ĐỘNG LỰC TÀU THUỶ - PHẦN 1 LỰC CẢN CHUYỂN ĐỘNG CỦA TÀU - CHƯƠNG 2 ppt

23
Ch ơng2
Lựccảnnhớt
Khitàuchuyển độngtrongchấtlỏngnhớtvớisốRelớn,do ảnh h ởngcủađộ nhớt
nên cấu của dòng chảy ở vùng gần bề mặt vật thể gọi là lớp biên.
Chiềudàylớpbiên tăngdầntừđầuvềđuôivậtthể.Cấutrúclớpbiênvànhững
hiện t ợngxảy ra trong đó làm thay đổi lực cản nhớt một cách đáng kể.
Lớpbiênkếtthúc đều đặn ở phía đuôihoặcbịtách ở bề mặtvậtthể,songcảhai
tr ờnghợpkểtrênphíasauvậtthể sẽ tạothànhmộtvùngluồngchảy, đuợcgọilàvùng
vếtthuỷđộnghọc.Trongvùngnàyng ờita đặtchongchóng,bánhláicủatàumột
chong chóng.
ngoàivùnglớpbiênvàvếtthuỷđộnghọclựcnhớtkhông đángkểcóthể đ ợc
bỏ qua và coi nó nh luồng chảy của chất lỏng không nhớt.
Đặctr ngcơbảncủalớpbiênlàchiềudàylớpbiên ,làkhoảngcách đotheo
ph ơngpháptuyếnvớibềmặtcủavậtthể mà tại đó thànhphầndọccủavậntốcđạttới
99,5% so với trị số vận tốc của luồng ngoài tại điểm đó của vật thể.
Tạimộttiếtdiệncủalớpbiênvậntốctrênmặtvậtbằngkhôngdo điềukiệndính
nhớt.Trong lớp biên vận tốc tăng dần từ mặt vật ra biên ngoài.
Nếubánkínhcongcủavậtthể là lớnvàchiềudàylớpbiên t ơng đốinhỏ thìáp
suất tại tiết diện đó của lớp biên là không đổi và t ơng ứng với áp suất ở biên ngoài.
Có sự phân biệt giữa lớp biên phẳng và lớp biên không gian nh sau:
Lớpbiênphẳngxuấthiệntrongtr ờnghợpchảybaocácvậtthể có kíchth ớclớn
vuông góc với đ ờng sinh của chúng (tấm, cánh, trụ)
Lớpbiênkhônggianxuấthiệntrongtr ờnghợpchảybaocácvậtthể trònxoayvà
thântàu.Trongtr ờnghợpchảybaovậtthể trònxoaylớpbiên đốixứngvớitrụccủa
vật thể.
Để mô tả lớpbiênphẳngvàđốixứngtrụctadùnghaitoạđộ x,y, h ớngcủatrụcx
dọctheobềmặtcủavậtthể, h ớngcủatrụcytheoph ơngpháptuyếnvớimặtvậtthể,
nghĩa là v
x
= f(y).

Chảybaovậtthântàuxuấthiệnlớpbiênbachiều(khônggian)cócấutrúcluồng
chảy khác nhiều so với lớp biên phẳng và đối xứng trục.
Tronglớpbiênphẳnghoặcbachiềuxuấthiệnluồngchảytầnghoặcrối.Luồng
chảy rối đặc tr ng cho tàu thực và mô hình của nó.
Chiềudàylớpbiên ,cácđặctr ngtíchphân *và**xác định từ sự phân bố vận
tốc v
x
= f(y)

,
0
xx
,
0
x
dy
v
v
v
v
1**
v
v
1*
(2.1.1)
24
Trong đó:
v

- vận tốc tại biên ngoài của lớp biên

* - chiều dày nén, đặc tr ng trị số lệch của đ ờng dòng ở luồng ngoài.
**-Chiềudàytổnthấtxung,tỉlệthuậnvớitổnthất động l ợngcủadòngchảy
để thắng lực nhớt ở lớp biên và ứng suất tiếp xuất hiện trên bề mặt vật thể.
Các số Râynol tại một tiết diện của lớp biên có thể viết:




v
Re ;



*v
*Re ;



**v
*Re*
(2.1.2)
Cáctrị số củachúngsẽảnh h ởng đếnsựchuyểntiếptừchảytầngsangchảyrốiở
lớp biên.
Chiềudàylớpbiên tăngdầntừđầutớiđuôivật.Dùvậntốcởbiênngoàilà
không đổithì số Redọctheovậtthể vẫntănglên.Dovậyởđầuvậtthể, đặcbiệtkhi
vận tốc không lớn số Re sẽ nhỏ điều đó dẫn đến sẽ duy trì một vùng chảy tầng.
Khibaomặtcongxuấthiệnsựgiảm ápsuấtdọctheovậtthể nếu độ sụtdọccủaáp
suất
x
P

dọctheolớpbiênlàđángkểthìởvùng đuôivậtthể,nơimà (
x
P


>0)cóthể
có hiện t ợng đứt dòng.
sau điểmcó
x
P


=0cácphầntửcủachấtlỏng ở tronglớpbiêndotăng ápsuất
mà chúng chuyển dịch về phía đuôi với gia tốc âm.
sau điểm
y
v
x


=0khiy=0do ápsuất ở phía đuôitănglênlàmxuấthiệndòng
chảyng ợc. Đ ờng1(H2.1)biểuthị mặtphâncáchchèn éplớpbiênkhỏimặtvậtthể
với điềukiện
y
v
x

