ĐỘNG LỰC TÀU THUỶ - PHẦN 1 LỰC CẢN CHUYỂN ĐỘNG CỦA TÀU - CHƯƠNG 1 ppsx

9
Phần1
Lựccảnchuyển độngcủatàu
Ch ơng 1
Kháiniệmchungvềlựccảnchuyển độngcủatàu
Mộttrongnhữngtínhchấthànhhảiquantrọngnhấtcủatàulàtínhdi động,nghĩa
là khả năngpháthuy đ ợcvậntốclớnnhấtkhisửdụnghiệuquả côngsuất đã chocủa
thiếtbịnăng l ợngchính.Tínhdi độngphụ thuộcvàokíchth ớc,kếtcấu,hìnhdáng
thântàu,trạngtháicủavỏtàu,loại độngcơ,côngsuấtvàđặctínhcủađộngcơcũng
nh các điềukiệnchuyển động.Tínhdi độngkhôngthể đ ợcxemxétbiệtlậpvớitính
nổi,tính ổn định,tínhchòngchànhvàtính ănlái. Đểđánhgiá tínhdi độngtrongcác
điềukiệnkhácnhauphảicósốliệuvềlựccảnchuyển độngcủatàu,cácđặctínhcủa
thiếtbịđẩyhoặccủatàukéotạolựckéođể kéotàu.Sựlàmviệccủabấtcứloạithiếtbị
đẩynàotuỳ mức độ cóảnh h ởng đếncấutrúccủadòngchảybaoquanhthântàuvà
làmthay đổilựccảnchuyển độngcủatàu.Tuynhiênth ờngth ờnglựccảnthântàu
đ ợcxemxétbỏqua ảnh h ởngcủathiếtbịđẩy,cònlựcbổsungdo ảnh h ởng đó và
lựccảncủabảnthânthiếtbịđẩy đ ợcxemxétriêngbiệtkhitínhtoánhiệusuấtcủa
thiết bị đẩy.
Tronggiáotrìnhtaxemxétcácnguyênnhângâyralựccảnchuyển động,sựthay
đổicáclựcđó,cácph ơngphápxácđịnh,cácbiệnphápthay đổivàgiảmlựccản.Do
vậytaphảinghiêncứucấutrúccủadòngchảy ở gầnthântàu,từđó phụ thuộcquá
trình phát sinh lực cản.
Nhữngsốliệunhận đ ợctừkếtquả tínhtoánlựccản,nhữngkhuyếnnghị về các
ph ơngphápgiảmlựccản đ ợcdùngtrongthiếtkếtàukhichọncáckíchth ớcchính,
hình dáng thân tàu, tính toán thiết bị đẩy và chọn thiết bị năng l ợng chính.
Hiệnnaytrongnghiêncứulựccảnchuyển độngcủatàung ờitadùngph ơng
phápnghiêncứulýthuyếtvàph ơngphápnghiêncứuthựcnghiệm.Tínhtoánlựccản
chuyển độngcủatàulàmộttrongcácvấnđề củabàitoánngoàicủacơchấtlỏng để
xác định lực thuỷ động của chất lỏng chảy bao vật thể.
Cáckýhiệuquy ớc
B - Chiều rộng tàu

b - Chiều rộng kênh, dây cung của profin
C, C
x
- Hệ số lực cản toàn phần
C
A
- Hệ số lực cản do độ nhám
C
AA
- Hệ số lực cản không khí
C
AP
- Hệ số lực cản phần nhô
C
E
- Hệ số hải quân
C
F
- Hệ số cản ma sát
C
Fo
- Hệ số cản ma sát của tấm nhẵn t ơng đ ơng
C
f
- Hệ số cản ma sát cục bộ
10
C
i
- Hệ số cản cảm ứng
C

H
- Hệ số cản lỗ, hốc
C
P
- Hệ số cản áp lực
C
R
- Hệ số cản d
C
S
- Hệ số cản toé n ớc
C
V
- Hệ số cản nhớt
C
VP
- Hệ số cản hình dáng
C
W
- Hệ số cản sóng
C
WB
- Hệ số cản phá sóng mũi
C
y
- Hệ số lực nâng
D - Trọng lực (Trọng l ợng tàu)
Fr, Fr
V
, Fr

H
, Fr
B
- Số Frút và các biến thể của nó
H - Chiều sâu luồng lạch
K -Tỉ lệ xích của mô hình
K

- Hệ số hình dáng của lực cản nhớt
K
S
- Chiều cao mô nhám
L - Chiều dài tàu
P
E
- Công suất kéo
P
- Hệ số áp lực
R, R
x
- Lực cản toàn phần
R
y
- Lực nâng
Re,Re*,Re** - Số Râynolvà các biến thể của nó
S - Diện tích cánh
T - Chiều chìm tàu
V - Thể tích l ợng chiếm n ớc
v, v
x

