ĐỘNG LỰC TÀU THUỶ - PHẦN 1 LỰC CẢN CHUYỂN ĐỘNG CỦA TÀU - CHƯƠNG 6 potx

57
Ch ơng6
Xácđịnhlựccảnchuyển độngcủatàu
bằngph ơngphápthựcnghiệm
Các ph ơng phápxác định lực cản chuyển động của tàu có thể là:
- bằng ph ơng pháp lý thuyết.
- bằng ph ơng pháp thực nghiệm.
Ph ơngphápthựcnghiệmlàdựatrênviệcthử mô hìnhtàuvàtàuthực, đ ợc áp
dụngrộngrãitrongcáccôngtrìnhnghiêncứukhoahọc,trongquá trìnhxâydựnghình
dángchonhữngcontàu đ ợcthiếtkếmới,cũngnh đánhgiá tínhdi độngcủanhững
con tàu đã đ ợc đóng mới.
Có haiph ơngphápnghiêncứulựccảnbằngthựcnghiệm đó là thử mô hình tàu và
tàu thực.
Thử mô hìnhtàuchophépsosánhmộtcách đángtincậyhiệuquả củacácph ơng
án khác nhau trong quá trình thiết kế tàu.
Đốivớicác n ớccóngành đóngtàupháttriểnthì tàu đ ợcthiếtkếvàđóngmới
phải qua giai đoạn thử mô hình để lập dự án thiết kế tối u.
Việclậpmôhìnhvềtínhdi độngvàcáctínhnăng đibiểnkhácphảiphù hợpvới
cácyêucầucủalýthuyết đồngdạng độnglựchọc.Lýthuyết đồngdạnglàcơsởđể
xây dựng các ph ơng pháp tính chuyển kết quả thử mô hình sang tàu thực.
Khinghiêncứulựccảnbằngthí nghiệmta ápdụnghainguyêntắccơbảnđể lập
mô hình, đó là:
Nguyêntắcthứ nhất:Lậpcácmôhìnhchuyển độngphẳngtrong n ớcyênlặng
đ ợc thực hiện trong các bể thử hoặc trong cácvùng n ớc hở có trang bị đặc biệt.
Nguyêntắcthứ hai:Lậpcácmôhìnhchuyển độngnghịch đảo,nghĩalàchodòng
baolấymôhình đứngyên.Nguyêntắcnày đ ợc ápdụngtrongcácốngkhíđộngvà
ốngxâm thực.
Khivậtthể chuyển động đều(khôngcógiatốc)thì các đặctr ngcủadòngbaotàu
khôngphụ thuộcthờigian,nghĩalàsốShkhông ảnh h ởngtớicáchệsốcủalựccản
thuỷđộng,trongtr ờnghợpnàyđểđảmbảotính đồngdạng độnghọccủamôhìnhvà
tàu thực chỉ cần các trị số Fr và Re.

H
M
H
HH
M
MM
H
H
M
M
L
L
k
LvLv
gL
v
gL
v





Để thoả mãn điềukiệntrênthì phảithử mô hìnhtrongchấtlỏngcóhệsốnhớt
khácvới độ nhớt của chất lỏng
H
nơi mà tàu thực chuyển động:

M
=

H
k
1,5
(6.1.1)
58
Khihệsốkkhônglớn,khôngthể chọn đ ợcchấtlỏngthíchhợpđể thử mô hình.
Vì vậykhithử mô hìnhtàutính đồngdạng độnghọccủacácdòngchảykhông đ ợc
đảmbảođầy đủ nênkhitínhchuyểnkếtquả từ thử mô hìnhsangtàuthựcsẽgặpkhó
khăn. Để tránhnhữngkhó khăn đó cầnphảisửdụngcáchlậpmôhìnhtừngphần,bằng
cách thoả mãn một trong các điều kiện đồng dạng.
*Lập mô hình từng phần theo số Re:
Từ điều kiện cần thoả mãn Re
M
= Re
H
thì vận tốc chuyển động của mô hình sẽ là:
v
M
= v
H
(L
H
/L
M
)(
M
/
H
)
(6.1.2)