=0vàtheocôngthứcNiutơn
o
=0sẽxácđịnh đ ợc điểmtáchcủa
lớp biên phẳng và đối xứng trục.
Hình 2.1. Sơ đồ tách lớp biên phẳng và đối xứng trục.
Lớpbiênbachiềutrongtr ờnghợpchảybaothântàucócấutrúcphứctạphơn,có
xuấthiệndòngchảyphụ vuônggócvới đ ờngdòngcủaluồngngoàibiênkhôngnhớt.
Vậntốc v
z
do độ congcủavỏtàuvàảnh h ởngcủasựtụtáptheoph ơngngangcủa
đ ờng dòng.
25
Hình 2.2. Đ ờng dòng giới hạn và hệ số ma sát cục bộ C
f
tại đuôi mô hình tàu.
I- đ ờng dòng; II- đ ờng dòng dứt
ngsuấttiếp
o
tạimặtvỏtàu h ớngdọctheo đ ờngdòngvàluồngngoàithântàu
tạovới biên ngoài của lớp biên góc
o
.
Hình 2.3. Sơ đồ phát sinh vận tốc v
z
.
Cáctấmphẳng đ ợcbaobằngdòngchấtlỏngtheo h ớngdọc, đặcbiệttấmkhông
có l ợngtụtápdọctheobềmặt, điều đó giản đơn đ ợcphéptínhlớpbiênvàlựccản
nhớt, mà trong tr ờng hợp này chỉ gồm có lực cản ma sát, nghĩa là R
V
= R

Fo
.
Khi tính lực cản nhớt của tàu ng ời ta dùng khái niệm tấm phẳng t ơng đ ơng.
Tacóthể nhận đ ợcmộtcáchkháđơngiảncôngthứcchung để tínhtoánlựccản
ma sát của tấm nhờ các đặc tính của lớp biên ở mép sau của tấm phẳng đó.


L
0
oFo
dxR
(2.2.1)
Trong đó:

o
- ứng suất tiếp trên bề mặt của tấm
L - chiều dài của tấm










dx
d
v

**
2
o
(2.2.2)
Vậy:
**
K
2
L
0
**2
Fo
vdx.dvR

(2.2.3)
Đốivới tấm phẳng rất mỏng 0
dx
dv
S
, v
oy
= 0 và v
S
= v lúc đó
2
o
**
v
dx
d

26
Hệ số lực cản ma sát của tấm phẳng đ ợcxác định:
L
2
Lv
R2
C
**
K
2
Fo
Fo




(2.2.4)
Biểuthức(2.2.3)vẫnđúngchomọichếđộ dòngchảytronglớpbiênvàmôtảlực
cảnmasátcủamộtphíatấmthôngquachiềudàytổnthấtxung **tạimépsaucủa
tấm.
*Khi chảy tầng các đặc tính trong lớp biên đ ợcxác định bằng các công thức sau:
v
x
2,5

;

*
= 0,332;
**
= 0,128;
o
= 0,332
x
v
3

Khisửdụng(2.2.2)tacóthể nhận đ ợccôngthứccủaBLASINSxácđịnhhệsố
lực cản ma sát của tấm phẳng
Re
328,1
C
Fo

(2.2.5)
Trong đó:
Re =

vL
Từ kếtquả thí nghiệmchocáctrị số Re<2,5.10
5
thì (2.2.5)làcông thức chinh xác
để tính hệ số lực cản ma sát của tấm phẳng chảy tầng.
*Tínhtoánlựccảnmasátcủatấmphẳngtronglớpbiênchảyrốitrênsuốtchiều
dàitấmliênquan đếnviệcchọngầnđúngquyluậtphânbốvậntốctrungbìnhtheo thời
giantronglớpbiên,ng ờitanhận đ ợchệthức đơngiảnnhất,songcũngphổ biếnnhất
khi sử dụng dạng luỹ thừa:

1H5,0n;
y
v
v
n
S
x









Trong đó:
H(f)-phụ thuộcvàoph ơngphápxấpxỉquyluậtphânbốvậntốctronglớpbiên
theo số Re, n giảm từ
11
1
7
1
thì H =
**
*


f-thôngsốhìnhdạngcủalớpbiênnóđặctr ngchosựảnh h ởngcủagradien áp

suất dọc:
f =








dx
dv
2
**
Nếu lấy n =
11
1
thì :
6
1
f
**
7
1
*Re*00655,0C;0705,0;
xv
x217,0

và kết hợp với (2.2.4) ta có:
C
Fo
= 0,0307Re
-1/7
(2.2.6)
Tổngquátnhấtlàdòngchảyrốitronglớpbiêncóquyluậtphânbốvậntốcdạng
loga
Công thức thoả mãn kết quả C
f
= (2lgRe
x
- 0,65)
-2,3
đ ợcviết d ới dạng:

58,2
Fo
Relg
455,0
C
(2.2.7)
27

(2.2.7) đ ợc gọi là công thức PRANTO - SLICHTING
Cáckếtquả tínhtoáncủaCACMANthựchiệnvàxâydựngtheomôhìnhtr ờng
vận tốc t ơng tự đã đ ợcSENHE đ a ra công thức:

Fo
Fo
CRelg
C
242,0

(2.2.8)
Năm 1957 khoá họp về các bể thử VIII ng ời ta đã xây dựng đ ợc công thức

2
Fo
2Relg
075,0
C


(2.2.9)
Theokhuyếnnghị củaHộinghị Quốctếvềcácbểthử nên ápdụngcôngthức
(2.2.9)
Cácvật thể đ ợc phân thành hai dạng:
-Vật thể dễ thoát n ớc
-Vật thể khó thoát n ớc.
Vớimộtvậtthể xác địnhthì tuỳ thuộcvàoviệc định h ớngnótheoph ơngcủa
dòng chảy mà có thể trở thành dạng dễ thoát n ớc hoặc khó thoát n ớc.
nhữngvậtthể dễ thoát n ớcthì dòngbaoquanhsẽtrôichảymộtcách êm đềm
khỏimépsaucủaphần đuôivàtạoravếtthuỷđộnghọc.Trongvếtthuỷđộnghọcnày