, v
y
, v
z
- Tốc độ và các thành phần của nó
- Góc vào n ớc (góc tới) của cánh
- Chiều dày lớp biên
* - Chiều dày nén của lớp biên
** - Chiều dày tổn thất xung của lớp biên
- Hệ số nhớt động học của chất lỏng
- Khối l ợng riêng của chất lỏng
- Số xâm thực
, - Thế vận tốc
- Diện tích mặt ớt của tàu
Khitàuchuyển độngtrongchấtlỏngsẽxuấthiệnlựcthuỷđộng,màtrị số củanó
phụ thuộc vào khối l ợng riêng và độ nhớt của chất lỏng.
Khối l ợngriêng-kíhiệu , đơnvịkg/m
3
.Khối l ợngriêngcủa n ớc ítthay đổi
khithay đổi áplực,vậy n ớccoinh khôngnén đ ợcvàđồngnhất,songkhối l ợng
riêng của n ớc lại thay đổi nhiều theo nhiệt độ.
Trong ngành đóng tàu ta sử dụng số liệu của LiênBang Nga.
nhiệt độ t = 4
o
C:
11
- Đối với n ớc ngọt = 1000 kg/m
3
- Đối với n ớc mặn = 1025 kg/m
3

* nhiệt độ t = 15
o
Cvàáp suất 760 mmHg
-Khối l ợng riêng của không khí
A
= 1,226 kg/m
3
Trọng l ợng riêng của chất lỏng - kí hiệu , đơn vị N/ m
3
= .g
(1.2.1)
Đốivới n ớc ngọt = 9810 N/ m
3
g - gia tốc rơi tự do g = 9,81 m/s
2
Hệ số nhớt độnglực-kíhiệu , đơnvịkg/m.s.Làđại l ợng đặctr ngchotính
chấttừngloạichấtlỏng ítthay đổitheo ápsuất,nh nglạithay đổinhiềutheonhiệt
độ.
Hệ số nhớt độnghọc-kíhiệu , đơnvị m
2
/slàgiatốccủalựcnhớtxuấthiệntrong
chất lỏng



(1.2.2)
Dotácdụng t ơnghỗgiữatàuvàchấtlỏng,nêndọctheomặtuớthệlựcmặt
xuất hiện và phân bố liên tục. Tại mỗi điểm trên véctơ c ờng độ của lực mặt là
n
P

Hình 1.1. Hệ toạ độ khảo sát chuyển động của tàu.
Hìnhchiếucủa
n
P
lênph ơngpháptuyến
n
củaphântốdiệntích d làáplực
thuỷ động p
Còn hình chiếu của
n
P lên ph ơng của đ ờng dòng đi qua d là ứng suất tiếp
o
p và
o
có thể đo trực tiếp hoặc tính toán bằng các quan hệ trong cơ chất lỏng.
N ớctácdụnglênphầnngâm n ớccủatàulàlựcthuỷđộng,cònkhôngkhí tác
dụnglênphầnkhô củatàulàlựckhíđộng,vậytổnghợpcáclựckểtrên trên bề mặt của
tàu gọi là lực thuỷ khí động học.
Lựcthuỷ khíđộnghọclàmộthệthốnglựcmặt,vìvậycóthể chuyểnnóvềmột
véctơ chính
R
và một mômen chính
M
xác định theo các công thức (1.2.3) và (1.2.4)
12


dPR
n
(1.2.3)

drPM
n
(1.2.4)
Trong đó
r
- véctơ bán kính của d đối với tâm quy chiếu đã chọn.
Để nghiêncứutínhdi độngcủatàung ờitagắnlêntàutrụctoạđộ di động x
1
y
1
z
1
,
trong đó:
-Trục x
1
h ớngvề phía mũi tàu
-Trục y
1
h ớngvề phía mạn phải
-Trục z
1
h ớng lên trên
Còn gốc toạ độ thay đổi vị trí trong không gian.
Ngoài ra ng ời ta còn sử dụng hệ toạ độ xyz, trong đó:
-Trụcx h ớng theo vận tốc

v
của tàu
-Trục y h ớngvề phía mạn phải
-Trụcz h ớng lên trên
Haihệtoạđộ x
1
y
1
z
1
và xyzsẽtrùngnhaukhitàukhôngchuyển động.Cònkhitàu
chuyển động hai trục x
1
và x tạo với nhau một góc - gọi là góc chúi hành trình.
Nếu chiếu véctơ chính của lực thuỷ khí động học
R
lên các trục toạ độ ta đ ợc:
- Hình chiếu R
x
- Gọi là lực cản chuyển động của tàu
- Hình chiếu R
y
- Gọi là lực dạt ngang của tàu
- Hình chiếu R
z
- Gọi là lực nâng
Vậy"Lựccảnchuyển độngcủatàulàhìnhchiếucủalựcthuỷ khíđộnglựclên
ph ơng chuyển động của tàu".
Môn học này ta chỉ xét lực cản trong chuyển động tịnh tiến thẳng của tàu
Trong hệ toạ độ trên ta có:

