghim
trm: B th mô hình tàu thy thuc Vin khoa hc công ngh tàu thy Vit
nh tính kh c không nh ca vic gim lc
cn tàu vn ti bo bng thi góp phn cng c lun c khoa
hc cho quá trình công ngh    dng hiu qu và khai thác tàu trong
i Vit Nam.

3. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Các thông s n ca tàu, thành phn lc cn tàu, thông s ng lc hc dòng
chng nghiên cu quan trng c tài.
 thc hin n tài, tác gi tp trung nghiên cu các v sau: Lý thuyt
lp biên - lc cn; Lc cn tàu và mt s công trình nghiên cu gim lc cn tàu;
Mô phng dòng chy bao quanh thân tàu bng ANSYS FLUENT và tính toán lc
cn tàu khi áp do bt khí nhm gim lc cn tàu; Nghiên cu
bng thc nghim gim lc cn tàu khi phun khí vào l
20.000 DWT; So sánh kt qu lc c        
thuyt, mô phng s và thc nghiu qu co bt
khí gim lc cn nht ca tàu.
4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
 tài áp dng pu kt hp gia lý thuyt , mô phng s và
thc nghiu hic s dng ph bin,
kt qu nghiên c tin cy cao.
Phn nghiên cu lý thuyt bu vi vic thng k các kt qu nghiên cu  lý
thuyc cht lng lc hc tàu thy, phân tích các thành phn lc cn,
m lc cn vi to
bt khí nhm gim lc cn nht ca tàu vn ti.
 tài s dng phn mm ANSYS FLUENT, xây dng mô hình tính, mô phng
thng lc hc dòng ch kho sát ng nh ca bt khí ti lc cn tàu.
c phát trin và ng dng trên th gic áp
dng lu cho vic mô phng cm lc cn tàu bng phun khí
 Vit Nam. Kt qu mô phng phù hp vi kt qu lý thuyt, th hi
n ca vic thit lu king.
 3



Nghiên cu thc nghim kh m lc cn tàu bo bt c

tin hành thông qua thc nghim phun khí vào la mô hình tàu
ng 20.000 DWT chy trên my trên sóng hình sin.
Kt qu nghiên cu thc nghim phù hp vi kt qu nghiên cu lý thuyt và mô
phng su này th hin ca vic thit lp bài toán lý thuyt và s
phù hp cu, ha hn kh ng dng cao c
i vi tàu hàng c l Vi
5. BỐ CỤC LUẬN ÁN
Lun án bao gn m u, phn kt lun-kin ngh c
trình bày trong 102 trang thuyt minh:
ng quan nghiên cu lp biên  lc cn. Mt s công trình nghiên cu
gim lc cn tàu
Trình bày tng quan v nghiên cu lp biên  lc cu trúc lp biên, h
i h p biên, lc cn ca vt
ngp chuy ng trong cht lng, thành phn lc cn tàu và nguyên nhân xut
hi   m lc cn tàu. Phân tích,   t s   
nghiên cu v gim lc cn tàu, t v cn gii quyt ca lun án là tip
tc nghiên cu lý thuyt và thc nghim gim lc cn nht ca tàu b
pháp to b tng trong thc t
khai thác tàu.
c cn tàu - Mt s yu t n gim lc cn tàu
Nghiên cu, tính toán lc cn tàu chuyng lý
thuyt, các thành phn lc cn tàu. Tính gc cn tàu bng thc nghim
c cn toàn phn theo công su
tính lc cc lc cng dng t tàu
mu. Phân tích mt s yu t n gim lc c
tàu, h s   nhám thân tàu,  ng ca lp rong rêu, hà bám, nh
ng ca lp biên bao quanh thân tàu và ng lp khí phun vào l
tàu, to ti cho tính toán lc cn tàu b và bng thc nghim
cu lc cn tàu b
Trình bày khái quát chung v ; h 

trình bng, dng tng quát ca
 nhm
k d, pu hn (FDM), pn t hu hn (FEM),
 4



 tích hu hn (FVM), pn t biên (BEM), p
pháp ph (SEM), mô phng s (CFD).
S dng phn mm ANSYS FLUENT mô phng dòng chy, s phân b áp sut bao
nh lc cn tàu chuyu
kin biên khác nhau.
u lc cn tàu bng thc nghim phun khí vào l
 c nghim nghiên cu lc cn tàu: nguyên t
bn và cách thc lp mô hình tàu, ng c n kt qu thc
nghin lc cn tàu t mô hình sang tàu thc.
Kho sát và chun b các trang thit b th nghim mô hình tàu. Tin hành th
nghim tính lc cn tàu khi tàu chuyc và
sau khi phun khí vào lt qu lc cc t th
nghim và t tính toán st kéo tàu, hiu qu áp dng phun khí
 th nghim và tho lun kt qu thc nghim.