tuyrốinh ngkhôngchứacácxoáylớnrờirạc.Vậtthể loạinàylàcáccánh,vậtthể
trònxoay. Đặc điểmchínhcủavậtthể dễ thoát n ớclàthànhphầnlựccảnhìnhdáng
trong lực cản nhớt th ờng không lớn.
Taxét lực cản nhớt của vật thể hình cánh có diện tích S:
Sv
R
2C
2
V
V


và của tấm phẳng t ơng đ ơngvới nó:
Sv
R
2CC
2
Fo
FoV


Trong đó:
mặt ớt của tấm: = 2S
Nếu là tấm thì:
v

K
= v, ****
K

, do đó:
K
H5,05,2
SK
KT
K
Fo
V
v
v
**
**
2
C
C










(2.3.1)
Đại l ợng

K
H5,05,2
SK
KT
K
v
v
**
**
k1











Vậy




k1CC
v
R
2C

FoFo
2
V
V
(2.3.2)
Còn đối với cánh thì




k1C2
Sv
R
2C
Fo
2
V
V
28
Trong đó:
k

= -1 đ ợcgọilàhệsốhìnhdáng,nóxétđếnlựccảnhìnhdángcủavậtthể
cũngnh ảnh h ởngcủađộ congbềmặtđốivớilựccảnmasát,vìthế k

có thể biểu
diễn d ới dạng:
k

= k

VP
+ k
F
(2.3.3)
Côngthức(2.3.2)biểudiễnmốiquanhệafinvềlựccảnnhớtcủavậtdễthoát n ớc
và lực cản ma sát của tấm nhắn t ơng đ ơng.
Hệ số cản hình dángvà ma sát đ ợcxác định:
C
VP
= C
Fo
k
VP
; C
F
= C
Fo
(1 + k
F
) (2.3.4)
Hệ số hình dáng k

hoàn toàn phụ thuộc vào hình dạng của vật thể
Trongdòngbaovậtthể khó thoát n ớcxảyrahiện t ợngtáchlớpbiênvàhình
thànhvùng có chứa cácxoáy lớn rời rạc làm biến dạng đột ngột dòng thế bên ngoài.
Vật thể khó thoát n ớc có thể phân thành:
-Vật có điểm tách biên cố định
-Vật có điểm tách biên di động.
Điểmtáchbiêncốđịnhxảyratạicácmépnhọnhoặcgócnhọnvàkhôngphụ
thuộcvàotrị số Recủadòngchảy(chẳnghạncácđĩatròn,tấmchữ nhậtnằmngang

dòng n ớc hoặc góc tấm lớn. Hệ số cản lúc đó C
x
= C
V
.
Điểm tách lớp biên di động:
Tronglựccảnnhớtcủavậtthể khó thoát n ớcthì thànhphầnlựccảnhìnhdáng
đóngvaitrò chủ yếu.Việctínhtoánlựccảnnhớtcủavậtthể khó thoát n ớcbằnglý
thuyếtlàmộtbàitoánphứctạp,vậyviệc ápdụngph ơngtrìnhNaviê-Stốcchỉ có thể
thựchiện đ ợctrongtr ờnghợpchodòngchảytầngvàsốRebéRe<10
3
,songnóvẫn
bịhạnchế bởikhối l ợngbộnhớ củacácmáytính điệntử(bởivìbàitoáncóliênquan
đếnviệc thực hiện các sơ đồ sai phân khi giải ph ơng trình).
Nhờ máytính điệntửtatìm đ ợchình ảnhxuấthiệnkhông ổn địnhcủakếtcấu
dòng chảy
o
= tv/b trong đó b - chiều rộng của vật thể.
Lựccảnnhớtcủatàu R
V
baogồmlựccảnmasát R
F
,lựccảnhìnhdáng R
VP
và lực
cảncảmứng R
i
.Tuynhiên R
i
đ ợcghépvào R

VP
vì R
i
xuấthiệnlàdocácxoảydọc
mũi tàu và đuôi bởi hiện t ợng tách lớp biên.
Lựccảnmasát R
F
phụ thuộcvàosựphânbốcủaứngsuấttiếp
o
trênthântàu.Lực
cảnnàychịu ảnh h ởngcủađộ congdọcvàcongngangthântàu.Tấtcảcáchiện t ợng
đó làmbiến đổicụcbộứngsuấttiếpsovớiquyluật t ơng ứngcủatấmphẳngkhisố
Re bằng nhau.
Lực cản này đ ợc mô tả ở hình vẽ (Xem H 2.4)
29
Hình 2.4. Sự phân bố hệ số ma sát cục bộ C
f
dọc đ ờng n ớc (đ ờng 1)
và ở sống đáy (đ ờng 2) của mô hình lần đầu có Re = 3.10
6
, Fr = 0,209
Theokếtquả tínhtoáncủaSIREvàSTINthì hệ số masátcụcbộ C
f
chotấmphẳng
Ivàthântàuởtấtcảcáctrị số FrvàRe ítlệchsovớitấmphẳng t ơng đ ơng.Kếtquả
tínhlớpbiênbachiềuchothântàucũngvậy. Điềunàytạocơsởchoviệctínhtoánlực
cản ma sát của tàu và mô hình tàu bằng cách dùng khái niệm tấm phẳng t ơng đ ơng.
Hệ số lực cản ma sát của thân tàu đ ợc tính theo công thức:
C
F

= C
Fo
(1 + k
F
)
Trong đó:
k
F
-hệsốkểđến ảnh h ởngcủađộ congbềmặtvỏtàubằngkhoảng0,02