R
x
= R
x1
cos + R
z1
sin
(1.2.5)
Vì véctơ
n
P đ ợcphânthànhhaithànhphầnpháptuyến p và tiếptuyến
o
nênlực
cản cũng có thể viết d ới dạng tổng hai thành phần (Xem 1.2.6)
R
x
=




d)x,cos()x,pcos(p
oo
(1.2.6)
Công thức (1.2.6) phân chia lực cản thành hai thành phần:
-Lực cản ma sát:


d)x,cos(R
ooF

(1.2.7)
Nguyênnhânxuấthiệnlựccảnmasát R
F
là do ảnh h ởng độ nhớtcủachấtlỏng
gây ma sátvàovỏ tàu làm xuất hiện ứng suất tiếp
o
-Lực cản áp lực:


d)x,pcos(pR
p
(1.2.8)
Dựavàocáchiện t ợngvậtlýthì nguyênnhânxuấthiệnthànhphầnlựccảnáplực
có thể giải thích nh sau:
Theocơhọcchấtlỏngthì vậtthể có kíchth ớchữuhạnchuyển độngtịnhtiếnvới
vậntốckhông đổitrênmặttựdovôhạncủachấtlỏngkhôngnhớtthì vậtthểđó không
chịu lực cản chuyển động (Theo định lý Ơle).
Vậtthể khichuyển độngchỉ xuấthiệnlựccảnchỉ khitr ờngvậntốcởphíatr ớc
và phía sau vật thể là khác nhau.
13
a.
b.
c.
d.
Hình 1.2. Sơ đồ mô tả nguyên nhân xuất hiện các thành phần của lực cản.
14
*Xétvậtthể chuyển động ở gầnhoặc ở mặttựdocủachấtlỏng(XemH1.2.a)
d ớitácdụngcủatrọnglựcthì vậtthể sẽ tạoratrênmặttựdocủachấtlỏngmộthệ
thốngsóngdocácphầntửchấtlỏngtáchratừvịtrí cânbằngdẫntớisựthay đổicủa
tr ờngvậntốcvàápsuấtdọctheobềmặtvậtthể.Hìnhchiếucủaáplựcsónglên

ph ơngchuyển độnggọilàlựccảnsónglênph ơngchuyển độnggọilàlựccảnsóng
R
W
.Côngcủavậtthể sinhra để thắnglựccảnsóng đ ợctiêutốnchosựtạothànhnăng
l ợng sóng.
*Cáctàubéohoặctàuchạykhôngtảing ờitathấycácsóng ở phần n ớcmũitàu
bịsangầnphẳngkéotheosựtạothànhcácbọt.Quá trình đóđã làmtăngthêmlựccản
sóngvà thành phần lực cản đó gọi là lực cản phá sóng mũi R
WB
.
*Khivậtthể chuyển độngtathấyrõnhất ở phầnmũitàucócáctia n ớchắtratừ
haibênmạn.Cáctia n ớc đó tạothànhphảnlực,màhìnhchiếucủaphảnlựcđó lên
ph ơngchuyển độnggọilàlựccảntoé n ớc R
S
.Loạilựccảnnàyđặctr ngchocáctàu
chạy nhanh.
*Theolýthuyếtcánhnếuvậtthể có dạnghìnhcánhkhichuyển độngcó l usố
vậntốcthì sẽ phátsinhlựcnângtrêncánh.Sựlàmviệccủacánhcóthể thaybằngmột
hệthốngxoáy,hệthốngnàysẽtạoracácxoáytựdosaucánh(XemH1.2.b).Hệ
thốngxoáygâyravậntốcthẳng đứnglàmlệch đ ờngdòngnênáplựcthuỷđộngxuất
hiệntrêncánh,màhìnhchiếulênph ơngchuyển độnggọilàlựccảncảmứng R
i
.
Công để thắnglựccảmứng đ ợctiêutốnchosựtạothànhnăng l ợngxoáy.Lựccản
cảm ứng xuất hiện trên các cánh của tàu ngầm và các phần nhô thân tàu.
*Nếuvậtthể chuyển độngvớivậntốclớnthì trênbềmặtvậtxuấthiệnsựxâm
thực(Sự xâmthựclàhiện t ợnghìnhthànhvàpháttriểntrênbềmặtvậtthể cácbọt
chứa đầykhôngkhí hoặchơi n ớcbãohoà)(XemH1.2.c).Sựxâmthực đã làmcho
tr ờngvậntốcvàápsuấtdọctheobềmặtvậtthể thay đổilàmxuấthiệnlựccảnxâm
thực R