 -  5



CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU LỚP BIÊN-LỰC CẢN

1.1 NGHIÊN CỨU LỚP BIÊN
1.1.1 Khái niệm lớp biên

Lp biên là lp cht lng sát thành rn mà   nht cht lc th hin rõ
nht khi có chuyi gia cht lng và vt rn. Vn tc trong lp biên
i t giá tr không tn giá tr xp x 99% vn tc dòng ngoài. Phía
ngoài lp biên này (dòng ngoài), cht lng






Hình 1.1 Lp biên và dòng ngoài
1.1.2 Cấu trúc lớp biên
 
 
 - 


 ng. Quy



 -  6






1.1.3 Hệ phƣơng trình lớp biên
 Stokes

Nhng nghiên cu v li ngun t r
hng ca cht lng
thc vii dng sau [1]:

dt
d
udivgradvpgradF
u
u







.
3
1
.
1


(1.1)


F


u



z
w
y
v
x
u
div u











2
2
2
2
2
2
z
w
y
v

x
u
u













 
v














 k
z
p
j
y
p
i
x
p
pgrad


pgrad

1

dt
ud


 -  7




             
Navier  



ji
uu
)























''
2
1
j

u
i
u
ji
D
j
x
i
x
p
j
x
i
u
j
u
t
i
u
td
i
ud


(1.2)

i
u
i
u

i
u


;
j
u
j
u
j
u


- vn tc tc thi

j
u
i
u ;


j
u
i
u

;


















ij
ji
xx
D
j
u
i
u
~
~
2
1





trình Navier  































0
2
2
y
v
x
u
y
u
xd
Ud
U
y
v
v
x
u
u

(1.3)
Vu kin biên:










)(:
0:0
xUuy
vuy

(1.4)

u = u(x,y)  vn tc trung bình dc trong lp biên
v = v(x,y)  vn tc trung bình ngang trong lp biên
)(xU

 vn tc dòng ngoài;  -  nhng lc hc
 -  8



1.1.4 Phƣơng pháp giải hệ phƣơng trình lớp biên

Lc hình thành ch khi s Reynolds lng
trong lp biên có th nhc t   - Stokes vii dng
tng quát không th c các thành ph
y du kin: chiu dày lp biên nh u so vi chiu dài ca
vt (<<l) nên giá tr   ng theo
Gii trc tip h Prandtl vu king
ta s c nghim u(x,y); v(x,y) trong toàn lp biên  c
ng sut tip trên b mt vt.
i tích ch áp d gii nhng bài toán ln.

Ni dung cc xây dng không phi tha

mãn chính h a mãn các h thc tích phân. Các h thc
này nhu theo t không gian, da
trên vi bing trong ln
i sm nht và vc áp dng có hiu qu n ngày nay.
n, cho kt qu a lp biên, song không cho bit
hình nh v phân b vn tc trong lp biên.
i vi lp biên r
i vi lp biên tng, có th s d      
profil vn tc c Lôixianxki.
1.1.4.3 Tính toán s
 tính toán mt lp biên rng phi s dn k thut sn nay,
tính toán s lp biên ri có th s d
  vi mô hình chiu dài hn hp ri
  vi mô hình ri k  
  kt hp mô hình chiu dài hn hp ri vi mô hình ri k  
Ngoài ra, còn s dng trc tip t 
 tính toán dòng cht lng thc.


 -  9



1.2 LỰC CẢN CỦA VẬT CHUYỂN ĐỘNG TRONG CHẤT LỎNG
1.2.1 Khái niệm lực cản
Kho sát dòng cht lng chuyng vi vn tc U

bao quanh vt rn c nh.
G  coi vt rn chuyng vi vn tc U


 i v tr s và
ng trong cht lt lng tác dng lên vt mt lc

P
(

n
P
,


P
)
và to
nên mô men

M
c nâng


n
P
vuông góc vn tc U

, lc cn


P
i U


c chiu








P
n
PP
(1.5)
n
P
S
U
y
C
2
2



(
1.6)


P
S

U
x
C
2
2



(1.7)

lS
U
m
CM
2
2



(1.8)