0,06và
không phụ thuộc vào số Re.
Lựccảnhìnhdáng R
VP
sinhrabởiảnh h ởngcủalớpbiên đốivới quy luật phân bố
ápsuấttrênthântàu,nóphụ thuộcvàocácdạngtáchlớpbiên,màhiện t ợngnàylại
ảnh h ởng bởi hình dáng thân tàu.
Hiện nay ng ời ta áp dụng rộng rãi công thức Afin C
VP
= C
Fo
k
VP
.
Hệ số k
VP
phụ thuộcvàohìnhdángthântàuvàkhôngphụ thuộcvàosốRekhi
chuyển kết quả từ mô hình sang tàu thực.
Ta dùng khái niệm hệ số hình dáng k

= k
F
+ k
VP
.
Vậy C
V
= C
Fo
(1 + k

)
TheoPRAVIN: khi
T
B
<3 thì
k

= 18,7
2
L
B







(2.5.1)

Đốivới các tàu béo theo VATANABA thì khi tính C
Fo
nên sử dụng công thức

2
Fo
2Relg
075,0
C

và lúc đó:
T
B
B
L
20017,0k
2









(2.5.2)
Hiện t ợngtáchlớpbiên đã làmtăng đángkểlựccảnnhớt,sựxuấthiệncácxoáy
dọcphầnmũiđiđôivớiviệctăngthànhphầnlựccảncảmứng R
i

củalựccảnnhớtlên
khoảng R
i

(0,02

0,03)R
V
và có thể kếthợpvới cácxoảy dọc ở đuôi tàu làm lực cản
nhớt có thể tăng lên tới (0,03

0,08)R
V
.
30
Trênbềmặtvỏtàuluônluôncóchichítcácđiểmgồghề khôngbằngphẳngvàđôi
khi có ảnh h ởng đáng kể tới lực cản.
Nếuchiềucaocácđiểmgồghề rấtnhỏ sovớichiềudàylớpbiêntạiđiểmđó thì
ng ờita đ arakháiniệmvềđộ nhámcủabềmặtvà độ nhám chỉ ảnh h ởng tới lực cản
nhớt. Độ nhám bề mặt có thể phân ra thành:
- Độ nhám chung
- Độ nhám cục bộ.
Độ nhámchung đ ợcphânbốhầunh đồng đềutrênsuốtbềmặtvỏtàu,cònđộ
nhámcụcbộlànhữngchỗ nhô ra,thụtvàolẻtẻnằmđơn độchoặcthànhnhómtrênbề
mặtvỏ tàu.
Trêncáctàuthực, độ nhámchunglàđộ nhámcủavỏbao đ ợcsinhrabởicáctính
chấtcủavậtliệuvàđặc điểmxửlývậtliệu,cũngnh tínhchấtvàph ơngpháptạora
cáclớpphủ bảovệ,đặcbiệtlàsơn.Ngoàira,còndomứcđộ gợnsóngvàlồilõmnhăn
nheo của tôn vỏ sinh ra trong quá trình đóng mới thân tàu.
Còn độ nhámcụcbộsinhrabởicácmốihàn,cáctấmcácđoạngồghề,nhữngchỗ

lõm sâu, các lỗ khoét cố định.
Mô hìnhtàucũngnh cáctấmphẳngdùng để thí nghiệmtrongbểthử hoặctrong
ốngkhíđộngthì bề mặt đ ợcxửlýnhẵn đếnmứcđộ nhámhầunh không ảnh h ởng
tới lực cản, nghĩa là mô hình đ ợcxem nh bề nhẵn thuỷ động.
Độ nhámchungcủabềmặtkhôngquétsơnphụ thuộcvàovậtliệuvàmứcđộ xử lý
vật liệu đó.
Độ nhámcủabềmặtmàtrên đó có lớpphủ cũngphụ thuộcvàokếtcấucủabềmặt
tr ớc khi phủ, dạng lớp phủ (sơn) và ph ơng pháp phủ.
Trongquá trìnhkhaitháctàuhoặcthí nghiệmmôhình độ nhámcóthể thay đổido
lớpphủ bị phá huỷ,bịănmòn,rỗbềmặt,xuấthiện ởđó nhữngvếtnhàyvàhàbám
cũng nh những h hỏng cơ học khác.
Hình 2.5. Biểu đồ prôfin của vỏ bao thân tàu.
a. Đà sơn khô
b. Lúc bắt đầu khai thác
c.Sau thời gian dài khai thác.
31
Cácthôngsốhìnhhọccủađộ nhámchung đ ợcnghiêncứubằngcácmáyghi
prôfin(máyghibiêndạng).Ng ờita đoprôfintrênmộtđoạnbấtkỳcóchiềudàicơsở
lthôngth ờngbằng50 mm.Ng ờitachọnchiềucao đỉnhnhám k

làmthôngsốchính
đặc tr ngvề hình học của độ nhám chung.
Trong ngành đóng tàu đối với độ nhám không đồng đều (Xem H 2.5)
Ng ời ta dùng khái niệm chiều cao bình ph ơng trung bình của mô nhám k

tb
.
l
dxy
k

l
0
2
tb











(2.6.1)
Trị số k

tb
thay đổi trong giới hạn (40 230).10
-3
, mm
n
k
k
n
1i
2
i
tb

(2.6.2)
Trên những mô hình quét parafin k

tb
= (3 8).10
-3
, mm
Trên những tàu vỏ gỗ quét sơn k

tb
= (10 15).10
-3
, mm
chếđộ chảytầngtronglớpbiên độ nhámchungkhôngtácđộnglênquyluật
phân bố vận tốc và trị số lực cản.
Dọctheothànhbêntronglớpbiênrốivẫntồntạimộtlớpnềnnhớtvàvùngchuyển
tiếp, chiều dày
B
tăng dọc theo bề mặt vật thể.

nh h ởngcủađộ nhám đốivớiquyluậtphânbốvậntốctronglớpbiênchảyrối
đ ợc biểu diễn theo các dạng sau:
*v
v
c
*yv
ln
1
*v
v
xx