c
.Công để thắnglựccảnxâmthực đ ợctiêutốnchosựduytrì cácbọtkhí hoặc
hơi,nghĩalàchosựthay đổitr ờngvậntốcsovớitr ờnghợpchảyvòngliêntục(Xem
H 1.2.c).
Quá trìnhxuấthiệncácthànhphầnlựccản R
W
, R
WB
, R
S
, R
i
, R
c
ítphụ thuộcvàođộ
nhớtcủachấtlỏng,dovậyph ơngpháptínhtoánlýthuyếtcóthể dựavàomôhình
chất lỏng không nhớt.
*Do ảnh h ởngcủađộ nhớtquyluậtphânbốápsuấttrênbềmặtvậtthể thay đổi
sovớitr ờnghợpchảyvòngtrongchấtlỏngkhôngnhớt. Độ nhớtlàmhìnhthànhlớp
biêndọctheomặtvậtthể và tạonêndòngtheo.Dòngtheolànhữngvếtthuỷđộng ở
sauvậtthể làmcấutrúccủatr ờngvậntốcởphíatr ớcvàsauvậtthể trongchấtlỏng
nhớtlàkhácnhau.Dòngtheo ở sauvậtthể là vùngchảyrốitạoxoáy(XemH1.2.d)
làmgiảm ápsuất ở vùng đuôivậtthể sovớichấtlỏngkhôngnhớtvàphátsinh ápsuất
tổng hợp gọi là lực cản áp suất nhớt hoặc lực cản hình dáng R
VP
.
Vậylựccảndo ứngsuấttiếp
o
gâyragọilàlựccảnmasát R
F

.Công để thắnglực
cản ma sát đ ợc tiêu tốn cho sự tạo thành lớp biên và dòng theo.
Lựccảnhìnhdángvàmasátxuấthiệndo độ nhớtcủachấtlỏngvàchúngtạo
thành lực cản nhớt R
V
= R
VP
+ R
F
.
Từ các điềukểtrênthì lựccảncủa n ớc đốivớichuyển độngcủatàucóthể viết
d ới dạng tổng:
R
x
= R
F
+ R
P
= R
F
+ R
VP
+ R
W
+ R
WB
+ R
S
+ R
i

+ R
c
(1.2.9)
Dạng(1.2.9)khôngphảilúcnàocũngxuấthiện đồngthời,cóthể có tr ờnghợp
vài thành phần không có.
Cơ sở vậtlýđể phânchialựccảnracácthànhphầnlàđiềurấtcầnthiết để xây
dựng các ph ơng pháp lý thuyết, thực nghiệm và những nguyên tắc mô hình hoá.
15
Dokhối l ợngriêngcủa n ớcvàkhôngkhí là khácnhau,dovậytổng lực cản đ ợc
chia thành lực cản của n ớcvà lực cản không khí R
AA
.
Vậycóhainguyênnhâncơbảnđể tạonênlựccảnđó làảnh h ởngcủađộ nhớt
của chất lỏng và sự tạo sóng:
R
x
= R
V
+ R
W
+ R
AA
(1.2.10)
Để nghiêncứucáctínhchấtcủacácthànhphầnlựccảnng ờitasửdụnggiả thiết
về sựđộclậpcủachúng.Theogiả thiết đó thì cácquá trìnhvậtlýgâyratừngthành
phầncủatổnglựccảnlàđộclậpnhau,nghĩalàquá trìnhtạosóng độclậpvớiđộ nhớt
củachấtlỏng,vàlựcnhớtcũngsẽkhông ảnh h ởngtớiquá trìnhtạosóng,ngoàira
những hiện t ợngxảy ra trong n ớc không ảnh h ởng tới lực cản không khí.
Trongquá trìnhnghiêncứuvàtínhtoánlựcthuỷđộng,mômencủalựcthuỷđộng
cầnphảicósự t ơngquan đầy đủ về kếtcấudòngchảycủachấtlỏngbaoquanhmô

hìnhvàtàuthực.Sự t ơngquan đó gọilàđồngdạng độnglựchọccủadòngchảy.Các
thamsốchungkhông đổi đ ợcgọilàcácchuẩn đồngdạngcủadòngchảy,cácchuẩn
này đ ợcxác định từ lý thuyết đồng dạng.
Dòngchảycủachấtlỏngchảyvòngvậtthểđồngdạnghìnhhọc, đ ợcgọilàđồng
dạng độnglựchọcnếuởcácđiểm t ơng ứngcósựbằngnhaucủacáclựcthuỷđộng
khôngthứ nguyên,cũngnh đảmbảoph ơngcủacácvéctơvậntốcvàlựcthuỷđộng
(nghĩalàhìnhdáng đ ờngdòngtạoxoáyvàtạosóngtrongcácdòngchảy đó làđồng
dạng động học)
Trị số liên quan tới các kích th ớc t ơng ứng gọi là tỉ lệ xích đồng dạng hình học:
H
M
L
L
K
(1.3.1)
L - Kích th ớc đặc tr ng cho chiều dài của vật thể
M - Chỉ số ứng với mô hình
K - Chỉ số ứng với tàu thực.
Quaphântíchchuyển độngchothấyrằng:Sựđảmbảođồngdạnghìnhhọcvà
độnglựchọccủachấtlỏngkhôngnén đ ợc d ớitácdụngcủatrọnglựckhichảyvòng
mô hìnhvàtàuthựcnếuchiềudàiL,vậntốcv,thờigianTvàhệsốnhớt độnghọc
đồng thời thoả mãn ba mối quan hệ sau:
H
H
M
M
gL
v
gL
v

