Bài giảng ĐỘNG LỰC TÀU THUỶ part 3 pptx

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
.
42
43
Ch ơng3
Lựccảnsóng
Khitàuchuyển độngtrênmặtthoángcủachấtlỏngtrọnglựcsẽsinhrasóng(sóng
bản thân), sóng đó sinh ra lực cản sóng.
Sóngsinhrakhitàuchuyển độnglàdotácdụngcủatrọnglựcvàsứccăngbềmặt
củachấtlỏng.Trọnglựcđóngvaitrò chínhtrongviệchìnhthànhsóngvàtạonênlực
cản sóng.

Hình 3.1. Sự tạo thành sóng bản thân.
Mặtthoángkhôngngăncản đ ợchạtlỏngdichuyểntheo h ớngthẳng đứng,nên
theoph ơngtrìnhBecnulikhitàuchuyển độngtrong n ớc ở vùngmũivàđuôiáplực
tănglênlàmmặt n ớcdânglên,cònởphầngiữatàuáplựcgiảmxuốnglàmmặt n ớc
tụtxuống(XemH3.1) ứngvới đ ờng1. D ớitácdụngcủatrọnglựcvàsứccăngbề
mặtcáchạtlỏngnằmxungquanhtàumấtthế cânbằngbắtđầuthựchiệncácdao
động.Dotácdụngcủalựcquántínhcácphacủachúngbịtụtlạisovớicáckíchthích
cơ bản,cácdao động đó t ơng ứnglà đờng2và đờng3cónguồnlùi,làmmặt
thoángbiếndạnglặpđilặplại.Dokếthợpcácloạibiếndạngmặtthoáng,màởphần
mũi n ớc dâng lên gọi là đỉnh sóng và phần giữa tàu n ớc tụt xuống gọi là đáy sóng.
Sóng lan truyền về phía sau đuôi tàu và có dạng hình dải quạt.
Trên hình 3.2 mô tả dạng sóng ở mạn và sau đuôi tàu
Hình 3.2. Sóng ở mạn và sau đuôi tàu.
Vậykhivậntốckhácnhauthì kếtcấucủa đ ờngdòng,tr ờngvậntốcvàápsuất
sẽ khác nhau. Kết luận này đ ợc khẳng định qua hình vẽ d ới đây:
44
Hình 3.3. Prôfin sóng và sự phân bố áp suất dọc thân tàu.
Đ ờngI-áplựckhithử mô hìnhtrong ốngkhíđộngkhôngchịu ảnh h ởngcủa
sóng bản thân.
Sự thay đổitr ờng ápsuấtdosóngbảnthândẫnđếnviệcxuấthiệnlựccảnsóng
cũngnh lựcnâng,mômendọclàmchiềuchìmvàgócchúicủatàuthay đổikhitàu
chuyển động.
Sóngbảnthânbaogồmhaihệsóngchéovàngang. Đốivớitàubéosóngmũibiến
mất.Trênnhữngtàucóđoạnthân ốngdàinhìnthấyrõnhómsóngchéovàngang ở
phíamũivàđuôitàu.Cácđỉnhsóngnàykhôngnằmngoàigiớihạncủahìnhquạt,
đ ớngsinhcủahìnhquạttạovớimặtphẳng đốixứnggóc
B
,ởtrong n ớcsâugócnày
khôngphụ thuộctốcđộ,hìnhdángtàuvàbằngkhoảng28 20
o

.Trongquạtnàysự
kích độngcủamặtthoángkhông đángkểvàcàngxabiêncủanócàngdậptắtnhanh.
Các đỉnhcủacácsóngchéohơibịuốncongnh ngtrị số củagócgiữa đoạn đỉnhsóng
nằm gần biên ngoài cùng của hình quạt và mặt phẳng đối xứng là 2
B
.
Cácsóngngang đềunằmbêntrongquạt,cácđỉnhcủachúngcódạnghìnhcung
nghiêngvớimặtphẳng đốixứnggóc90
o
.Toànbộhình ảnhcủasóngngangsau đuôi
tàu đ ợctạothànhbởisựgiaothoavàtácdụng t ơnghỗcủacácsóngngangnhóm
mũivà nhóm đuôi. Chiều dài các sóng ngang tăng dần về phía đuôi.
Nếugiả thiếtrằngnguồndựtrữ năng l ợngcủachúnglàthay đổivànăng l ợng
sóngtỉlệvớibìnhph ơngcủabiên độ thì có thể kếtluậnrằng:Chiềucaocácsóng đó
giảmtỉlệnghịchvớicănbậchaicủakhoảngcáchtínhtừmũi(XemH3.2).Khitàu
chuyển độngthì hệ thốngsóngvẫncốđịnh đốivớing ờiquansátđứngtrêntàu,nghĩa
là nó di chuyển cùng vớivận tốc v.
Từ lý thuyếtsóngtathẩyvậntốctruyềnsóngCvớibiên độ rấtbétrên n ớcsâucó
liên quan với chiều dài sóng theo hệ thức:
= 2C
2
/g
(3.1.1)
KhilấyC=vtatính đ ợcsố l ợngsóngchồngxếplênnhaudọctheo đ ờng n ớc
của tàu:
L/ = gL/(2v
2
) = 1/(2Fr
2
)