(2.6.3)
Trong đó:
-hằng số rối, = 0,4
c - hằng số, c =5,2
x
v = 0,5 là gia số vận tốc của biểu đồ trong vết rối thuỷ động.
v* =


o
Trongbiểuthức(2.6.3)hiệusốB=
*
v
v
c

x

gọilàhàmcủađộ nhámphụ thuộc


*v
k và kiểu nhám.
Đốivới lớp biên chảy rối dọc trên bề mặt có độ nhám chung thì:


B
*yv
ln
1
*v
v
x
(2.6.4)
Theo kết quả thí nghiệm:
B = C -

*vk
Cexp
*vk
C
*vk
C1ln
1
321
(2.6.5)
Trong đó:
32
C
1
, C
2
, C
3
-Cáchằngsốphụ thuộcvàodạngnhám đ ợcxácđịnhtheo đồ thị (x)
là hàmkhôngthứ nguyênxétđến ảnh h ởngcủa l ợngtụtáptrongtr ờngvậntốcở

vùng ngoài lớp biên.
(y/)-hàmkhôngthứ nguyênbiểuthị chotr ờngvậntốccủavếtthuỷđộnghọc,
gần đúng:
= 1- cos(y - )
(2.6.6)
hoặc = 6(y/)
2
- 4(y/)
3
(2.6.7)
Độ nhănnheovàlồilõmbềmặtvỏtàuphátsinhtrong đóngmớicódạnghìnhsin
với chiều cao trung bình 2a = 1,5 5 mm và chiều dài sóng = 500 1000 mm.
Lựccảncủabềmặtnhănnheolàtổnghợplựccủacácứngsuấttiếp,lựcápsuất,
hay nói cách khác gồm lực cản ma sátvà hình dáng.
nh h ởngcủađộ tụt ápdọccụcbộcóthể làmgiảm(10 15)%lựccảnmasát,
nh ng lợi thế này lại vô hiệu hoá bởi lực cản hình dáng tăng.
Gọi C
WW
là hệ số lực cản do nhăn nheo vỏ bao và theo kết quả thử mô hình thì:
C
WW
= 0,2(2a/)
2
(2.6.8)
Khixétđến ảnh h ởngcủađộ nhámchungthì hệ số lựccảnnhớtcủathântàu
đợcxác định theo công thức sau:
C
V
= C
F

(1 + k

)
Trong đó:
C
F
- đ ợcxác định theo các đồ thị (Xem H2.6)
Hình 2.6. Sự phụ thuộc hệ số cản ma sát của tấm vào độ nhám t ơng đối.
a. Độ nhám hạt đều
b.Bề mặt mới sơn
c.Bề mặt đ ợc sơn sau 12 tháng ngâm n ớc
I - tấm nhẵn
33
Độ nhámcụcbộởdạngcácđiểmnhô lẻ tẻ,màchiềucaocủachúngvuợtquá lớp
nềnnhớttrongdòngchảyrối.Khichọncôngthức để tínhlựccảnnhớttừng điểmgồ
ghề R

ta phải xét tới tính không đồng nhất của dòng theo.
Theo đề nghị của FE ĐÊ EP thì:


2
vC
2
1
R
(2.7.1)
Trong đó:
C

- Hệ số cản của điểm gồ ghề.
- Diện tích mặt cắt giữa của điểm gồ ghề.
2
v
- đ ợc tính theo công thức sau:
dyv
k
1
v
k
0
2
x
2




(2.7.2)
Hình 2.7. Sơ đồ phân bố vận tốc dòng chảy bao điểm gồ ghề.
Hệ số cản C

là hàm của



vk
R
ek
Đốivới tấm đặt ngang hệ số C

đ ợc trình bày theo hình vẽ(Xem H2.8)
Hình 2.8. Hệ số cản của điểm gồ ghề.
* Đối với các mối hàn:
k

= 1,5 5,0 mm, chiều rộng b = 10 25 mm, hệ số cản của chúng C

= 1,3k

/b.
Sự thay đổi ứngsuấttiếptrongvùnggồghề và sau đó đ ợcbàitrừ lẫnnhauvàlực
cản bổ sung về cơ bản chỉ là lực cản hình dáng của điểm gồ ghề.
Nếuchiềudàicủamốihàntạovới h ớngvậntốccủadòngtạibiênngoàicủalớp
biên góc thì vận tốc bao ngang mối hàn là vsin, lúc đó:
34


3
2
sinLkvC5,0R
(2.7.3)
Trong đó:
L

- chiều dài của mối hàn.
Thông th ờng ng ời ta dùng quan hệ:


2

o
vC
2
1
R
Trong đó:

1n2
k
CC
n2
o











(2.7.4)
Đốivới tàu thuỷ có thể lấy n =1/11
Hệ số C
o
nằm trong khoảng C
o
= (0,1 0,15)10

-3
Trong đóđónggópcủacácmốihànngangchiếm70 80%còncácmốihàndọc
30 20 %.
* Đối với các lỗ khoét và chỗ trũng
Thântàuluôncólỗkhoétvàchỗ trũng để lấy n ớcvàochocáchệthốngtrêntàu,
các cửa ăn thông với n ớc ngoài tàu.
Khi n ớcliêntụcvàothântàuquacáclỗphảitínhlựcthuỷđộngbổxungdotác
dụng của dòng n ớc lên chúng.
Lực cản R
H
bổ xung do các chỗ trũng đ ợc tính theo công thức:
R
H
= C
H
v
2
F/2
(2.7.5)
Trong đó:
F - diện tích chỗ trũng theo hình chiếu nằm.
v-vậntốcdòngchảytạibiênngoàicủalớpbiêntạichỗ trũng,gầnđúnglấybằng
vận tốc tàu hoặc mô hình tàu.
Hệ số cản C
H
phụ thuộchìnhdángchỗ trũngvàvịtrí củanótheochiềudàitàu.
Nếu càng tăng h/l thì C
H
càng dần dần ổn định
Hình 2.9. Sơ đồ dòng bao chỗ trũng hình chữ nhật.