(1.3.2)
H
HH
M
MM
LvLv



(1.3.3)
HH
H
MM
M
Tv
L
Tv
L

(1.3.4)
16
*Biểuthứckhôngthứ nguyên
gL
v
Fr gọilàsốFrút.Nóđặc tr ng cho lực quán
tínhvàtrọnglựccủadòngchảycủachấtlỏng.NếuFr
M
=Fr
H

thì hình ảnhtạosóngvà
lực cản sóng là đồng dạng đối với hai vật thể đồng dạng hình học với nhau.
TrongtínhtoánsốFr đôikhi đ ợcbiễudiễnqua đại l ợng
L
v
gọilàvậntốc
t ơng đốicóthứ nguyên.Trongnhữngtr ờnghợpđặcbiệt(chẳnghạnxétvềchếđộ
chuyển độngcủatàu)thì chiềudàiđặctr ngcóthể lấybằng V
1/3
,trong đó V=D/g
3
V
Vg
v
Fr ;
Hay FrFr
V
, trong đó
3
V
L
gọi là chiều dài t ơng đối của tàu.
*Biểuthứckhôngthứ nguyên


vL
Re gọilàsốRâynol.Nóđặctr ngchoquan
hệ giữalựcquántínhvàlựcnhớttrongdòngchảycủachấtlỏng.Nếuđảmbảosựbằng
nhaucủacácsốRâynol(Re
M

=Re
H
)tasẽlập đ ợcsựđồngdạngcủalựccảnnhớt,kết
cấu lớp biên, dòng theo của tàu thực và mô hình đồng dạng hình học.
*Biểuthứckhôngthứ nguyên
vT
L
Sh gọilàsốStruhan.Nóđặctr ngvềđộng
lựchọccủadòngchảythay đổitheothờigian.Nóchophéptasosánhcáclựcvàquá
trìnhchảyvòngcógiatốccủachấtlỏng.Khivậtthể chuyển độngkhôngcógiatốcthì
số Struhan không xác định và không cần xét tới.
* ngsuấttiếp
o
vàápsuất p củalựcmặt đ ợc đặctr ngbằngcáchệsốkhông
thứ nguyên sau:
-Số ơle đặc tr ng cho áp suất p trong dòng chảy
2
v
p2
Eu


(1.3.5)
- Hệ số áp suất:
2
o
v
)pp(2
p

(1.3.6)
trong đó p
0
là áp suất thuỷ tĩnh.
- Quan hệ giữa hệ số ma sát cục bộ và ứng suất tiếp:
2
o
f
v
2
C



(1.3.7)
Dòngchảycủachấtlỏngnhớtbaoquanhmôhìnhvàtàuthực đồngdạnghìnhhọc
sẽcóđồngdạng độnglựchọcnếucácsốFr,Re,Shcủacácdòngchảy đó bằngnhau.
CònEu, p , C
f
khôngphảilàcáctiêuchuẩn đồngdạng,màchúngchỉ có vaitrò thứ yếu
và chỉ đ ợcxéttrongnhữngtr ờnghợpriêng(chẳnghạndòngchảybịxâmthựcthìáp
suấttrongcácbọtkhí bằng ápsuấthơi n ớcbãohoà p= p
v
).Khip=p
v
sẽ xuấthiện
xâm thực, lúc đó Eu đ ợc biểu diễn qua số xâm thực:
2

v
v
)pp(2



(1.3.8)
17
Đểđảmbảosựđồngdạngcủacácdòngchảyrốitadựavàođộ rối
T
củadòng
chảy:


v
'v
2
T

(1.3.9)
Khixéttớiảnh h ởngcủasứccăngbềmặttadùnghệsốcăngbềmặt
H
.Xétảnh
h ởng của lực cản toé n ớc ta dùng số Webe:
2
H
Lv
We

(1.3.10)
Để tìmcôngthứcchung để tínhlựccảntabiểudiễntrị sốápsuấtvàứngsuấttiếp
qua Eu và C
f
.
Vậy công thức (1.2.6) đ ợcviết lại:




d)x,cos(C)x,pcos(Euv5,0R
of
2
x
(1.3.11)
Chuyểntíchphân(1.3.11)vềdạngkhôngthứ nguyên,muốnvậy đ adiệntích
vào hàm giải tích, ta sẽ đ ợc tích phân không thứ nguyên và kí hiệu là C
x
:






d
)x,cos(C)x,pcos(EuC
ofx
(1.3.12)

