Bài giảng ĐỘNG LỰC TÀU THUỶ part 1 pot

ĐỘNG LỰC TÀU THUỶ

1
Lờinóiđầu
Vớisựpháttriểnkhôngngừngcủangànhkinhtếvậntảisôngbiển,thì việcnghiên
cứuvàcảitiếncácloạithiếtbịđẩytàuđóngmộtvaitrò hếtsứcquantrọng.Bởilẽ
chúng có liên quan trực tiếp tới các chỉ tiêu kinh tế và khai thác của mỗi con tàu cụ thể.
Sự pháttriểncủangành đóngmới,nhấtlàtronglĩnhvựcthiếtbịđẩytàuvàonhững
nămgầnđây đãđemlạinhữngthay đổivềchất.Trongthựctếđã có thể giải đ ợcmột

loạtbàitoánmớinh mô tả bề mặtcánhchongchóngbằngtoánhọccầnchoviệclập
ch ơngtrình điềukhiểncácmáycôngcụcólắpbộđiềukhiểnch ơngtrìnhvàtựđộng
vẽ hình để chế tạochongchóng.Tínhtoánsứcbềncánhchongchóngcóđểýđếncác
đặctínhvềmỏi.Nghiêncứuhếtsứctỉmỉcáctínhchấtdao độngcủachongchóngvà
sự t ơngtácthuỷđộnggiữachúngvớithântàu.Xemxétsựlàmviệccủachongchóng
ở các chế độ đặc biệt.
Kỹ thuật điệntoán đã đ ợc ápdụngrộngrãivàocôngviệctínhtoánkỹthuậtnhằm
cungcấpnhữngkiếnthứcthựctếchosinhviêntrongnhữngtr ờnghợpnóđã có thể
loại bỏ đ ợc các sơ đồ tính toán bằng tay.
Thờigiangầnđâyng ờitaquantâmnhiều đếnviệcnghiêncứukếtcấucủadòng
chảy ở gầnthântàuvàtínhtoándòngchảy đó,nhằm đ aracácbiệnpháp để nângcao
hiệu quả đẩy và độ tin cậy của thiết bị đẩy cũng nh giảm tiếng ồn thuỷ động,
Sự pháttriểncủakỹthuậtthựcnghiệmchophéptanhận đ ợcnhững t liệumới
trong lĩnh vực này và có giá trị kỹ thuật quan trọng.
Tínhchấtnổibậtcủatậpgiáotrìnhnàylàtàiliệukhá tổngquantrongkhuônkhổ
hạnchế phù hợpvớich ơngtrìnhkhoá họcthuộcngành Đóngvàsửachữatàu.Nó
chứa đựngnhiềuch ơngbổxung để sử dụnglàmtàiliệugiáokhoacholĩnhvựcThuỷ
khí động học nói chung.
Để pháthuykhả năngtựnghiêncứucủasinhviênchonêngiáotrìnhnàyđã hết
sứcchúýđếnviệcnêubậtcácquyluậtvậtlýcơbảnđể nóilênsựlàmviệccủacác
loạithiếtbịđẩytàucácchứngminhcủacácđápsốvàmốiràngbuộclẫnnhaugiữacác
phầncủagiáotrình để tạoramộtcơsởđángtincậychoviệcsángtạotronggiảiquyết
côngviệc kỹ thuậtvà nghiên cứu khoa học.
Khiviếtcuốnsáchnàychúngtôixétrằng,sinhviên đã đ ợchọccácmôncơchất
lỏng,toánvàkỹthuậttính.Nh vậytrongnhiềutr ờnghợptránh đ ợcsựtrùnglặpvà
tạo khả năng h ớng cho sinh viênvàoviệc giải bài toán bằng máy tính điện tử.
Thuậtngữ và hệ thốngkýhiệuquy ớc đuợcdùngphù hợpvớisáchnàyđể sinh
viênsửdụngthamkhảocũngnh đểđảmbảosựthốngnhấtquanniệmtrongcácphần
riêng lẻ của cuốn sách.
Mọi nhậnxétvà đề nghị cho lần xuất bản sẽ đ ợc chúng tôi chân thành cảm ơn.