a. 15,0
l
h

b. 0,1
l
h
5,0
c. 5,2
l
h
75,1
Lực cản chỗ trũng có thể giảm xuống bằng hai cách:
- L ợntròncácméptrongvàmépngoàivàchothànhsaunghiêngvềphíadòng
chảy để chấtlỏngtronglỗdễ l uthôngtuầnhoànvàhớtbớtcácđỉnh ápsuất ở các
vùng có góc và mép.
35
-Dùng l ới úplêncáclỗđể cảntrở sự tácdụnglẫnnhaugiữacáckhối n ớcbên
trongvàbênngoàilỗ,cáclỗôvannênđặttrụclớnnằmngang h ớngdòngchảycó
khả năng giảm 30 40 % lực cản nhớt.
Lỗ khoét và chỗ trũng còn có khả năng sinh thêm lực cản xung:
R
I
= Qv = v
1
vF
(2.7.6)
Trong đó:
v
1

- vận tốc dòng chảy của chất lỏng qua chỗ trũng
Q = v
1
F - l u l ợng chất lỏng.
Hệ số cản xung:
C
I
= 2R
I
/v
2
F = 2 v
1
/v
(2.7.7)
Việcngâmtàutrong n ớcsẽlàmthay đổikếtcấuvàđộ nhámcủavỏbao,do đó
lựccảnnhớtsẽtănglên.Việctănglựccảncóthể gâynên l ợngtổnthất đángkểcho
vận tốc.
Khingâm d ới n ớcphầnchìmcủatàumớisơnbịphủ nhanhchóngmộtmàng
gồmcácvikhuẩn,bùnvàcácthànhphầnkhác.Khitàuchuyển độngmàng đó bị dòng
n ớc cuốn đi một phần, phần còn lại sẽ tăng thêm lực cản.
Đặcbiệtlà n ớcmặnsinhramộtlớprêu,hàbámvàovỏtàu, c ờng độ bámphụ
thuộcvàothờigiantàuđỗ,vùnghoạt động, độ mặncủa n ớc,thờitiếtvàthờigian
trong năm.
Trong n ớcngọtkhả năngbámkhônglớn,chủ yếulàrongrêuvàchỉ trôngthẩy ở
vùng đ ờng n ớc.
Ph ơngphápphòngchốngcóhiệuquả lớphàbámlàápdụngcácloạisơnđặc
biệt, có chứa các chất độc theo dạng hợp chất đồng asen
Tônbaobịănmòntạonênmứcgồghề vớichiềucao đỉnhnhám13mm. nh
h ởng này gần giống với ảnh h ởng của mặt nhám rải hạt.

Lớphàbámvàsựănmònphầnmũi,nơimàlớpnềnnhớtvàvùngchuyểntiếpdày
hơncóảnh h ởnglớnnhấttớilựccản,vìvậytrongvùngnàykhitàulênđà phảilàm
sạch rỉ và hà bám.
Biến l ợng t ơng đốilớncủachiềucao đỉnhnhámtrongthờigiansaukhisơncó
thể đánh giá theo hình vẽ (Xem H2.10)
Hình 2.10. L ợng thay đổi t ơng đối của chiều cao đỉnh nhám.
và sự thay đổi lực cản ma sát theo thời gian (Xem H2.11)
36
Hình 2.11. L ợng tăng hệ số cản ma sát C
F
ứng với số Re = 8.10
6
2.10
7
của tấm đã sơn phụ thuộc vào thời gian ngâm n ớc.
Hà bám đã làm tổn thất tốc độ tàu một cách đáng kể (Xem H2.12)
Hình 2.12. L ợng tổn thất tốc độ của tàu dầu do hà bám.
1. Trọng tải 33.000T
2. Trọng tải 130.000T
3. Trọng tải 75.000T
Tảitrọngcủatàucànglớnthì tổnthấttốcđộ cànglớnhơn.Tàuchuyêntuyến đ ợc
quétsơnchốnghà, l ợngbổxunghệsốlựccảnnhớt C
V
sinhrado ảnh h ởngcủalớp
hà bám do LUIT đ a ra công thức sau:
C
V
= (0,076n + 0,006n
2
).10

-3
Trong đó:
n - số tháng sau khi tàu lên đà.
Saucáckỳlênđà lựccảncủatàumới đ ợcsơntừtừtănglêndothay đổikếtcấu
mặt nhám của chúng.
TheoLAKENBƠđốivớicáctàuvậntảicỡlớnsaubalầnlênđà vớikhoảngthời
gian11,5năm l ợngtăngcôngsuấtcầnthiết P
D
để giữ nguyêntốcđộ ban đầucủa
tàucóthểđạttới830%.VậyviệcdùngsơnÊpôxyvàbảovệbằng điệncựcngoàitạo
khả năng bảo toàn đ ợcvỏ tàu.
Thí nghiệmchothấyngâmmôhìnhtrong n ớccủabểthử sauthờigian1,5 2
tháng thì l ợng tăng hệ số lực cản nhớt C
V
lên tới (0,15 0,2).10
-3
.
Lựccảnnhớt đóngvaitrò chínhtrongtổnlựccảncủatàu,cònởnhữngvậtchìm
hoàntoànhầunh chỉ có lựccảnnhớt.Vậyviệctìmcácbiệnpháp giảm lực cản nhớt là
điều quan trọng.
Đốivớicácvậtthể dễ thoát n ớcchúýđếnviệcgiảmlựccảnmasátvìthànhphần
lực cản hình dáng không lớn.
Còn đối với cácvật thể khó thoát n ớc phải giảm lực cản hình dáng.
Để giảmlựccảnnhớtphảigiảm độ nhámchungvàđộ nhámcụcbộ,đặcbiệtlàđộ
nhámdoviệcquétsơn,phòngchốngrêuhàbámvàđộănmòn, ápdụngcácdạngtàu
tránh hiện t ợng tách lớp biên.
37
Đasốcácph ơngpháp để giảmlựccảnnhớtlà đ avàoviệclàmthay đổicácđặc
tính dòng chảy trong lớp biên theo h ớng quy định, nghĩa là theo h ớng nhờ lớp biên.
Mộttrongnhữngph ơngphápgiảmlựccảnchovậtdàilàthay đổidòngrốibằng

dòng chảy tầng cả khi trị số Re lớn.
Các ph ơng pháp giảm lực cản nhớt đ ợc cụ thể hoá nh sau:
*Việcchảytầnghoá lớpbiêncóthể thựchiện đ ợcbằngcáchtạoranhữnghình
dạng đặcbiệtchovậtthể màởđó trênphầnlớnchiềudàicó
x
P


