Nghiên cứu phương pháp xác định thực nghiệm sức cản thông qua cặp thông số tốc độ tàu và số vòng quay chân vịt, chương 1 ppsx

CHƯƠNG 1
CƠ SỞ LÝ
THUYẾT
2.1. MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ SỨC CẢN TÀU
THUỶ.
2.1.1. Các thành phần sức
cản.
Khi tàu chạy trên mặt nước, thân tàu chịu tác dụng của
các ph
ản lực
không
khí và nước. Lực ngược chiều với hướng
chuyển động của thân tàu gọi là sức
cản
tàu
t
huỷ.
Thành phần sức cản tổng hợp tác dụng lên tàu bao gồm:
sức cản môi
t
rường
nước, sức cản của môi trường không khí và
thành ph
ần sức cản phụ do các thiết
b
ị
như bánh lái, chân vịt
… gây
ra.
Sức cản do môi trường nước tạo ra là rất lớn, lớn hơn
nhi

ều so với sức
cản
không khí. Nó ảnh hưởng lớn đến tốc độ
tàu cũng như các tính năng khác của
t
àu
khi chuyển động, nên
luôn
được các nhà thiết kế quan tâm và nghiên
cứu.
2.1.1.1. Sức cản môi trường
nước
Khảo sát phân tố diện tích dS trên bề mặt vỏ tàu dưới
n
ước (còn gọi là
d
i
ện
tích mặt ướt S). Lực thuỷ động tác dụng lên phân tố dS được
phân tích thành
các



thành phần pháp tuyến (
p
dS) và tiếp tuyến (

dS).
Hình 2.1: Lực thuỷ động tác dụng lên vỏ tàu khi chuyển

động tiến theo
Ox
Tổng hợp các lực trên toàn bộ mặt ướt vỏ tàu, chiếu theo
ph
ương Ox
t
ương
ứng sẽ được các thành phần sức cản có tên
g
ọi là sức cản áp suất (R
p
) và sức cản
ma
sát
(R
ms
).
R
p


pcos(p,
x)dS
S
(2-1)
;
R
ms




cos(

,
x)dS
S
(2-2)
2.1.1.2 Sức cản ma sát
(R
ms
)
Thực chất sức cản ma sát của tàu (R
ms
) xuất hiện là do độ
nhớt chất lỏng
gây
ra ma sát giữa lớp chất lỏng với vỏ tàu và
gi
ữa các lớp chất lỏng với nhau.
Đạ
i
lượng này được xác
định theo sức cản của tấm phẳng có tính đến độ cong và
độ
nhám của bề mặt vỏ tàu so với tấm phẳng theo công thức tổng
quá
t:

V
2

S
(2-3)
R
ms
=
C
mstàu
2
Trong đó: V: Vận tốc
t
àu.
S: Diện tích mặt
ướ
t
.
C
mstàu
: Hệ số sức cản ma
sát c
ủa
t
àu.
C
mstàu
được tính
theo công
t
hức
:
C

mstàu
= k. C
mstpt
đ
+

C
bm
Với k: Hệ số tính đến ảnh hưởng của độ cong bề mặt
v
ỏ tàu so
vớ
i
tấm phẳng, có giá trị nằm trong khoảng (1.02 1.08), phụ thuộc
vào t
ỷ số
L
/
B.
C
bm
: Hệ số tính đến ảnh hưởng của độ nhám bề
mặt vỏ tàu,
t
hường
có giá trị nằm trong khoảng (0.0003 
0.0008), phụ thuộc vào vật liệu làm vỏ tàu
và
điều kiện làm
vi

ệc
…
C
mstpt
đ
:Hệ số sức cản ma sát của tấm phẳng tương
đương với tàu,
t
ức
là tấm phẳng có chiều dài và diện tích mặt ướt của tàu, chuyển
động trong cùng
mộ
t
chất lỏng với tốc độ bằng tốc độ tàu. Nó phụ thuộc vào giá trị số
Reyno
l
ds.
Re =
V *
L



(2-4)
- Khi Re  2.10
5
: Dòng chất lỏng trong khu vực lớp biên ở
chế độ chảy
t
ầng.

1.32
8
C
mstp
tđ
=
Re
(2-5)
- Khi Re  2.10
5
: Dòng chất lỏng trong khu vực lớp biên ở
chế độ chảy
rố
i
.
C
mstp
tđ
=
0.45
5
2.58
lg
(Re)
(2-6)
- Hoặc theo công thức của Hội nghị quốc tế các bể thử lần
VIII(ITTC-1957)
C
mstp
tđ

=
0.07
5
2
(lg
Re

2)
(2-7)
2.1.1.3 Sức cản áp sức
(R
p
)
Khi tàu chuyển động làm phân bố lại áp lực và tốc độ
dòng chất lỏng
chảy
quanh bề mặt vỏ tàu (hiện tượng này gọi là hiện tượng lưu
t
uyến).
Hình 2.2: Hiện tượng lưu tuyến của dòng chất lỏng xung
quanh b
ề mặt vỏ
t
àu
Theo định luật Becnuly, ở khu vực mũi và đuôi do tiết
di
ện dòng chảy
t
ăng
lên nên tốc độ dòng chảy giảm và áp lực

dòng chảy tăng. Trong khi đó tại phần
g
i
ữa
tàu, do các dòng
ch
ất lỏng bị ép lên nhau làm giảm tiết diện ngang nên tốc độ
dòng
chảy lại tăng và áp lực trong dòng chảy lại giảm
xuống.
Kết quả của sự phân bố lại áp lực và tốc độ trong dòng
chất lỏng quanh
bề
mặt vỏ tàu là nguyên nhân gây ra sức cản
áp su
ất gồm sức cản hình dáng và
sức
cản sinh
sóng.
1. Sức cản hình dáng
(R
hd
)
Sức cản hình dáng xuất hiện là do sự phân bố lại áp lực và
t
ốc độ trong
dòng
chất lỏng chảy dọc theo bề mặt vỏ tàu và gây
ra khu v
ực xoáy nằm phía sau đuôi

t
àu
như
sau
:
Khu vực
xoáy
Hình 2.3: Sức cản hình
dáng
Trong khu vực từ mũi về sườn giữa tàu, do các phần
t
ử chất lỏng
chuyển
động theo chiều giảm của áp lực nên
tốc độ các phần tử tăng dần và đạt giá trị
l
ớn
nhất tại sườn
giữa tàu. Còn khu vực từ sườn giữa tàu về phía đuôi tàu,
các ph
ần
t
ử
chất lỏng lại chuyển động theo chiều tăng áp
lực nên tốc độ các phần tử giảm
dần,
do đó động năng cũng
giảm dần. Riêng lớp chất lỏng chạy sát vỏ tàu, do sự ma
sá
t

với bề mặt vỏ tàu nên năng lượng của nó ngoài khắc phục
sự tăng của áp lực
còn
phải thắng được sự ma sát nên bị
giảm rất nhanh và đến một lúc nào đó, dưới
sự
tăng của áp
lực trong dòng chảy chất lỏng sẽ làm xuất hiện một dòng
chất lỏng
chảy
ngược sát bề mặt vỏ tàu, hướng cùng chiều
chuyển động của tàu. Dòng chất
l
ỏng
ngược ép và tách lớp
biên khỏi bề mặt vỏ tàu, tạo ra vùng xoáy sau đuôi tàu, làm
áp
lực phía sau đuôi tàu giảm tạo ra một lực cản, được gọi
là sức cản hình dáng
của
t
àu.