Theo(6.1.2)vậntốcmôhình v
M
trongchấtlỏngcócùng độ nhớtmàtàuthực
chuyển động ở đó sẽ lớn hơn 1/k lần so vớivận tốc của tàu thực.
Dựavào R
xH
= R
xM
(
H
v
H
2
/
M
v
M
2
)(1/k
2
)thì lựccảnnhớtcủamôhìnhvàtàuthựcsẽ
bằng nhau.
Dovậykhithử mô hìnhtàuth ờngkhông đảmbảo đ ợcsựbằngnhaucủacácsố
Re,nghĩalàkhông đảmbảo đ ợcsựđồngdạngcủacácxoáy,cáclựcthuỷđộngtạo
nên bởi độ nhớt của chất lỏng.
*Lập mô hình từng phần theo số Fr.
Từ điều kiện cần thoả mãn Fr
M
= Fr
H

thì vận tốc chuyển động của mô hình sẽ là:
v
M
= v
H
k
(6.1.3)
Nh vậydựavào R
xH
= R
xM
(
H
v
H
2
/
M
v
M
2
)(1/k
2
)thì khimôhìnhchuyển độngtrong
chất lỏng có cùng khối l ợng riêng với tàu thực:
R
xM
= R
xH
k

3
Mục đíchcủaviệcthử mô hìnhlànhằm đánhgiá tínhhànhhảivàchọnnhững
đ ờng hình dáng (tuyến hình) tốt nhất cho tàu.
Ph ơngphápphổ biếnnhấtlàph ơngphápthử kéomôhìnhtrongbểthử.Trong
quá trìnhthử có thểđo đ ợclựckéoR t ơng ứngvớivậntốcchuyển độngcủamôhình
v
M
.
Bể thử đ ợclàmbằngvậtliệubêtônghoặckimloạichứa n ớcngọtvàcómặt
thoáng hở.
Các bể thử th ờng đ ợc chia thành hai dạng chính.
-Loạibểcóxetựhànhchạytrên đ ờngray đặtdọctheobểdùng để kéomôhình
chuyển động.Bểcótrangbịcácthiếtbịđođặcbiệt.Hiệnnayviệc đo đạcsốliệukhi
thử cũngnh l utrữ,xửlýcácsốliệuvàvẽđồ thị, cóthể tựđộnghoá hoàntoànnhờ
máy tính điện tử.
-Loạibểkiểutrọnglực-Bểthử kiểunàythì mô hình đ ợckéobằngdâynhờ vật
rơitựdo. mộtsốbểkiểutrọnglựccũngcótrangbịxekéochạytrên đ ờngray,
nh ngkhôngphảikéomôhìnhmàkéocácthiếtbịđođặttrên đó.Ngoàiracũngcó
các bể thử mà mô hình đ ợc kéo bằng tời quấn dây.
59
Hình 6.1. Mặt cắt ngang bể thử Carđerok (Mỹ).
1.Mặt cắt ngang bể thử n ớc sâu
2.Mặt cắt ngang bể thử tốc độ
3. Hệ thống cấp năng l ợng cho xe thử.
Dokhôngthoả mãn đ ợc đầy đủ cácchuẩn đồngdạngcơbảnvìvậycầnphảisử
dụng cách lập mô hình từng phần.
Khilậpsơđồ tínhchuyểnphảixemcầnphảilậpmôhìnhtheotiêuchuẩn đồng
dạngnàovàthànhphầnlựcthuỷđộngnàophụ thuộcvàotiêuchuẩn đó.Cáchệsố
khôngthứ nguyêncủacácthànhphầnlựccảnđó củamôhìnhvàtàuthựcphảibằng
nhau.còncácthànhphầnlựccảnkhông đ ợclậpmôhìnhcầnphảilợidụngmộtsốgiả

