Lập chương trình tính toán thủy động học bánh lái, chương 7 ppsx

Chương 7:
Đặc tính thuỷ động của bánh lái
Việc tính toán thuỷ động học bánh lái, tức là đi xác định 2
thông số lực thuỷ động R và mômen thuỷ động M
tđ
thông qua các
đặc tính thuỷ động của bánh lái.
Khi quay bánh lái một góc  so với phương dòng chảy, trên
bánh lái xuất hiện hợp lực thuỷ động R đặt tại một điểm gọi là tâm
áp l
ực của bánh lái.
Để tiện tính
toán, R thường
được phân th
ành
các thành ph
ần:
Lực nâng L vuông
góc với hướng
dòng chảy; Lực
cản D theo hướng
dòng chảy; lực pháp tuyến N vuông góc với mặt phẳng tạo bởi các
dây cung prôfin và lực tiếp tuyến T nằm trong mặt phẳng đó (hình
2.9).
H
ợp lực thuỷ động được xác định như sau:
Hình 2.9. Lực thuỷ động tác dụng lên bánh lái.
t
R
L

P
N
D
.
x
c
x
a
taâm quay
taâm aùp löïc
vs
T
R =
22
DL  (kG) (2-42)
hay P c
ũng có thể phân ra 2 hợp lực sau:
-
Lực thẳng góc: N = L* cos + D* sin (kG) (2-43)
- L
ực tiếp tuyến: T = L* sin - D* cos (kG) (2-44)
Các lực đó đặt tại tâm áp lực (tâm áp suất) và gây nên mômen
thu
ỷ động với cạnh dẫn là: M
tđ
= N* (x
a
– x
c
)

(2-45)
Trong chương trình lập trình tính toán thuỷ động học bánh lái
phần tính hiệu chỉnh, tôi kí hiệu x
a
= e, x
c
= a.
Trong đó:
x
a
: khoảng cách tâm áp suất tính từ cạnh dẫn, m
x
a
= b
C
C
N
M
* (2-46)
(v
ới C
N
= L* cos + D* sin) (2-47)
x
c
: khoảng cách từ tâm quay của bánh lái đến cạnh dẫn.
Các lực và mômen thuỷ động được biểu diễn qua các hệ số
không thứ nguyên sau:
- H
ệ số lực nâng: C

L
=
S
v
L
bl
*
2
*
2

(2-48)
- H
ệ số lực dọc: C
D
=
S
v
D
bl
*
2
*
2

(2-49)
- H
ệ số lực pháp: C
N
=

S
v
N
bl
*
2
*
2

(2-50)
- Hệ số lực tiếp: C
T
=
S
v
T
bl
*
2
*
2

(2-51)
- H
ệ số mômen: C
M
=
bS
v
M

bl
td
**
2
*
2

(2-52)
- H
ệ số tâm áp lực: C
p
=
b
x
a
(2-53)
Trong đó:
 - khối lượng riêng của nước, kG/m
3
v
bl
- vận tốc dòng chảy trên bánh lái, m/s
S - di
ện tích bánh lái, m
2
b - chiều rộng bánh lái, m
Các lực đo bằng kG, mômen đo bằng kG.m
Từ các công thức trên ta có:
C
N

= C
L
* cos + C
D
* sin (2-54)
C
T
= C
D
* cos – C
L
* sin (2-55)
C
L
= C
N
* cos
t
– C
T
* sin (2-56)
C
D
= C
N
* sin + C
T
* cos (2-57)
C
M

= C
N
* (C
P
- k) (2-58)
Các đặc tính thuỷ động của bánh lái được xác định bằng thí
nghiệm và cho dưới dạng bảng (ví dụ bảng 2.3 đến bảng 2.11)
hoặc đồ thị (ví dụ hình 2.10).

(0)
C
L
C
D
C
M
0 0 0 0
4 0.09 0.08 0.02
8 0.18 0.22 0.04
12 0.28 0.32 0.06
16 0.39 0.43 0.10
20 0.49 0.57 0.14
24 0.61 0.63 0.21
28 0.77 0.70 0.28
32 0.89 0.82 0.32
35 1.00 0.88 0.38
Bảng 2.3. Các hệ số thuỷ động lực của prôfin đối xứng
NACA-0012, = 0.5

(0)

C
L
C
D
C
M
0 0 0 0
4 0.14 0.10 0.02
8 0.22 0.20 0.04
12 0.36 0.30 0.08
16 0.42 0.40 0.12
20 0.61 0.50 0.18
24 0.80 0.60 0.25
28 0.96 0.70 0.32
32 1.10 0.80 0.41
35 1.14 0.90 0.40
Bảng 2.4. Các hệ số thuỷ động lực của prôfin đối xứng
NACA-0012, = 0.8

(0)
C
L
C
D
C
M
0 0 0 0
4 0.10 0.04 0.02
8 0.18 0.20 0.06
12 0.20 0.30 0.08

16 0.40 0.40 0.13
20 0.50 0.50 0.19
24 0.62 0.60 0.25
28 1.02 0.70 0.31
32 1.06 0.80 0.40
35 1.12 - -
Bảng 2.5. Các hệ số thuỷ động lực của prôfin đối xứng
NACA-0012, = 1.0

(0)
C
L
C
D
C
M
0 0 0 0
4 0.16 0.04 0.04
8 0.31 0.22 0.08
12 0.42 0.32 0.12
16 0.62 0.42 0.18
20 0.82 0.52 0.22
24 1.02 0.62 0.28
28 1.10 0.70 0.40
32 - - -
35 - - -
Bảng 2.6. Các hệ số thuỷ động lực của prôfin đối xứng
NACA-0012, = 1.5