2
3
Ch ơng, mục Tên ch ơng, mục Trang số
01
Mục lục 03
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt 07
Phần 1
Lực cản chuyển động của tàu
09
Ch ơng 1
09
1.1
Đối t ợng của môn học 09
1.2
Lực cản chuyển động của tàu thuỷ và các thành phần của
lực cản
10
1.3
Những công thức chung
để tính toán lực cản và công suất kéo của tàu
15
1.4
Đặc điểm thay đổi lực cản 18
1.5
Xác định lực cản của n ớc đối với chuyển động của tàu
bằng các đặc tr ng của vết thuỷ động
20
1.6
Mặt ớt của tàu và cách tính diện tích mặt ớt 22
Ch ơng 2

23
2.1
Lớp biên và vết thuỷ động học 23
2.2
Lực cản ma sát của tấm phẳng 25
2.3
Lực cản nhớt của prôfin dễ thoát n ớc
và cácvật thể tròn xoay
27
2.4
Lực cản nhớt của vật thể khó thoát n ớc 28
2.5
Lực cản nhớt của tàu 28
2.6
nh h ởng của độ nhám chung tới lực cản nhớt
30
2.7
nh h ởng của độ nhám cục bộ tới lực cản nhớt
33
2.8
nh h ởng của lớp rêu, hà bámvàovỏ bao tàu
đến lực cản của tàu
35
2.9
Các ph ơng pháp giảm lực cản nhớt 36
2.10
Lực cản không khí đối với chuyển động của tàu 39
Ch ơng 3
43
3.1

Sự hình thành sóng bản thân khi tàu chuyển động 43
3.2
Các tính chất của lực cản sóng 46
3.3
Các ph ơng pháp giảm lực cản sóng 47
Ch ơng 4
49
4.1
Lực cản khi tàu chuyển động trong n ớc cạn 49
4.2
Lực cản khi tàu chuyển động trong kênh đào 51
4
4.3
Nghiên cứu lý thuyết về lực cản của tàu chuyển động
trong kênh đào
53
Ch ơng 5
55
Ch ơng 6
57
6.1
Bể thử mô hình tàu 57
6.2
Tính chuyển lực cản từ mô hình sang tàu thực 59
Ch ơng 7
61
7.1
Phân loại các ph ơng pháp gần đúng để tính lực cản 61
7.2
Ph ơng pháp tính lực cản d 62

7.3
Xác định lực cản bằng cách tính chuyển từ tàu mẫu 62
Ch ơng 8
65
8.1
Cách chọn hình dáng thân tàu 65
8.2
nh h ởng của sự thay đổi thể tích ngâm n ớc
và tỷ số kích th ớc của tàu đối với lực cản
66
8.3
nh h ởng của các hệ số béo tới lực cản
66
8.4
Hình dáng thân tàu biển 67
8.5
Hình dáng tàu nội địa và tàu pha sông biển 68
Ch ơng 9
69
9.1
Lực cản chuyển động của tàu hai và ba thân 69
9.2
Lực cản chuyển động của đoàn tàu kéo, đẩy 70
Ch ơng 10
73
10.1
Lực cản của các tàu chạy ở chế độ chuyển tiếp 73
10.2
Tàu l ớtvà lực cản của tàu l ớt 74
10.3

Các đặc tính thuỷ động của bề mặt l ớt 75
Ch ơng 11
77
11.1
Tàu cánh ngầm 77
11.2
Các đặc tính thuỷ động của cánh ngầm 80
11.3
Dòng bao vật thể và lực cản
khi có hiện t ợngxâm thực
80
11.4
Lực cản tàu đệm khí kiểu buồng 81
11.5
Lực cản của tàu đệm khí kiểu phun 83
5
Phần 2
thiết bị đẩy Tàu thuỷ
85
Ch ơng 12
85
12.1
Khái niệm cơ bản về thiết bị đẩy tàu 85
12.2
Các kiểu thiết bị đẩy và tính chất của chúng 86
Ch ơng 13
91
13.1
Các yếu tố hình học chính của chong chóng 91
13.2