(3.1.2)
Kết quả đúng với sóng bản thân của mô hình tàu có Fr < 0,5.
Dạng của gồ sóng phía sau đuôi tàu là kết quả giao thoa nhóm sóng mũi và đuôi.
45
Quá trình t ơngtácgiữahainhómsóngcóthể xét đ ợcnếuthaythế mộtcáchcó
hệthốngtácdụngcủađiểmmũivàđiểmđuôitàubằng điểm ápsuất d ơng(+)vàâm
(-) di chuyển, khoảng cách giữa các điểm này có thể lấy bằng b
o
L, trong đó b
o
< 1.
Hình 3.4. Sơ đồ sóng bản thân khi chịu áp suất di động.
Sóngbảnthânsinhrabởicácđiểmápsuấtdi độngvớivậntốcvtrênmặt n ớc,nó
nằmgọntrongquạt,cóđỉnhlàtâmápsuấtvàcác đ ờngsinhtạovớinhaugóc 2
B
=
38
o
56'.Các s ờnsóngngang đầutiênnằmcáchsautâmápsuất(+)và(-)mộtkhoảng
x
t
= 5/6 và x = 9/8.
Taxétquá trìnhkếthợpcácdao độngsinhbởicácápsuất(+)và(-).Tổngbiên độ
của các sóng ngang là:
oKH
2
K
2
H
cosaa2aaa

(3.1.3)
Trong đó:
a
H
-biên độ hệ sóngngang ở mũicóxétđến l ợnggiảmnókhichuyểnvềphía
đuôi.
a
K
- biên độ của hệ sóng ngang ở đuôi.

o
- góc lệch pha của các sóng thuộc hai hệ.
Góc
o
có thể tính dựa vào hình 3.4

o
= 2(b
o
L + 0,5)/
Vì cos[2( b
o
L+0,5)/]=-cos(2b
o
L/)nêndựavàocôngthức(3.1.2)tacóthể
viết:


2
oKH

2
K
2
H
Fr/bcosaa2aaa
(3.1.3)
-Nếuphacủacácsóngnganghệmũivàđuôitrùngnhauvàcos(b
o
/Fr
2
)=-1,nghĩa
là Fr
2
= b
o
/n,trong đó n=1,3,5, thì sau đuôitàuxuấthiệncácsóngnganggiaothoa
vớibiên độ a= a
H
+ a
K
.CácsốFrvàvậntốc t ơng ứngvớichúngtrongtr ờnghợp
này là bất lợi.
-Cònkhicos(b
o
/Fr
2
)=1sẽxảyrahiện t ợng đáyvàđỉnhcủahainhómsóngkết
hợpvớinhau,lúcđó a= a
H
- a

K
vàđỉnhsóngnganggiaothoasau đuôitàusẽbịsan
bằng đáng kể, các số Fr tạo nên hiện t ợng này gọi là các số Fr có lợi.
Hệ số b
o
phụ thuộc vận tốc và hình dáng thân tàu:
b
o
= + Fr
2
/2 khi Fr < 2/
Nếu Fr 0,5 quá trình giao thoa nói trên mất hết ý nghĩa.
46
Lực cản sóng của tàu thực hoặc mô hình đ ợcxác định bằng biều thức sau:


d)x,ncos(PR
W
Côngthứcnàychophéptínhlựccảnsóngcủachấtlỏngkhôngnhớtcònnếuchất
lỏng nhớt thì tích phân bên vế phải là tổng của lực cản sóng và hình dáng.
Khi thử mô hình tàu ta nhận đ ợc:






k1CCC
FoW
(3.2.1)