(0)

C
L
C
D
C
M
0 0 0 0
4 0.32 0.017 0.08
8 0.61 0.039 0.15
12 0.80 0.15 0.20
16 0.89 0.26 0.30
20 0.85 0.32 0.27
24 0.83 0.395 0.26
28 0.825 0.42 0.25
32 0.84 0.42 0.24
35 - - -
Bảng 2.7. Các hệ số thuỷ động lực của prôfin đối xứng
NACA-0006, = 6

(0)
C
L
C
D
C
M
0 0 0.008 0
4 0.32 0.017 0.08
8 0.61 0.032 0.15
12 0.91 0.060 0.225

16 1.20 0.098 0.30
20 1.04 0.27 0.33
24 0.90 0.39 0.345
28 0.88 0.41 0.342
32 0.80 0.43 0.34
35 1.73 - 1.42
Bảng 2.8. Các hệ số thuỷ động lực của prôfin đối xứng
NACA-0009, = 6

(0)
C
L
C
D
C
M
0 0 0.010 0
4 0.30 0.018 0.075
8 0.61 0.037 0.0.15
12 0.91 0.059 0.225
16 1.20 0.098 0.30
20 1.43 0.14 0.36
24 1.12 0.32 0.36
28 1.10 0.36 0.358
32 0.96 0.98 0.352
35 1.52 0.4 0.38
Bảng 2.9. Các hệ số thuỷ động lực của prôfin đối xứng
NACA-0012, = 6

(0)

C
L
C
D
C
M
0 0 0.010 0
4 0.30 0.019 0.075
8 0.61 0.037 0.15
12 0.91 0.059 0.225
16 1.19 0.098 0.30
20 1.40 0.140 0.36
24 1.20 0.279 0.36
28 1.125 0.29 0.34
32 0.92 0.32 0.36
35 1.53 0.38 0.38
Bảng 2.10. Các hệ số thuỷ động lực của prôfin đối xứng
NACA-0015, = 6

(0)
C
L
C
D
C
M
0 0 0.015 0
4 0.30 0.018 0.075
8 0.61 0.036 0.15
12 0.89 0.060 0.22

16 1.14 0.098 0.185
20 1.42 0.141 0.36
24 1.30 0.24 0.375
28 1.28 0.28 0.36
32 0.96 0.36 0.34
35 1.50 0.40 0.375
Bảng 2.11. Các hệ số thuỷ động lực của prôfin đối xứng
NACA-0018, = 6
Chú ý: Kí hiệu “-“ là tại đó hệ số thuỷ động học không xác
định.
Góc quay lái

(0)
tính từ góc quay lái bé nhất 0
(0)
đến góc
quay lái lớn nhất 35
(0)
.
Hoặc dưới dạng đồ thị như sau:
Từ các giá trị của đặc tính thuỷ động theo dạng bảng hoặc đồ
thị, ta có thể đi xác định được giá trị các lực và mômen thuỷ động
ứng với các dạng khác nhau của prôfin bánh lái. Ở chương tr
ình
này, t
ừ đồ thị đặc tính thuỷ động của bánh lái với các dạng prôfin
đối xứng ta dùng phương pháp số hoá đồ thị về dạng bảng để tiện
Hình 2.10. Đặc tính thuỷ động của bánh lái chữ nhật prôfin NACA-0012,
= 0,5;


t = 12% a. Khi tàu chạy tiến b. Khi tàu chạy lùi
CM
Cp
0,5
0
1,0
2,0
C
L
0,5
1,0
CD


Cp
C
M
CD=f(Cy)
C
LCL
CD=f(CL)
CM
Cp


CD
1,0
0,5
C
L

2,0
1,0
0
0,5
C
MCp
cho việc tính toán. Các giá trị lực và mômen cần xác định trong
chương tr
ình là:
L
ực nâng: L = C
L
* k
v
* k
cv
* S*
2
*
2
v

(2-
59)
L
ực dọc: D = C
D
* k
v
* k

cv
* S*
2
*
2
v

(2-
60)
L
ực tổng hợp: R=
22
DL  (2-
61)
Mômen thu
ỷ động: M
tđ
= C
M
* k
v
* k
cv
* S* b*
2
*
2
v

(2-62)

Các công th
ức (2-47), (2-48), (2-49) được xây dựng trong
trường
hợp thử các bánh lái cô lập, khi người ta thổi dòng khí vào
ống tác động lên bánh lái thay cho dòng nước trong thực tế. Người
ta gắn các thiết bị đo lực để có thể đo được lực tác dụng của dòng
không khí và m
ột thiết bị đo mômen để đo mômen ở cạnh trước
của bánh lái. Khi đó giá trị các hệ số lực C
N
, C
L
, C
D
, và hệ số
mômen C
M
ứng với góc quay lái dưới tác dụng của dòng nước tới
bánh lái dạng prôfin và chúng được gọi là đặc tính thuỷ động của
bánh lái dạng prôfin.
Với giá trị các hệ số C
L
, C
D
, C
M
dưới dạng đồ thị, ta dùng
phương pháp số hoá đồ thị các đặc tính thuỷ động học bánh lái để
xây dựng chúng dưới dạng bảng như ở bảng 2.3 đến bảng 2.11 ở
trên. Điều n

ày có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong việc xác định
các giá trị lực (R) và mômen thuỷ động (M
td
) của chương trình.
Quá trình l
ập trình tính toán các lực và mômen tác dụng lên
bánh lái s
ử dụng các hệ số đặc tính thuỷ động C
L
, C
D
, C
M
được
thực hiện ở phần lập trình dưới đây ta sẽ đi nghiên cứu.