Các ph ơng pháp định hình chong chóng, cách biểu diễn
bề mặt cánh bằng toán học
93
13.3
Xây dựng bản vẽ lý thuyết của chong chóng 96
13.4
Kết cấu chong chóng 99
Ch ơng 14
101
14.1
Các đặc tính động học của chong chóng 101
14.2
Các đặc tính động lực của chong chóng 102
Ch ơng 15
107
15.1
Những nhận định ban đầu 107
15.2
Chong chóng lý t ởng tải trọng thấp 108
Ch ơng 16
111
16.1
Các định luật đồng dạng khi thí nghiệm chong chóng 111
16.2
Các ph ơng pháp nghiên cứu chong chóng bằng thực
nghiệm.Các đợt thử hàng loạt mô hình có hệ thống
114
16.3
Các đồ thị thiết kế chong chóng 116
16.4

Sử dụng các đồ thị thiết kế chong chóng cánh hẹp 119
Ch ơng 17
121
17.1
Khái niệm chung về sự t ơng tác thuỷ động giữa thiết bị
đẩyvà thân tàu
121
17.2
Dòng theo và các thành phần của nó 121
17.3
Dòng theo có ích và tốc độ của dòng theo 124
17.4
Lực hút 126
17.5
Các số liệu thực nghiệm về các hệ số t ơng tác thuỷ động
giữa thiết bị đẩy với thân tàu
128
17.6
Hiệu suất của thiết bị đẩy và các thành phần của nó 130
Ch ơng 18
131
18.1
Khái niệm về sự xâm thực 131
18.2
Xâm thực khi dòng n ớc bao các mặt chịu lực và các
thiết bị đẩy tàu
133
18.3
Tiếng ồn do xâm thực và độ ăn mòn chong chóng 136
6

18.4
Dự đoánxâm thực chong chóng 138
18.5
Thiết kế chong chóng xâm thực 140
Chuơng 19
143
Những nhận định ban đầu, hệ thống xoáy của cánhvà
chong chóng
143
Ch ơng 20
147
20.1
Các nguyên tắc chung 147
20.2
Chọn sơ bộ các phần tử chính của chong chóng và đánh
giá công suất tiêu thụ
148
20.3
Sự phù hợp giữa chong chóng với hệ thống động lực và
lựa chọn chế độ tính toán
150
20.4
Lựa chọn chính xác các yếu tố hình học cơ bản của
chong chóng
152
20.5
Thiết kế chong chóng theo đồ thị 157
20.6
Đồ thị vận hành của tàu, cách tính toánvàxây dựng 158
20.7

Sức bền của chong chóng 160
Ch ơng 21
165
21.1
L ợng tiêu thụ năng l ợng của thiết bị đẩy và các ph ơng
pháp giảm nó
165
21.2
Việc áp dụng chong chóng có đ ờng kính tăng thêm khi
vòng quay giảm xuống
166
21.3
Việc giảm tổn thất do dòng chảy bị xoắn 167
Ch ơng 22
169
22.1
Các đặc tính hình học của hệ chong chóng- Đạo l u 169
22.2
Các đặc tính động lực, động lực học, cơ thuỷ học của hệ
chong chóng- đạo l u
169
22.3
Đặc điểm thiết kế hệ chong chóng- đạo l u 172
7
DAnhmụccáckýhiệu,cácchữ viếttắt
A
0
- Diện tích mặt đĩa chong chóng
A
E

- Diện tích mặt nắn phẳng của cánh chong chóng
b - Chiều rộng đ ờng bao nắn phẳng, chiều dài dây cung
của prôphin tiết diện cánh.
D,R - Đ ờng kính, bán kính của chong chóng
d
H
,r
H
- Đ ờng kính bán kính củ chong chóng
e-Chiều dày lớn nhất của prôphin tiết diện cánh
h
0
- Độ ngập sâu của trục chong chóng d ới mặt n ớc tự do
P - B ớc của tiết diện cánh
Z-Số cánh chong chóng
Z
P
- Số l ợng trục chong chóng
-Chiều dày t ơng đối của prôphin tiết diện cánh, = e/b
- Góc b ớc của tiết diện cánh
v
,
v
S
- Tốc độ tàu, m/s, hải lý/h
v
A
- Tốc độ tiến của chong chóng
v
R