Để xác địnhlựccảnsóngtheovếtthuỷđộnghọctacóthể sử dụngcôngthức
(1.5.5)
Lựccảnsóngcũngcóthể xác định đ ợcngaykhi đã xáclập đ ợc mối quan hệ của
nó với năng l ợng sóng. Năng l ợng đó tỉ lệ thuậnvới bình ph ơng biên độ của sóng.
TrongvùngcủacácsốFrbấtlợing ờitaquansát đ ợchiện t ợngtăng t ơng đối
của biên độ các sóng ngang.
Hệ số lựccảnsóngcómộtdãycựcđạivàcựctiểu.NgoàirakhiFr 0vàFr
thì R
W
0.
Trênhình3.5môtả C
W
=f(Fr)củacácSêrimôhìnhtàuvậntảicóhệsốbéothể
tích khác nhau, ta nhận thấy các cực đại và cực tiểu theo dạng gồ và trũng.
Hình 3.5. Hệ số lực cản sóng theo công thức (3.2.1).
a. cho các mô hình Sêri"60"
b. cho tàu cao tốc
Trênnhữngtàucóhìnhdángbìnhth ờngthì cácgồtrên đ ờngcong(cáccựcđại)
ứngvới Fr bằng 0,22; 0,25; 0,30 và 0,50.
Các tàu vận tải không đạt tới trị số Fr 0,5.
Trênnhữngtàubéomũitàuthì trongvùngFr=0,16 0,18lựccảnsónggầnbằng
không nên lực cản phá sóng mũi sẽ đóng vai trò đáng kể.
Lựccảnsóngphụ thuộcvàosốFr,nênởnhữngsốFrkhácnhauthì C
W
, C
WB
của
mô hìnhvàtàuthực đồngdạnghìnhhọcvàsẽbằngnhau.Nh vậyhình ảnhcủacác
sóng phát sinh đồng dạng hình học. Do đó:

HM
H
WBW
M
WBW
FrFrKhi
CCCC
(3.2.2)
47
Lúc đó:
kv
L
L
vv
H
H
M
HM

(3.2.3)
Nếusửdụngcôngthức R
x

=(C
V
+ C
W
)v
2
/2vàkếthợpvới(3.2.2) để tínhlực
cảnsóngthì tỉ số củalựccảnsóngcủacácvậtđồngdạnghìnhhọckhicácsốFrbằng
nhau có thể viết:
3
H
M
H
2
HHWH
M
2
MMWM
WH
WM
k
vC
vC
R
R

(3.2.4)
Vì k
3
= V
M
/V
H
;D = gV nên:
R
WM
/D
M
= R
WH
/D
H
(3.2.5)
Nghĩa là lực cản sóng đơn vị của mô hình và tàu thực bằng nhau khi Fr
M
= Fr
H
.
Lựccảnsóngcủatàuchủ yếuphụ thuộcvàosốFrvàhìnhdángthântàu, R
W
0
khiFrbéhoặclớn.ViệcgiảmsốFrkhôngphảilàgiảmlựccảnsóngtheo h ớngtích
cực,tuynhiênnhiềutr ờnghợpkhigiảmsốFrcóthểđạt u thế về lực cản sóng và đ a
chuyển động vàovùng tốc độ có lợi (H3.5).
-Việcthay đổisốFrtheo h ớngcólợikhigiữ nguyêntốcđộ chuyển độngbằng

cách thay đổi chiều dài tàu.
-Việcgiảm độtngộthoặctriệttiêuhoàntoànlựccảnsóngkhi đ achuyển động
vàosốFr>1,0,cácchếđộ nàylàchếđộ nổitĩnhbằngchếđộ l ớt(nổi động),haynói
cách khác là vùng tàu cánh ngầm hoặc tàu đệm khí.
-Dùng tàu ngầm:
VớisốFr đã cho để giảmlựccảnsóngbằngcáchchọnhợplýcáckíchth ớcvàhệ
số béo thân tàu. TăngL/Bvà =
3
V .
Để giảm lực cản sóng ta dùng thiết bị giao thoa nh mũi quả lê, cánh,
Nếuchọnkíchth ớcvàvịtrí hợplýcủamũiquả lê thì hệ sóngdobảnthânmũi
quả lê sinh ra sẽ giao thoa có lợi với thân chính của tàu làm giảm lực cản sóng.
Hình 3.6. Sơ đồ của các thiết bị giao thoa.
a. mũi quả lê
b. cánh mũi
c.gót mạn
Hình 3.7 giới thiệu lực cản d đơn vị của tàu có hoặc không có thiết bị giao thoa.
48
Hình 3.7. Lực cản d đơn vị của tàu.
1. không có mũi quả lê
2. có mũi quả lê
3. có cánh mũi
49
Ch ơng4
Lựccảnkhitàuchuyển độngtrong n ớccạn
vàkênh đào
Sự thay đổilựccảncủatàunộiđịakhichạytrong n ớccạnsẽđánhgiá đ ợc ảnh
h ởng của chiều sâu luồng lạch tới lực cản.
nh h ởngdosựhạnchế củachiềusâuluồnglạch đ ợc đặctr ngbằngtỉsốH/T
hoặcH/L(trong đó Hlàchiềusâuluồnglạch).Cácchuẩn đồngdạngcóliênquan đến