Lúc đó (1.3.11) sẽ có dạng:

2
xx
vC
2
1
R
(1.3.13)
Trongcôngthức(1.3.13)thì C
x
=f(Fr,Re,Sh)gọilàhệsốlựccảnởnhữngvậtthể
đồngdạnghìnhhọccócùngph ơngchiềucủavậntốcchuyển độngthì cáchệsốlực
cản của chúng sẽ bằng nhau C
xM
= C
xH
nếu
Fr
M
= Fr
H
,Re
M
= Re
H
và Sh
M
= Sh
H

(1.3.14)
Từ (1.3.13) và (1.3.14) ta có:
H
2
HH
xH
M
2
MM
xM
v
R2
v
R2

22
MM
2
HH
xMxH
K
1
v
v
RR
(1.3.15)
Biểu thức (1.3.13) cũng đúng cho các thành phần còn lại của lực thuỷ động:

2
yy
vC
2
1
R
(1.3.16)

2
zz
vC
2
1

R
(1.3.17)
Trong đó C
y
, C
z
t ơng ứnglàhệsốlựcdạtvàhệsốlựcnângthuỷđộngtheo
ph ơng thẳng đứng.
Mô men thuỷ động sẽ bằng:
L.vm
2
1
M
2

(1.3.18)
Trong đó m = f(Fr, Re,Sh) là hệ số mô men thuỷ động không thứ nguyên
Trongtínhtoáncóthể tuỳ từngtr ờnghợpmàthaydiệntích bằngcácdiệntích
đặc tr ng khác:
18
3/22
2x
2
1x
2
xx
VvC
2
1
vC

2
1
vC
2
1
R

(1.3.19)
Các thành phần lực cản cơ bản R
V
và R
W
có thể xác định t ơng tự nh (1.3.13)
R
x
= R
V
+ R
W


2
WVx
vCC
2
1
R
(1.3.20)
Trong đó C
V

và C
W
t ơng ứnglàhệsốlựccảnnhớtvàhệsốlựccảnsóng
C
V
= f(Re) còn C
W
= f(Fr) theo giả thiết sự độc lập của các thành phần lực cản.
Lực cản tỉ lệ bình ph ơngvớivận tốc.
Cùngvớilựccảntrongquá trìnhnghiêncứuthiếtbịđẩyvàthiếtbịnăng l ợngcủa
tàung ờitadùngkháiniệmcôngsuấtkéocủatàu P
E
là côngsuấtphảisảnra để kéo
tàuvớivận tốc đã cho. Trị số công suất kéo đ ợcxác định theo công thức sau:
P
E
= R
x
v (1.3.21)
-Trị số côngsuấtkéocủatàu P
E
là hàmsốbậcba của vận tốc, còn đơn vị của công
suất kéo là W (kW).
- Đốivớitàusôngthì vậntốctínhbằng km/h,còntàubiểnlàhảilý/h,
1 hải lý/h = 1,853 km/h.
-Chuyểnvậntốctừhảilý/h sang m/s tadùngquanhệv=0,514v
S
.Vậntốcv, m/s
còn v
S

, hải lý/h.
-Từ (1.3.21) có xét tới (1.3.13), nếu mẫu số nhân với V
2/3
và ký hiệu:




x
3/2
3
E
C
D514,0150
C
(1.3.22)
ta sẽ đ ợc biểu thức tính công suất kéo của tàu cho đơn vị mã lực, cv


E
3/2
3
S
E
C
Dv
P
(1.3.23)
(1.3.23)gọilàcôngthứchảiquân, C
E

gọilàhệsốhảiquân.Hệsố C
E
tỉ lệ nghịch
với hệ số C
x
.
- Đốivớitàubiểnvậntốckhaithácnhỏ hơnvậntốcthửđểđảmbảodựtrữ công
suất của tàu khi hoạt động ở những vùng thời tiết xấu.
-Trongthiếtkếtàuchiềudàigiữahai đ ờngvuônggócth ờngnhỏ hơnchiềudài
đ ờng n ớckhoảng
%
3
2

chotàumộtchongchóng,cònchúngsẽbằngnhauchotàu
hai chong chóng.
Trêncơsởcácphéptínhtoánhoặccácphépthử tacóthể xác định đ ợclựccản R
x
hoặccôngsuấtkéocủatàu P
E
.Lựccản R
x
hoặc P
E
phụ thuộcvàotốcđộ chuyển động
của tàu v
S
hoặc các chuẩn đồng dạng.
Hệ số lực cản C
x