<0vàđiểmcựctiểu
củabiểu đồápsuấtdịchvềphía đuôi.Nhữngvậtthể và prôfinmàhìnhdángvàđộ
nhẵnbềmặtcủachúngcókhả năngduytrì đ ợclớpbiênchảytầngtrênmộtmảngbề
mặt lớn đ ợc gọi là các đối t ợng chảy tầng hoá.
Tác độngcầnthiếtkhiphânbốápsuấtcóthểđạt đ ợcbằngcáchdịchmặtcắtlớn
nhất của prôfin hoặc vật tròn xoayvề tâm hoặc về đuôi.
Hình2.13trìnhbàymộttrongcácprôfinBvàcáchệsốcảncủanósovớiprôfin
bìnhth ờngAcócùngchiềudày.Chếđộ chảytầnghoá chỉ hiệuquả tớisố
Re (3 5).10
7
,sau đó lớpbiênsẽchuyểnsangrốivà uđiểmcủaprôfinchảytầng
hoá sẽ biến mất.
Hình 2.13. ảnh h ởng của l ợng tụt áp
dọc và hút chất lỏng.
Hình 2.14. ảnh h ởng của chảy tầng
hoá và hút.
*Ph ơngphápchảytầnghoá nhântạolàlợidụngviệchútchấtlỏngtừlớpbiên
quabềmặtcủavậtthể, điềunàychophépgiảmbớtchiềudàycủalớpbiên,nghĩalà
giảmRe*, đồngthờithay đổidạngbiểu đồ phânbốvậntốc(XemH2.14).Khihútliên
tụcvớivận tốc v
oy
không đổi dọc theo chiều dài.

Hình 2.15. Sự phân bố vận tốc trong lớp biên chảy tầng của tấm.
Đ ờng1hình2.13trìnhbàyvùngtầnsốkíchthíchphá hoại ổn địnhcủabiểu đồ
khi hút trong đó Re
1
* 80.000.
38
Trên hình 2.15 trị số
y
x
v
v


khi y = 0 của biểu đồ 1 lớn hơn biểu đồ 2.
Hệ số hút
C
Q
=

v
Q
(2.9.1)
Trong đó:
Q - l u l ợng hút trong một giây.
Khihútxuấthiệnlựccảnxungbổxungcủadònglàmđộng l ợngmấtđimột
lợng là:
R
l
= vQ
(2.9.2)

Khi hút phải hút qua nhóm lỗ hoặc khe nằm trên mặt vật thể.
Trênhình2.14hútlớpbiênqualỗtrênprofin C
o
còn đ ờngcongCứngvớiprôfin
không hút.
L u l ợngQcủachấtlỏng đ ợchúttrênmộtđơnvịchiềurộngkhehútvàchiều
sâu hút k
o
=
2
**/
1
** là:
Q = 6(1 - k
o
0,228
)Re
n
**
(2.9.3)
Trong đó:

1
** - tr ớc khe

2
** - sau khe
Khoảng cách giữa các khe đối với tấm phẳng là:
l
i

= Re
n
**(1 - k
oi
2
)/(0,44v)
(2.9.4)
Để tránh ảnh h ởng của độ nhám phải sao cho ** > 1,5k

.
*Việcchảytầnghoá lớpbiên đạt đ ợcngaycảkhithay đổicáctínhchấtcủachất
lỏng,vídụđốtnónghoặclàmlạnhbềmặtvậtthể sẽ làmthay đổi độ nhớttronglớp
biên,dẫnđếnthay đổicấutrúccủatr ờngvậntốccũngnh Re*vàđộổnđịnhcủalớp
biên.Vì nhiệt độ tăng thì độ nhớt giảm chảy tầng hoá thuận lợi hơn.
*Việcnghiêncứuquá trìnhbơicủacáđenphinng ờita đã h ớngvàoviệcsử
dụngnhữnglớpdễđànhồiphủ lênbềmặtvậtthểđể giảmlựccảnmasát,kéodàiđoạn
chuyển tiếp từ chảy tầng sang chảy rối trong lớp biên do tăng trị số Re
1
* (Xem H2.16)
* Để giảmbớtlựccảnmasátcóthểápdụngbềmặtcógânvớicác b ớcdọc.Ví
dụdạngrãnh c amặtcắtngang đặtdọctheodòng,nêncácrãnh c agiảm l ợngchiếm
n ớc toé ngang (Xem H2.17).
Hình 2.16. Hệ số cản nhớt.
1- Vật thể có lớp đàn hồi
2- Tấm cứng ma sát
Hình 2.17. ảnh h ởng của các gân dọc
tới lực cản ma sát của tấm
39
* Để giảmlựccảnmasátng ờitatạoramộtđệmmỏngcốđịnh để ngăncách
dòngchảyvớibiêncứng.Bằngcáchcấpkhôngkhí liêntụcquabộtạokhí chohang