chiềusâuhạnchế là số Fr
H
=v/ gH là thôngsốmàkhitàuchuyển độngtrong n ớc
cạn phụ thuộc vào nó.
Chiềusâuluồnglạchcóảnh h ởngtớilựccảnnhớtvàlựccảnsónghìnhthànhlớp
biêndọcđáysônglàmtănglựccảnmasát, đồngthờilựccảnhìnhdángcũngtăng
thêm.
ĐặcbiệtkhiH/T=2,0 1,5lựccảnnhớttănglênrõrệt,kếtquả nàyrútratừviệc
thử mô hình tàu cỡ lớn trong bể thử (Xem H4.1)
Hình 4.1. Lực cản nhớt phụ thuộc vào chiều sâu luồng lạch.
Dochiềusâuhạnchế nênlựccảnsóngcũngthay đổi đángkể.Vớivậntốctruyền
sóngtiếnnh nhau,thì chiềudàicủacácsóngtiếntrên n ớc cạn lớn hơn trên n ớc sâu,
nên lực cản sóng n ớc cạn lớn hơn n ớc sâu.
Khi tỉ số H/ bé thì vận tốc truyền sóng tới hạn đ ợc kí hiệu là v
th
.
gHv
th
; ứng với Fr
H
= 1
Nếu gHv
th
gọi là vận tốc tr ớc tới hạn
Nếu gHv
th
gọi là vận tốc sau tới hạn.
*Khi gHv
th
Fr

H
<1,0thì chiềudàisóng chỗ n ớcnônglớnhơnchỗ
n ớc sâu, làm quạt sóng mở rộng (Xem H4.2.a)
Bêntráimặtphẳng đốixứnglàsơđồ sóngbảnthân ở chỗ n ớc sâu H = , còn bên
phảilàởchỗ n ớccạnkhicùngvậntốcv,làmtăngdiệntíchmặtthoángmàsóngbao
phủ, dẫn tới làm tăng vận tốc cảm ứng tăng chiều cao sóng nên lực cản sóng tăng thêm.
50
Hình 4.2. Sơ đồ sóng bản thân khi tàu chuyển động trong vùng n ớc cạn.
*Khi gHv
th
Fr
H
1.
Gócgiữa s ờnsóngngangchéothuộcnhómmũivànhóm đuôitạovớimặtphẳng
đốixứngcủatàumộtgócgần90
o
và cả haihệsóngvềcơbảndồnthànhhaisóng
ngang (Xem H4.2.b).
KhiH/Tbésóngmũicóbiên độđángkểlàmtăng độtngộtlựccảnsóng,cácsóng
ngangnày đ ợcxếpvàoloại đơn,cácsóng đơnchỉ sinhramộtlầnkhôngphảitiêutốn
năng l ợng để duytrì nó và sóngnàycóthể lantruyềnvềphíatr ớctàu.KhiH<L/2
thì thấysóngnàyxuấthiệnrõnhất,tuynhiênsựthay đổicủalựccảnsóngvẫnthấyrõ
ngay cả khi H > L/2 nhất là trong khu vực 0,4 < Fr < 0,6.
*Khi gHv
th
Fr
H
> 1,0
Vậntốctàucaohơnvậntốctớihạn,lúcnàycácsóngngangbiếnmất,màchỉ còn
lạicácsóngchéo.Vậntốctruyềnsóngchéovuônggócvới s ờncủanó(s ờncủasóng