, hệ số hải quân C
E
và tỉ số R
x
/D theo các số Fr và Re.
19
Hình 1.3. Quan hệ giữa R
x
, P
E
với v
S
.
Quanhệgiữacácthànhphầnlựccảnphụ thuộcvàokíchth ớchìnhdángthântàu
vàsốFrcũngnh hệ số béothể tích .Tàucóthể chuyển động ở sâusovớimặt
thoáng, nh vậy nó không chịu ảnh h ởng của mặt tự do.
Tàucóthể vừacớphầnchìmvàphầnnổi(tàu ở mặttựdo).Tàucóthể chuyển
động ởđộ sâusovớimặtthoáng(tàungầm).Tàuchuyển độngtrênmặttựdo(tàucánh
ngầm,tàuđệmkhí).Vớimỗiloạitàukhácnhauquanhệvớicácthànhphầnlựccản
củatổnglựccảnlàkhácnhau.Quyluậtthay đổicủamộtthànhphầncũngcóthể khác
nhautrongcáctr ờnghợpkhácnhau.Vaitrò củacácthànhphầnlựccảnphụ thuộc
vào chế độ chuyển động của tàu.
Ng ời ta phân chia ba chế độ chuyển động cơ bản của tàu, đó là:
-Chế độ bơi
-Chế độ chuyển tiếp
-Chế độ l ớt
* chế độ bơi:
D = gV
(1.4.1)
Khi đó 0,1

Vg
v
Fr
3
V

(1.4.2)
chế độ này đặc tr ng cho các tàu vận tải chạy chậmvà trung bình.
* chế độ chuyển tiếp:
Chế độ này bắt đầu xuất hiện thành phần lực nâng thuỷ động R
z
.Khi đó:
D = gV
1
+ R
z
(1.4.3)
Thể tích V
1
< V tàu bắt đầu nổi dần lên và
3Fr1
V


(1.4.4)
chế độ này đặc tr ng cho các tàu chạy nhanh.
* chế độ l ớt:
0V;RD
z

(1.4.5)
Khi đó Fr
V
> 3 (1.4.6)
nó đặc tr ng cho chế độ l ớt của tàu.
Khi Fr
V
> 1 chiều chìm trung bình và độ chúi của tàu thay đổi
20
Năng l ợngcủatàutruyềnchochấtlỏngkéotheosựphátsinhcủatr ờngvậntốc
vàápsuất,sựbiếndạngcủamặttựdodẫntớixuấthiệnsóngtàu.Dovậy ở phía sau tàu
hoặcmôhìnhtàuxuấthiệncácvếtthuỷđộng.Tuynhiêncấutrúccủavếtđó phụ thuộc
vàohìnhdángthântàu,vậntốc,lựcnhớtvàtrọnglực.Sơđồ phânchialựccảncủa
n ớc ra các thành phần nh sau:
Xétluồngchảybaoquanhtàuđứngyênởmặttựdocủachấtlỏngcóchiềusâuvô
hạn (H 1.4)
Hình 1.4. Sơ đồ luồng chảy bao quanh tàu.
Để tínhtoánlựcthuỷđộngtasửdụng địnhluật động l ợngtrongmôncơchất
lỏng:


S
n
S
n
dS.PdS.v.vR
(1.5.1)
Trong đó:
S - mặt kiểm soát kín và không di động

n - ph ơng pháp tuyến ngoài với mặt đó
v
và
n
P - t ơng ứnglàvéctơvậntốcvàứngsuấtcủalựcmặttrongchấtlỏng
nhớt,
n
P có h ớngtuỳýsomặtS,
n
P baogồmápsuấtnhớt, ápsuấtrồi, ứngsuấtpháp,
ứng suất tiếp.
Tại mặt vuông góc với trục x ta có:
xzxyxxxn
.k.jP.iPP
trong đó:
2
x
x
xx
'v
x
v
2PP



'v'v
x
v
y

v
yx
y
x
xy















21
-ChọnmặtScódạnghìnhbìnhhànhvớimặttrênlàmặttựdotoạđộ t ơng ứng
z
B
= f(x,y)và mặt ớt của tàu, mà dọc theo nó v
n
= 0.
-Mặt S
1
đặt ở xaphíatr ớctàu,màtạiđó khôngcóvậntốcphátsinhvàmặtchất

lỏng nằm ngang.
- Mặt S
2
đặt tuỳ ý sau tàu cắt vết thuỷ động.
-Mặtnằmngang S
3
và cácmặtthẳng đứng S
4
, S
5
songsongvớimặtphẳng đối
xứngcủatàuvàcáchxanóđể vậntốcphátsinhlànhỏ nhằmbỏqua ảnh h ởngcủađộ
nhớtvà sự tạo sóng.
Để tính lực cản ta chiếu
R
lên trục x, ta đ ợc
dS.PdS.PdS.v.vdS.vdS.vR
2154321
S
xx
S
xx
SSS
n
S
2
x
S
2
x