C
y
là h s lc nâng, C
m
là h s mô men
 - Khng riêng ca cht lng,
S - Tit din cn chính.
l - chia vt th

dPn
U
dP
dS
 -  10



C
x
là h s lc cn, ph thuc vào dng hình hc ca vt th. Khi xét
n lp biên phát trin trên b mt vt th, h s lc cn là tng
ca h s lc cn hình dng và h s cn ma sát ca lp biên.
Mt s công thc tính h s lc cc trình bày trong tài liu [1] và [2].
1.2.2 Thành phần lực cản của vật ngập chuyển động trong chất lỏng
Lc cn ca vt th ng có hai thành phn [1], do ma sát trong lp biên
gây nên

ms
P

và do phân b ca áp sut trên b mt vt cn gây nên

ap
P


Trong dòng phng, ta có:
ap
P

ms
PP


(1.9)
Khi vt rn nm trong dòng chy, nó s p biên,
các thông s ca dòng chy s i. Phân b áp sut và phân b lc ma sát trên
mt vt ph thuc vào hình dng, v trí vt th trong dòng chy, vn tc  vô cùng
 ng các h s lc cn áp sut
P
C
và h s lc cn ma sát
F
C


FP
CC
x
C 
(1.10)
Vi vn tc dòng nh, tính nén thc t không có tác dng chính
n h s lc cn là hình dng vt cn và s Reynolds. S i cu trúc ca lp
biên và trng thái chy trong lp biên có ng ln lc cn ma sát.
Vi vt th ng xu, dòng bao quanh vim ri (hình tr,
thuyc cn ma sát nh c cn áp lc (
ms
P

<

ap
P

).
Vi các vt th dng cánh, tm phc cn có th tính theo công thc sau:

 
k
ms
PP  1

(1.11)
trong 
25,01,0 k


1.3 LỰC CẢN TÀU THỦY
1.3.1 Khái niệm lực cản tàu thủy
 nghiên cng ci ta gn lên tàu hai h trc to  ng
x
1
y
1
z
1
, và h    . Hai h to  này s trùng nhau khi tàu không
chuyng và to vi nhau mt góc chúi hành trình  khi tàu chuyng.
 -  11

Hình 1.5 Hệ toạ độ khảo sát chuyển động của tàu
Khi tàu chuyng trong cht lng, nó chng ca lc thu - ng mà
tr s ca nó ph thuc vào kh nht ca cht lng. Tng hp
các lc trên b mt ca tàu bao gm lc chính

R
và mô men chính

M
.
Chi
chính ca lc
R

lên các trc to  c R
x
; R
y
; R
z
lt là lc cn chuyn
ng, lc dt ngang, lc nâng ca tàu.







d
P
R
n
(1.12)















d
r
P
M
n
(1.13)


r
- a d i vi tâm quy chin.

Lc cn tàu là hình chiu ca các lc thy - ng, tác dng lên
b mng chuyng dc trc ca tàu.
1.3.2 Thành phần lực cản tàu và nguyên nhân xuất hiện
Lc cn tàu ph thuc vào s i cu trúc dòng chy bao quanh tàu và ph
thuu ki sâu, chiu rng ca lung lch, sóng gió,
dòng ch  chúi và chiu chìm trung bình, rong, rêu, hà bám 
phc ca tàu, s c (l hãm quán tính, v.v.
Khi nghiên cu các thành phn lc c i ta gi thit tàu   thng
chuyng vi t tnh tin là v   sâu không hn ch u kin không
có sóng, gió và gi thit v s c lp ca các thành phn lc cn tàu: các quá trình
vt lý gây ra tng thành phn lc cn tc lp nhau, nhng hing xy ra
c không ng ti lc cn không khí. Quá trình hình thành lp biên
và s to sóng png thi trong cht lng và có ng ln nhau. Song,
m ng trong phn lng hp là không ln.
 -  12



Lc cn chuyng ca tàu (
x
R
) bao gm: lc cn nht, lc cn sóng và lc cn
b nh là lc cn do ng các ph nhám b mt
vn có cc cn ca không khí. Các thành phn lc cn ph
thuc, hình dáng thân tàu và s Frou s béo th
tích  và ch  chuyng ca tàu.
Vi tàu vn ti: lc cn nhnh, ng ca lc cn không
n chuyng ca tàu khi không có gió là không ln và nó ph thuc vào tc
    dng phn khô trên m c ca thân tàu, giá tr ca nó
chim khong

(1 3)%
lc cn toàn b ca tàu.

d
R
W
R
V
R
x
R 

(1.14)
VP
R
F
R
V
R 
(1.15)
AA
R
A
R
AP
R
d
R 
(1.16)
AA

R
A
R
AP
R
W
R
VP
R
F
R
x
R 

(1.17)
 :
W
R
-
Lc cn sóng, do các phn t cht lng  gn mt t do ca cht lng
tách ra t v trí cân bng, to mt h thng vn
tc và áp sut dc theo b mt tàu. Công do lc cc tiêu tn
cho s tng sóng. Trong vùng s Fr = (0,16  0,18), lc
cn sóng gn bng không
V
R
-
Lc cn nht, xut hin do hing tách lp biên, bao gm lc cn
hình dáng và lc cn ma sát.
F