chéo tạo với mặt phẳng đối xứng góc
B
). (Xem H4.2.c)
vcos(90
o
-
B
) gH
(4.1.1)
nghĩa là sin
B
1/Fr
H
(4.1.2)
Khichuyển độngsaugiớihạnquạtsóngchỉ chứacácsóngchéovàchiềurộng
quạtgiảmdầnkhivậntốctănglênvớiFr
H
>3nórấthẹpsovớidải n ớcsâu.Việcbiên
mấtcácsóngngangvàvùngsóngbaophủ thuhẹpvàosátthànhtàudẫnđếnviệcgiảm
lực cản sóng, lực cản đó nhỏ hơn so với chỗ n ớc sâu.
nh h ởng của chiều sâu hạn chế đến lực cản (Xem H4.3)
Hình 4.3. Lực cản d phụ thuộc chiều sâu luồng lạch.
51
NếuH/T=31hệsốlựccản d củatàu C
R
trongvùng n ớccạn t ơngtựnh vùng
n ớc sâu vô hạn.
Songsongvớilựccản, t thế củatàukhichuyển độngtrong n ớccạncũngbịthay
đổi đángkể.Trênhình4.4môtảcác đ ờngcongnóilênsựthay đổigócchúi
o

và
chiều chìm t ơng đối T
tb
/T
Hình 4.4. Sự thay đổi góc chúi và chiều chìm t ơng đối
cho tàu sông cao tốc chạy trong n ớc cạn.
Sự thay đổi đó sẽđángkểkhitàuchạygầnvùngvận tốc giới hạn, nghĩa là khi hình
thành sóng đơn có Fr 1.
Hiện t ợngnàynguyhiểmdotàuvavàođáysôngquacácbãibồi.Sauvậntốctới
hạn thì góc chúi giảm dần.
Kênh đào có thể chia thành:
-Kênh n ớc sâu
-Kênh n ớc cạn.
Khitàuchạytrongkênh đàocóchiềusâuvôhạn,nó t ơngtựnh chạytrongvịnh
hẹpnh ngsâu(fiord).Trongtr ờnghợpnàychỉ xét ảnh h ởngcủasựhạnchế của
chiềurộngcủavùng n ớcsâutớilựccản.Cácthànhkênhhẹplàmphảnxạcácsóng
chéovàhắtcácsóng đó lênthântàu,do đó làmxuấthiệnsựgiaothoacủacáchệsóng,
gây ảnh h ởng tới lực cản sóng.
Trongcáckênhrộngcácsóngphảnxạkhôngtruyềntớithântàunh ngdùsaocác
vậntốccảm nứgbổsungbởicácthànhkênhvẫnlàm*phânbốlạiápsuấtsóngnên
vẫn làm thay đổi lực cản sóng.
Trênhình4.5trìnhbàycáchệsốlựccảnsóngcủacácmôhìnhchuyển độngtrong
kênh n ớc sâu hứng hẹp ở 0, 35 < Fr < 0,55
Hình 4.5. Hệ số C
W
phụ thuộc Fr và b/B.
52
Ngoàitỉsốb/B,H/Tcòncóthôngsốbổxungkhichạytrongkênhcạnlà
K
F

,
trong đó


, F
K
t ơng ứng là diện tích s ờn giữa và diện tích mặt cắt kênh.
Cáchiện t ợngxảyratrongkênhcạn t ơngtựnh trong n ớccạn nh ng còn thêm
mộtloạtcáctínhchấtbổxung đó là xuấthiệntrongvùngtàunằmvàmộtkhoảngtr ớc
tàu dòng chất lỏng có vận tốc v.
Khivậntốctàulớnhơn v
1
(v
1
là vậntốctớihạnthứ nhất)thì vậntốcv h ớngvề
phíang ợcchiềuvớichiềuchuyển độngcủatàu,nghĩalàxuấthiệndòng n ớcng ợc
làm tăng thêm vận tốc trung bình của dòng bao.
Khivậntốctàulớnhơn v
2
(v
2
là vậntốctớihạnthứ hai)xuấthiệndòng n ớcbổ
xungvớivậntốc(-v) h ớngtheochiềuchuyểndộngcủatàutạonêndòngtheonhỏ
hơnvậntốc t ơng đốicủadòngbaotàu.Vùngvậntốc v
1
<v< v
2
gọilàvùngvậntốc

tớihạn,dòngbaotàutrongvùngnàykhông ổn địnhvàcótínhchấtphứctạp,sựxuất
hiệndòng n ớcbổxunglàmthay đổilựccảnnhớtcủatàuvà t thế tàu,chínhlàsự
thay đổi chiều chìm và góc chúi.
Hình 4.6. Lực cản mô hình tàu khi H/T =4.
1. Trong n ớc sâu
2. trong n ớc cạn
3. trong kênh đào
Khiv < v
1
mực n ớc bị hạ thấp do dòng ng ợc.
Khiv < v
2
mực n ớc dâng cao.
Vận tốc v phụ thuộc
K
F