thiếtcócơsởvậtlýnàođó hoặcph ơngpháplýluận để có thể tínhriêngchúng ở trên
mô hình hoặc để tính cho tàu thực.
Bìnhth ờngtrongquá trìnhthử kéomôhìnhtrongbểthử cácsốFrcủamôhình
và tàuthựcphảibằngnhauFr
M
=Fr
H
.Lựccảnnhớtkhông đ ợclậpmôhìnhvàđể tách
đ ợc nó phải lợi dụng giả thiết về sự độc lập của các thành phần lực cản.
Để tính lực cản nhớt ta có thể sử dụng hai ph ơng pháp cơ bản sau đây:
-Ph ơngphápthứ nhất:Dựavàoviệcphânchialựccảnnhớtracácthànhphần,
mà mỗithànhphầnphảixácđịnhbằngnguyêntắctínhchuyểnriêng.Ph ơngphápnày
do Froude đề x ớng.
-Ph ơng pháp thứ hai: Tính chuyển tổng hợp lực cản nhớt.
Bâygiờ taxétsơđồ và tínhchuyểntheoph ơngphápthứ nhất.Phầnchínhcủalực
cảnnhớt đ ợcxemnh là lựccảnmasátcủatấm t ơng đ ơng. Đốivớimôhìnhlàmặt
trơnnhẵnthuỷđộng,cònđốivớitàuthựclàmặtnhámvớigiả thiếtdòngbaotàuthực
và mô hìnhlàdòngchảyrối. Để tínhlựccảnmasáttadùngtấmrối t ơng đ ơng.Tiếp
theogiả thiếtrằnghiệu C
V
- C
Fo
là không đổi,khôngphụ thuộcvàoRevàFrcủatàu
thựcvà mô hình.
Tagộp R
V
- R
Fo
củatấm t ơng đ ơngvớilựccảnsóng R
W

thànhmộttênchunglà
lực cản d R
R
R
R
= R- R
Fo
= R
V
- R
Fo
+ R
W
Vậy hệ số lực cản d là:
60
C
R
= 2( R - R
Fo
)/v
2

(6.2.1)
Khi Fr
M
= Fr
H
thì C
RM
= C

RH
(6.2.2)
Dựavào công thức (6.2.2) ta thực hiện đ ợc phép chuyển.
Từ R
WM
/D
M
= R
WH
/D
H
do sự bằng nhau của Fr
M
= Fr
H
nên ta có
R
RM
/D
M
= R
RH
/D
H
(6.2.3)
Nếukhông đểýđếnsựthay đổichiềuchìmtàukhichuyển độngtừ n ớcngọtsang
n ớc mặn thì điều kiện (6.2.3) có thể viết d ới dạng sau:
R
RH
= R

RM
(
H
/
M
)(1/k
3
)
(6.2.4)
KhiFr
M
=Fr
H
và v
M
= v
H
k
3
thì lựccảncủa n ớc đốivớichuyển độngcủatàu đ ợc
xác định bằng công thức sau:
R
H
= (R
M
- R
FoM
)(
H
/

M
)(1/K
3
) + R
FoH
(6.2.5)
Theo hệ số lực cản của mô hình và tàu thực ta có:
C
M
= 2R
M
/
M
v
M
2

M
và C
H
= 2R
H
/
H
v
H
2

H
(6.2.6)

Để xác địnhhệsốcảntoànbộcủa n ớc đốivớichuyển độngcủatàutacộnghệsố
lựccản d C
RH
vớicáchệsốcảnsau:hệsốcảnmasátcủatấm t ơng đ ơng C
FoH
t ơng
ứngvớitàu,hệsốgiatăngdo độ nhámvỏbaotàu C
A
và nếumôhình đ ợcthử không
có phần nhô thì cộng cả hệ số cản xét tới phần nhô C
AP
.
Do đó, hệ số lực cản của tàu thực khi v
H
= v
M
k/1 đ ợc tính theo công thức sau:
C
H
= C
M
- C
FoM
+ C
FoH
+ C
A
+ C
AP
(6.2.7)

và lực cản chuyển động của tàu là:
R
H
= C
H

H
v
H
2

H
/2 + R
AA
(6.2.8)
Lựccảnkhôngkhí R
AA
tínhtheocôngthức R
AA
= C
AA

A
v
A
2
F

/2. Đốivới n ớcNga
ng ời ta lấy nhiệt độ của n ớc 4

o
Cvà = 1,57.10
-6
m
2
/s.
Hệ số giatăngdo độ nhámvỏbao đ ợcxácđịnhtheokếtquả thử mô hình,nh
sau:
Chiều dài tàu L, m Hệ số C
A
50 150 (0,4 0,3).10
-3
150 210
0,2.10
-3
210 250
0,1.10
-3
250 300
0
300 350
-0,1.10
-3
350 400
-0,2.10
-3
Hệ số cản của phần nhô đ ợcxác định nh sau:
Đốivới tàu vận tải một chong chóng C
AP
= (0,05 0,15).10

-3
Đốivới tàu vận tải hai chong chóng C
AP
= (0,4 0,6).10
-3
.