R
-
Lc cn ma sát, xut hin do  nht ca cht lng gây ma
sát vào v tàu, chu  cong dc và ngang thân tàu. Công ca
lc cc tiêu tn cho s hình thành lp biên và dòng theo.
VP
R
-
Lc cn hình dáng, xut hin do ng c nht hình thành lp
biên dc theo b mt tàu và to ra dòng theo làm gim áp sut  vùng
c cn hình dáng ph thuc vào hình dáng thân tàu.
d
R
-

Lc cn b sung do ng các ph nhám b mt thân tàu,
ng ca không khí. Thành phn lc cn này trong khai thác tàu
c bit hoc tính da vào h s hiu
chnh lc cn ng vu kin làm ving ca tàu.
 -  13



AP
R
-
Lc cn do các phn nhô ra khi lp biên phá hc tính dòng chy
bao quanh thân tàu, thuc b mc c 
hông, vây gim l trc chân vt và trc chân v
A

R
-
Lc c nhám b mt - hu qu c
pháp gia công b mt. Thành phc tính toán b
c bin tính cht ng cu kin khai thác
tàu và không tn tu kin thc nghim mô hình tàu.
AA
R
-
Lc cn không khí là phn lng ca dòng không khí trên b mt
ng tng và lu, các ct, các ng, dây chng, dây buc,
v.v.) vi vn tc bng vn tc tàu. Giá tr lc cn này chim không quá
3% lc cn toàn phc b qua.

1.4 PHƢƠNG PHÁP GIẢM LỰC CẢN TÀU VÀ MỘT SỐ CÔNG
TRÌNH ĐÃ NGHIÊN CỨU
Hin nay, trên th giu bng lý thuyt và thc nghim nh
pháp gim lc cn ca vt chuyng trong cht lng và ng dng trin khai 
nhic bic K thut tàu thm
lc cn ca tàu dng có ch ng vào dòng chy bao quanh thân tàu mà
bn chu khin lp biên (hình 1.6).
1.4.1 Giảm lực cản nhớt
Lc cn nhng lc cn cc cn ma
sát chim khong (80 ÷ 90)% lc cn nht, lc cn hình dáng chim khong (10 ÷
20)% lc cn nht [5]. Nhc (tàu ngm), h
ch có lc cn nht. Vic tìm các bin pháp gim lc cn nht là rt quan trng.
Cách thc gim lc cn nht ch yc tính dòng chy trong lp
ng nhnh. C th 
1.4.1.1 Tng hóa lp biên
Lý thuyt và thc nghim ch ra rng, h s c cn ma sát

nht trên b mt tàu vi cùng mt s Reynolds trong lp biên tng nh  t
nhiu so vi lp biên ri. Phn ln các công trình nghiên cu gim lc cn bng
  p biên t c kt qu   (trang 244 [5]).
 -  14


















Hình 1.6 u khin lp biên gim lc cn tàu
Điều khiển lớp biên nhằm giảm lực cản
Giảm lực cản nhớt
Giảm lực cản hình dáng
Tầng hóa
lớp biên
Giảm
ma sát rối

Bề mặt
dao động
Cải thiện
tuyến hình
Hút
hướng pháp
Thổi
hướng tiếp
Điện
Từ trường
Tạo lớp chất lỏng có tính
chất khác hoặc bọt khí
Tăng độ béo profil vận
tốc hoặc tăng chiều
dày lớp biên

Tạo lớp phù
bề mặt
Bề mặt
dao động
Dao động
áp suất

Dao động
áp suất
Tăng độ béo
profil vận tốc
Giảm chiều dày
lớp biên
Giảm chiều dày

lớp biên
Phản ứng
hóa học
Màng
sủi
Làm
mát
Sủi
bọt
Thổi
Giảm
độ nhám
Thổi chất lỏng
cùng loại
Điện
từ trường
Chất lỏng có tính chất thay
đổi theo chiều dày lớp biên
Chất lỏng có tính chất không
đổi theo chiều dày lớp biên
Đưa chất
lỏng có độ
nhớt khác
Làm
nóng
bề mặt
Điện
từ
trường
Hút

Gradien
áp suất
âm
Chất
lỏng phi
Newton

Tạo lớp chất lỏng
với tính chất khác
Thổi
khí
Chất lỏng
phi Newton
Chất lỏng
khác
Tự
nhiên
Nhân
tạo
Hút theo khe
Hút theo màng
Hút phân bố