, hình dáng thân tàu, hình dáng mặt cắt kênh.
TrongvùnggầngiớihạnlựccảntăngthêmlàdolựccảnnhớttăngcònkhiFr
H
>
0,5 do lực cản sóng tăng.
Khivậntốcgần v
1
phảihạnchế vậntốctàuchạytrongkênhvàth ờnglấyv<
0,55 gH .
Saukhi v ợtqua v
1
lựccảnvẫntiếptụctăngnh ngkhôngmạnh,tàubắtđầunổi

lêntừtừsovới t thế tĩnh.Quá trình đó kếtthúctrongvùngthuộcvậntốctớihạnthứ
hai, sóng gối đơn phát triển nơi mà lực cản đạt cực đại.
Khi v ợtqua v
2
gối n ớcmũitàuvàsóng đơnbiếnmấtvàquanhtàuchỉ cònlại
sóng chéo, vớivận tốc v
3
nào đó lực cản sẽ có giá trị nhỏ nhất.
Trongvùng v
2
và v
3
hình ảnhdòngbaotàuvà t thế tàukhông ổn định.Khiv> v
2
chiềucaosóngkhônglớn, độ chúitừtừgiảm,giảithíchhiện t ợngnàylàdocácsóng
ngang biến mất.
Trị số v
1
, v
2
và v
3
phụ thuộc vào
K
F


, H/T, hình dáng mặt cắt kênh.
53
Dùngkênhthí nghiệmcómặtcắtnganghìnhthang,lòngváthìnhchảovới

K
F


khácnhau,vậntốctàugầntớihạnthì kếtquả chorằngkênhhìnhchữ nhậtcho
lực cản nhỏ hơn kênh hình thang khoảng 20 40%.
Trongvùnggầnvậntốctớihạntàusẽchúi đuôi,lựcápsuấttácdụnglênđáytàu
theo h ớng chuyển động lực này là R
P
, gần đúng đ ợc tính R
P
= D.
Khitàukhôngnằmtrongmặtphẳng đốixứngcủakênhmàgầnmộtthànhkênhthì
hình ảnhdòngbaotàuvàsóngbảnthânkhông đốixứng,hiện t ợng đó sẽ làmtănglực
cảntrongvùnggầntớihạn, đồngthờiphátsinhlựcngang,lựcđó sẽáptàuvàothành
kênh gần nhất, và trong vùng sau tới hạn sẽ đẩy tàu xa thành kênh đó.
Tagiả thiếtrằng đangxétdòngbaotàuđứngyêntrongkênhvớimặtcắtngangcố
định, chất lỏng đ ợc coi là không nhớt, dòng chảy trong mặt cắt là không đổi.
Saukhiviếtph ơngtrìnhBécnulichocácđiểmnằmtrênmặtthoángxatr ớcthân
tàuvà trong mặt cắt s ờn giữa các tàu (Xem H4.7)
Hình 4.7. Sơ đồ dòng bao tàu trong kênh.
gH + v
2
/2 = gH
1
+ v
c
2
/2
(4.3.1)

Trong đó:
H
1
= H H có xét đến l ợng biến thiên mặt n ớc.
v
c
- vận tốc tại s ờn giữa.
Ph ơngtrình l u l ợngchấtlỏngquamặtcắtkênhnằmxatr ớcthântàuvàmặt
cắt tại s ờn giữa với chiều rộng kênh không đổi:
vF
K
= v
c
( F
K
-

-bH)
(4.3.2)
Dựavào (4.3.1) ta tìm đ ợc l ợng biến thiên mặt n ớc trong vùng tàu nằm:
H = (v
c
2
- v
2
)/2g
(4.3.3)
Thayvào(4.3.2)tacóph ơngtrìnhbậcba để tínhvậntốcdòngchảytrongmặtcắt
bị bó hẹp v
c

:
v
c
3
- v
c
[v
2
+ 2g(F
K
-

)/b] + 2gvF
K
/b = 0
(4.3.4)
Phântíchph ơngtrìnhnàychothấytuỳ theotrị số củaFr
H
=v/ b/gF
K
trong đó
F
K
/b = H
tb
khi

/F
K
cố định.