này.
* nhữngtàubéolựccảnhìnhdángsinhradohiện t ợngtáchlớpbiên ở phần
đuôitàuvàthànhphầnlựccảnnàyđóngvaitrò chínhtronglựccảnnhớt. Để giảmbớt
chiềudàiphầntáchbiênng ờitacóthể dùngcánhcódộdangbévàđặtnóvuônggóc
vớivỏ bao phía tr ớcvùng dự kiến có tách lớp biên.
*Dùng lớp phụ da pôlime phủ lên bề mặt vỏ tàu.
Khibaoquanhphầnnhô củatàubằngluồngkhôngkhí thì trênbềmặtcủanósẽ
xuấthiện áplựcvàứngsuấttiếp.Tổnghợpcáclựcnàyta đ ợclựckhíđộng
A
R , điểm
đặttạigiaogiữa đ ờng n ớctácdụngvàmặtphẳng đốixứngcủatàu(tâm ápsuất)phụ
thuộc hình dáng phần nhô của tàu.
Theo h ớngbấtkỳcủavậntốckhôngkhí v
A
sovớimặtphẳng đốixứngcủatàu
đ ợcxác định bằng góc
1
(Xem H2.18)
Hình 2.18. Sơ đồ luồng bao khi tàu chuyển động trong điều kiện có gió.
Lựckhíđộng
A
R sẽ tạovớimặtphẳng đốixứnggóc
1
.Chiếu
A
R lên h ớng
chuyển độngvcủatàuta đ ợc R
AA
,lựcnàygọilàlựccảnkhôngkhíđốivớichyển
động của tàu.

Khitàuchuyển độngxuôigió
1
=180
o
.Vậntốcluồngkhôngkhí v
A
baolấyphần
khô của tàu phụ thuộc vàovận tốc tàu vvàvận tốc tuyệt đối của gió v
B
.
-Khikhôngcógió thì vậntốc t ơng đốicủakhôngkhí v
A
=-v,trị số củanócó
thể không đổitheochiềucaotínhtừmặtbiển,nh vậylựccảnkhôngkhí tạonênbởi
chuyển động của bản thân tàu. Còn trị số R
AA
= R
A
.
-Khicógió vậntốc t ơng đốicủakhôngkhí v
A
bằngtổnghìnhhọccủavvà v
B
tạo
với nhau góc
2
.Trị số của nó đ ợcxác định theo công thức sau:
2B
2
B

2
A
cosvv2vvv
(2.10.1)
góc
1
đ ợc tính theo công thức sau:
sin(
1
+ ) = v
B
sin
2
/v
A
(2.10.2)
Có thể xác định đ ợc v
A
bằng máy đo gió.
Cấpgió đ ợcphânthành12cấpgió Bophodựatheokếtquả củacụckhí t ợng
thuỷ vănLiên Xô.
40
Cấp gió Bopho
(Tại độ cao h = 6,0 m so với mặt n ớc biển)
Cấp gió Vận tốc gió (m/s) Cấp gió Vận tốc gió (m/s)
0 0 - 0,5 7 12,5 - 15,2
1 0,6 - 1,7 8 15,3 - 18,2
2 1,8 - 3,3 9 18,3 - 21,5
3 3,4 - 5,2 10 21,6 - 25,1
4 5,3 - 7,4 11 25,2 - 29,0

5 7,5 - 9,8 12 trên 29,0
6 9,9 - 12,4
Quyluậtbiếnthiênvậntốcgió theochiềucaolàquyluậtlôga.Tínhchuyển v
B
ghi
trong bảng sang chiều cao khác 6m theo công thức sau:
v
Bh
= v
B6
ln(500h)/ln3000 (2.10.3)
Tr ờnghợp
1
0(hoặc
1
180
o
)thì ngoài R
AA
và lựckhíđộngngang R
AN
còn
có mômen M
z
đối với trục đứng nằm ở s ờn giữa.
Lực cản không khí xác định bằng công thức sau:
R
AA
= C
AA

A
v
A
2
F
T
/2
(2.10.4)
Mômen:
M
z
= m
z

A
v
A
2
F
T
L/2
(2.10.3)
Trong đó:

A
- khối l ợng riêng của không khí
F
T
- diện tích hình chiếu phần khô của tàu lên mặt phẳng s ờn giữa.

C
AA
, C
AN
, m
z
-hệsốlựccảnkhôngkhí,hệsốlựccảnkhíđộngngangvàhệsố
mômen (Xem H2.19)
Hình 2.19. Hệ số C
AA
, C
AN
và m
z
phụ thuộc
1
.
Về cơ bảnlựccảnkhôngkhí chủ yếulàlựccảnhìnhdángkhi
1
0hoặc
1

180
o
cácth ợngtầngchekhuấtlẫnnhau.Khi
1
20
o
40
o

tácdụngchekhuấtlẫn
nhaubiếnmấtnênlựccảnkhôngkhí sẽ tănglên.Khikhôngcógió thì R
AA
th ờng
không lớn.
Đốivớitàuvậntảituỳ thuộcvàohìnhdángphầnkhô và vậntốc R
AA
=1,5 3%.
Khicógió và ng ợcgió cấp45trêncáctàuvậntảicóthể chiếmtới10 15%lực
cản toàn bộ. ở những tàu cao tốc R
AA
có trị số đáng kể ngay cả khi không có gió.
Hệ số C
AA
khi
1
= 0 cho các kiểu tàu mà khi tính toán sơ bộ phải dùng đến
41
Kiểu tàu C
AA
Tàu dầu, container, tàu hành khách 0,5 - 1,0
Các tàu cao tốc 0,4 - 0,6
Tàu hành khách chạy sông
-Với th ợng tầng thông th ờng 0,8 - 0,9
-Với th ợng tầng thoát khí 0,4 - 0,5
Dotácdụng đồngthờicủalựcthuỷđộngvàkhíđộnglênthântàuvàbánhláinên
tàu chạy lệch h ớng một góc với góc bẻ lái là
P
.