(1.5.2)
Theo ph ơng trình liên tục với mặt S ta có:
dS.vdS.vdS.v
21543
S
x
SSSS
n



(1.5.3)
Dựavào(1.5.3)chophépkhử tíchphântheocácmặt(S
3
+ S
4
+ S
5
)trongbiểuthức
(1.5.2) còn ở mặt S
1
và S
2
quy luật phân bố áp suất theo quy luật thuỷ tĩnh
gz

, ta có



y
y
2
B
y
y
z
SS
dyz
2
1
zdzdydS.zdS.z
B
21
(1.5.4)
Nếu đẩy mặt S
4
và S
5
ra xavô cùng ta có lực cản đ ợc tính theo biểu thức sau:

dyz
2
g
dS'v
x
v
2gzPdSvv.vR
2
B
S
2
x
x
S
2
xx
x
22

Nếutàuchuyển độngtrongkênhhoặc n ớcnôngthì vế phảicủa(1.5.4)cầnkể
thêm ứng suất tiếp theo chu vi kên hoặc đáy sông.
Trongtr ờnghợpchấtlỏngkhôngnhớt,dòngchảykhôngxoáy,lúcđó dòngchảy
tại tiết diện tuỳ ý và tại S
1
, ứng với điểm trên mặt tự do sẽ có:




22
z1
2
y1
2
x1
v5,0vvvv5,0gzP
Trong đó:
v
1x
, v
1y
, v
1z
là nhữngvậntốcphátsinh.Khử P+gzvàxétứngsuấtnhớt, ứngsuất
rối, lúc đó biểu thức (1.5.4) sẽ đ ợcviết thành:



dyzg5,0dS)vvv(5,0R

2
B
S
2
z1
2
y1
2
x1x
2
(1.5.5)
*Biểuthức(1.5.4)xácđịnhtổnglựccảncủatàutrongchấtlỏngnhớt,cònbiểu
thức (1.5.5) xác định lực cản của tàu trong chất lỏng không nhớt.
*Khitàuởtrongdòngchảyvôhạncủachắtlỏngnhớt,nếubỏqua ứngsuấtnhớt
và rối dựa vào biểu thức (1.5.4) ta có biểu thức tính lực cản nhớt:







2
S
o
2
xx
vx
dSPPvv.vRR
(1.5.6)

Trong đó:
P
o
- áp suất thuỷ tĩnh nơi đặt tàu
Dựavào(1.5.5)và(1.5.6)ng ờitatínhtoánbằngthựcnghiệmcáclựccảnsóngvà
nhớt.
22
Lựccản R
x
tỉ lệ thuậnvớidiệntíchmặt ớt .Nếuph ơngtrìnhmặt ớtcủatàu
có dạng y = f(x,z) thì diện tích mặt ớt của tàu sẽ là:
dxdz.1
z
y
x
y
2
2/L
2/L
0
T
22

(1.6.1)
Vì rất khó xác định y = f(x,z) của mặt thật, nên đ ợc tính gần đúng.
-Theo ph ơng pháp hình thang:












n
0i

no
i
2
ll
l
n
L2
(1.6.2)
Trong đó:
n - số khoảng s ờn lý thuyết. Nếu tàu có 21 khoảng s ờn thì n = 20
l-chiềudàilýthuyếtcủacác s ờn.Việcduỗithẳngcác s ờnlýthuyết đ ợcxác
định theo công thức sau:
dz.
z
y
12l
0
T
2

gần đúng thì trị số l đ ợcxác định bằng th ớc cong.
-Theo ph ơng phápTreb sép:



m
1i
i
l
m
L2
(1.6.3)
Trong đó:
m - số s ờnTreb sép.
Talần l ợttínhtrị số chomộtvàichiềuchìm,rồixâydựng đ ờngcong
=f(T)sẽchophépxácđịnh ở cáctrạngtháitảitrọngkhácnhau(dùngchotàu
l ớtvà tàu cánh ngầm).
Tronggiai đoạnthiếtkếsơbộch acótuyếnhìnhtàutacóthể dùngcáccôngthức
gần đúng d ới đây để xác định diện tích mặt ớt :
- Đối với tàu chạy nhanh:







T
B
13,136,1LT

(1.6.4)
- Đối với tàu vận tải có hệ số béo thể tích là lớn:








T
B
274,037,12LT
(1.6.5)
- Đối với tàu đánh cá:

PPPP
52,155,0
T
B
5,01TL







(1.6.6)
- Đối với tàu sông không có vòm đuôi:

4,0
T
L
074,01,5V
3/2
(1.6.7)
Diệntích tínhtheocáccôngthứctrêncầnphảikểthêmdiệntíchphầnnhô (giá
đỡ chongchóng,trụcchongchóng,bánhlái,kylái,vâygiảmlắc, )tuỳ thuộcvàocác
phần nhô, trong tính toán lấy
ph.nhô
= (1,5

7)%.