- Tổng tốc độ dòng ( có xét tới các tốc độ cảm ứng ) trên
phần tử cánh

- Véc tơ tốc độ cảm ứng

x
,

- Thành phần dọc trục và tiếp tuyến của tốc độ cảm
ứng
n - Vòng quay của chong chóng
-Tốc độ góc quay của chong chóng
J - B ớc tiến t ơng đối của chong chóng
J = v
A
/(nD)
i
T
, i
Q
- Hệ số ảnh h ởng của tr ờng tốc độ không
đồng đều tới lực đẩy và mômen quay
- Hệ số dòng theo định mức

x
,

- Thành phần dọc trục và tiếp tuyến của hệ số dòng
theo định mức
W

T
- Hệ số dòng theo tính toán
t- Hệ số hút


P
Z
B
TRt 1
- Góc tới của prôphin tiết diện cánh

I
- Góc tới cảm ứng (hoặc góc tới thuỷ động lực)

I
= +
0
-
I

0
- Góc lực nâng không

I
- Góc tiến cảm ứng

I
= arctg(
I
/

r
)

I
- B ớc tiến cảm ứng của chong chóng

I
=
r
(
v
A
+
x
)/(r

)

o
- Số xâm thực của chong chóng

o
= 2(P
0
P
v
)/(.
v
2
)

8
C
x
- Hệ số cản của phần tử cánh
C
x
= 2X/(.
v
R
2
.b.1)
C
y
- Hệ số lực nâng của phần tử cánh
C
y
= 2Y/(.
v
R
2
.b.1)
C
PA
- Hệ số tải trọng của chong chóng theo công suất
C
PA
= 2P
D
/(.
v

A
3
.A
0
)
C
TA
- Hệ số tải trọng của chong chóng theo lực đẩy
C
TA
= 2T/(.
v
A
2
.A
0
)
F

- Véc tơ lực thuỷ động tác dụng lên cánh chong chóng
K
DE
- Hệ số tải trọng của chong chóng theo lực kéo
EDE
TDvK .
K
DT
- Hệ số tải trọng của chong chóng theo lực đẩy khi đ ờng
kính không đổi
TDvKJK

ATDT
/
K
NT
- Hệ số tải trọng của chong chóng theo lực đẩy khi vòng
quay không đổi


4
4
/. TnvKJK
ATNT

K
Q
, K
QB
- Hệ số mômen quay của chong chóng trong n ớc tự
dovà sau thân tàu
M

- Véc tơ mômen của lực thuỷ động tác dụng lên cánh
chong chóng
P
D
- Công suất do chong chóng tiêu thụ, KW
P
D
= .Q.10
-3

P
E
- Công suất kéo của tàu, KW
P
E
=
v
.R.10
-3
P
S
- Công suất trên mặt bích của động cơ hoặc bộ giảm tốc,
KW
Q, Q
B
- Mômen quay của chong chóng trong n ớc tự do và
sau thân tàu
T, T
B
- Lực đẩy của chong chóng trong n ớc tự do và sau
thân tàu
T
E
- Lực kéo của chong chóng, RT
P
Z
E


- Hệ số chất l ợng ng ợc của phần tử cánh

= C
X
/C
Y

0
- Hiệu suất của chong chóng làm việc trong n ớc tự do

0
= (
t
/ 2)(K
T
/ K
Q
)

D
- Hiệu suất đẩy của chong chóng

D
= P
E
/ P
D
=
0

H
/ i

Q

H
- Hiệu suất ảnh h ởng của thân tàu

H
= (1 t) / (1 W
T
)

S
- Hiệu suất đ ờng trục


- Hiệu suất bộ truyền động (bộ giảm tốc, bộ tải điện . . .)

I
- Hiệu suất cảm ứng của chong chóng
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: