Nghiên cứu và tính toán lực cản tàu thủy

Ngành: TK máy & TB thủy khí

Luận văn thạc sỹ

TRANG PHỤ BÌA
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

Nguyễn Đức Hải

NGHIÊN CỨU VÀ TÍNH TOÁN LỰC CẢN TÀU THỦY

Chuyên ngành :

Kỹ thuật máy và thiết bị thủy khí

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Kỹ thuật máy và thiết bị thủy khí

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS-TS: Lê Quang

Hà Nội – Năm 2011

Học viên: Nguyễn Đức Hải

-1-

Lớp: MTK 2009

Ngành: TK máy & TB thủy khí

Luận văn thạc sỹ

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan rằng luận văn này là công trình nghiên cứu của riêng tôi, kết quả
nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm chỉ ra trong luận văn là thật và chưa được ai
tính toán và công bố trong bất kỳ tài liệu nào.
Tôi cam đoan rằng tất cả các tham khảo và trích dẫn trong luận văn đã được chỉ
rõ nguồn gốc.
Người thực hiện

Nguyễn Đức Hải

Học viên: Nguyễn Đức Hải

-2-

Lớp: MTK 2009


Ngành: TK máy & TB thủy khí

Luận văn thạc sỹ

LỜI CẢM ƠN
Qua khóa học thạc sĩ tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội tổ chức, cùng
với sự nhiệt tình truyền giảng dạy của các thầy cô giáo giảng viên của Viện Cơ khí
động lực, tôi đã học được nhiều kiến thức sâu hơn về kỹ thuật thủy khí và tàu thủy.

Kiến thức này đã giúp cho tôi củng cố lại các kiến thức cơ bản, tiếp thu những kiến
thức mới và đặc biệt có khả năng tự nghiên cứu sâu hơn nữa, đó trước hết là cơ sở
vững chắc giúp tôi hoàn thành bản luận văn này và là điểm tựa để tôi phát triển cao
hơn nữa.
Luận văn này được làm tai trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, lời đầu tiên
tôi xin gửi lời cảm ơn tới thầy PGS.TS Lê Quang, người đã giúp đỡ tôi rất nhiều
trong quá trình nghiên cứu, định hướng và đôn đốc tôi trong suốt thời gian thực hiện
luận văn này.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn sự giúp đỡ của thầy PGS.TS Trương Sỹ CápTrường cao đẳng Bách Nghệ Hải Phòng, cùng tập thể thầy cô giáo thuộc bộ môn
thủy khí và tàu thủy – Đại học Bách Khoa Hà Nội và các thầy cô giáo thuộc tổ môn
lý thuyết thiết kế- khoa Đóng tàu trường Đại học Hàng Hải Việt Nam, đã cung cấp
và giới thiệu các tài liệu nghiên cứu để tôi có thể hoàn thành luận văn này.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn ban lãnh đạo Viện khoa học tàu thủy- trung
tâm nghiên cứu thử nghiệm và kiểm định tàu thủy, đã cung cấp các bản tham khảo,
các phương pháp tính và các quy định giúp tôi hiểu sâu thêm về thử nghiệm sức cản
tàu thủy.
Cuối cùng tôi cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã khích lệ giúp đỡ, tạo
điều kiện giúp tôi hoàn thành luận văn này.
Người thực hiện

Nguyễn Đức Hải

Học viên: Nguyễn Đức Hải

-3-

Lớp: MTK 2009


Ngành: TK máy & TB thủy khí

Luận văn thạc sỹ

MỤC LỤC
TRANG PHỤ BÌA ................................................................................................. - 1 LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................. - 2 LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ - 3 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................ - 6 DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................... - 8 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ............................................................................... - 8 MỞ ĐẦU.............................................................................................................. - 10 1. Lý do chọn đề tài: ................................................................................................... - 10 2. Mục đích của đề tài:................................................................................................ - 12 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài ............................................................. - 12 5. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài ...................................................... - 13 -

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...................................................................... - 14 1.1. Sức cản vỏ tàu ....................................................................................................... - 14 1.1.1. Khái niệm chung về sức cản ........................................................................... - 14 1.1.2. Các thành phần sức cản ................................................................................ - 22 1.1.2.1. Lực cản nhớt .......................................................................................... - 22 1.1.2.2. Sức cản sinh sóng. ................................................................................. - 23 1.2. Các yếu tố ảnh hưởng tới sức cản vỏ tàu ............................................................. - 25 1.2.1. Ảnh hưởng của các kích thước cơ bản.......................................................... - 25 1.2.1.1. Ảnh hưởng của chiều dài L tới sức cản ................................................. - 25 1.2.1.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ L/B đến hệ số sức cản tàu ..................................... - 25 1.2.1.3. Ảnh hưởng tỷ lệ B/T đối với sức cản..................................................... - 25 1.2.2. Ảnh hưởng của hệ số hình dáng đối với sức cản. ......................................... - 26 1.2.2.1. Ảnh hưởng của hệ số lăng trụ ϕ đối với sức cản ................................... - 26 1.2.2.2. Ảnh hưởng của hệ số béo thể tích đối với sức cản ................................ - 26 1.2.2.3. Ảnh hưởng của đường hình dáng tới sức cản ........................................ - 26 1.3. Lý thuyết gần đúng tính toán sức cản .................................................................. - 27 1.4. Phương pháp xác định sức cản nhờ thử nghiệm mô hình tàu .............................. - 31 -

Học viên: Nguyễn Đức Hải

-4-

Lớp: MTK 2009


Ngành: TK máy & TB thủy khí

Luận văn thạc sỹ

Chương II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ ỨNG DỤNG CỦA PHẦN MỀM FLUEN- 34
2.1. Khái niệm về phương pháp CFD ......................................................................... - 34 2.2. Ứng dụng của phương pháp CFD........................................................................ - 34 2.3. Giới thiệu về phần mềm Fluent ........................................................................... - 35 2.3.1. Cấu trúc của bộ phần mềm Fluent ................................................................ - 36 2.3.2. Khả năng của phần mềm............................................................................... - 37 2.3.3. Các bước giải một bài toán trên Fluent......................................................... - 38 2.3.4. Thiết lập một bài toán trên Fluent................................................................. - 40 2.3.4.1. Tổng quan .............................................................................................. - 40 2.3.4.2. Phương pháp giải ................................................................................... - 40 2.3.4.3. Các mô hình rối...................................................................................... - 41 2.5. Phương pháp tiếp cận và cách tính toán của phần mềm fluent............................ - 49 -

CHƯƠNG III: MÔ HÌNH HÓA TÍNH TOÁN SỨC CẢN................................. - 51 3.1. Chia lưới thân tàu và mô hình hóa điều kiện biên ............................................... - 51 3.2. Kết quả tính toán đối với tàu Sao Đỏ................................................................... - 54 -

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................. - 74 1. Kết luận :................................................................................................................. - 74 2. Kiến nghị: ............................................................................................................... - 74 -

TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................. - 76 PHỤ LỤC:............................................................................................................ - 77 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG THỨC TÍNH SỨC CẢN ..................... - 77 -

Học viên: Nguyễn Đức Hải

-5-

Lớp: MTK 2009


Ngành: TK máy & TB thủy khí

Luận văn thạc sỹ

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
- o1x1y1z1: Hệ trục tọa độ di động gắn liền với tàu.
- oxyz: Hệ trục tọa độ khảo sát của tàu.
- RF: Lực cản ma sát
- RP: Lực cản áp lực.
- Rv : Lực cản nhớt
- Rw : Lực cản sóng
- Rkk : Lực cản không khí.
- RVP : Lực cản hình dáng
- Ri : Lực cản cảm ứng.
- Rc- Lực cản xâm thực
- RS - Lực cản toé nước
- RVP - Lực cản hình dáng
- RWB - Lực cản phá sóng mũi
- γ: Góc giữa mặt phẳng dọc tâm tàu với sóng sinh ra.
uur

- Pn : Lực thủy động tác động lên vỏ tàu.
- U: Tốc độ tịnh tiến của tàu.
- Φ : Hàm thế vận tốc.
- ϕ0 : Dòng cơ bản

- ϕ D : Dòng rối.
r uur

- G ( x; ζ ) =

1
r ur : Công thức Green cho hàm thế vận tốc.
2π x − ζ

uur

- ζ T (t ) = (ζ 1 , ζ 2 , ζ 3 ) : Mô tả chuyển động tịnh tiến của thân tàu
uur

- ζ R (t ) = (ζ 4,ζ 5ζ 6 ) : Mô tả chuyển động xoay của thân tàu
- Gk: Hằng số thể hiện sự phụ thuộc của sự hình thành năng lượng rối động học vào
sự biến thiên của vận tốc trung bình.

Học viên: Nguyễn Đức Hải

-6-

Lớp: MTK 2009


Ngành: TK máy & TB thủy khí

Luận văn thạc sỹ

- Prt: hằng số Prantl

- Gi: thành phần gia tốc trọng trường theo phương i

k2

- µ t = ρCµ ε : Hệ có nhớt rối.
- Fr =

U∞
: Số Froude
gL

- Cp: Hệ số áp suất
- CD: Hệ số lực cản.

Học viên: Nguyễn Đức Hải

-7-

Lớp: MTK 2009


Ngành: TK máy & TB thủy khí

Luận văn thạc sỹ

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 4.1. Hình dáng và cách thể hiện sức cản theo hệ thống sêri…………… Error!
Bookmark not defined.
Bảng 4.2. giới hạn của phương pháp holtrop-mennen……………………….. Error!
Bookmark not defined.

Bảng 4.3. Hệ số ảnh hưởng của tuyến hình……………………………………
Error! Bookmark not defined.
Bảng 4.4. Hệ số ảnh hưởng do phần nhô……………………………………....
Error! Bookmark not defined.

Học viên: Nguyễn Đức Hải

-8-

Lớp: MTK 2009


Ngành: TK máy & TB thủy khí

Luận văn thạc sỹ

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1.1. Hệ tọa độ khảo sát chuyển động của tàu..........................................
Error! Bookmark not defined.
Hình 1.1.2: Hướng gió và hệ số lực cản không khí của tàu.........................
Error! Bookmark not defined.
Hình 1.1.3: Sơ đồ luồng chảy bao quanh tàu…………………………………..
Error! Bookmark not defined.
Hình 1.1.4. Sức cản sinh sóng………………………………………………….
Error! Bookmark not defined.
Hình 1.3.1: Hệ tọa độ gắn liền với tàu
…………………………………………Error! Bookmark not defined.
Hình 3.1.1: Giới hạn miền không gian tính toán của tàu………………………
Error! Bookmark not defined.
Hình 3.1.2: Tuyến hình tàu Sao Đỏ……………………………………………

Error! Bookmark not defined.
Hình 3.1.3: Hình ảnh 3D tàu Sao Đỏ…………………………………………..
Error! Bookmark not defined.
Hình 3.1.4: Chia lưới bề mặt vỏ tàu Sao đỏ……………………………………
Error! Bookmark not defined.
Chia lưới đối với tàu đa năng ứng phó sự cố tràn dầu…………………………
Error! Bookmark not defined.
Hình 3.2.1: Véc tơ vận tốc do áp suất tổng
……………………………………Error! Bookmark not defined.
Hình 3.2.2: Véc tơ vận tốc do áp suất động……………………………………
Error! Bookmark not defined.

Học viên: Nguyễn Đức Hải

-9-

Lớp: MTK 2009


Ngành: TK máy & TB thủy khí

Luận văn thạc sỹ

Hình 3.2.3. Phân bố hệ số áp suất tác dụng lên vỏ tàu………………………...
Error! Bookmark not defined.
Hình 3.2.4. Phân bố áp suất động tác dụng lên vỏ tàu………………………..
Error! Bookmark not defined.
Hình 3.2.5: Áp lực tổng cộng tác dụng lên bề mặt vỏ tàu……………………..
Error! Bookmark not defined.
Hình 3.2.6: Hình ảnh mô phỏng sóng với Fr = 0,76

……………………..……Error! Bookmark not defined.
Hình 3.2.7: Hình ảnh mô phỏng sóng với Fr = 1,52………………………..…
Error! Bookmark not defined.
Hình 3.2.8. Hình ảnh áp suất tổng tác dụng lên vỏ tàu. ………………………Error!
Bookmark not defined.
Hình 3.2.9. Biểu đồ hội tụ của hệ số lực cản Cd với số vòng lặp 90 vòng
…….Error! Bookmark not defined.
Hình 3.2.10. Hình ảnh đường dòng tại khu vực mũi tàu
………………………Error! Bookmark not defined.
Hình 3.2.11. Hình ảnh đường dòng tại khu vực vùng thân và đuôi tàu………..
Error! Bookmark not defined.
Hình 3.2.12. Hình ảnh dòng chảy bao quanh thân tàu của mô hình tàu thử nghiệm
tại bể thử quốc gia……………………………………………………………...
Error! Bookmark not defined.
Hình 3.2.13. Hình ảnh sóng do tàu sinh khi mô phỏng tàu bằng phần mêm với V=
1,8m/s
………………………………………………………………………….Error!
Bookmark not defined.
Hình 3.2.14. Hình ảnh sóng do tàu sinh ra khi kéo thử tàu tại bể thử với tốc độ
1,8m/s…………………………………………………………………………..
Error! Bookmark not defined.

Học viên: Nguyễn Đức Hải

- 10 -

Lớp: MTK 2009


Ngành: TK máy & TB thủy khí

Luận văn thạc sỹ

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài:
Nước ta có một vùng biển đặc quyền kinh tế rộng trên một triệu km2, gấp ba
lần diện tích đất liền; có bờ biển dài 3.260 km. Từ bao đời nay, vùng biển, ven biển
và hải đảo của đất nước đã gắn bó chặt chẽ với mọi hoạt động sản xuất và đời sống
của dân tộc Việt Nam [14].
Những năm gần đây, Đảng và Nhà nước đã có nhiều nghị quyết, chính sách về
biển và các lĩnh vực liên quan đến biển. Có ý nghĩa quan trọng nhất đối với các hoạt
động kinh tế biển phải kể đến Chỉ thị số 20-CT/TW, ngày 22-9-1997 của Bộ Chính
trị về đẩy mạnh phát triển kinh tế biển theo hướng công nghiệp hóa, hiện đại hóa,
phấn đấu xây dựng Việt Nam trở thành một nước mạnh về biển, phát triển kinh tế xã hội vùng biển, hải đảo phải gắn kết với yêu cầu bảo vệ đất nước trong xu thế hội
nhập kinh tế với khu vực và thế giới.
Từ các quan điểm chỉ đạo trên, Hội nghị lần thứ Tư Ban Chấp hành Trung
ương Đảng khóa X đã thông qua Nghị quyết về Chiến lược biển Việt Nam đến năm
2020 (Nghị quyết 09-NQ/TW ngày 9-2-2007) trong đó nhấn mạnh mục tiêu tổng
quát " đến năm 2020 phấn đấu đưa nước ta trở thành quốc gia mạnh về biển, làm
giàu từ biển ". Ngày 15/5/2006 Thủ tướng Chính phủ đã ký quyết định số 103/QĐTTg về việc hình thành Tập đoàn kinh tế Vinashin trong đó có ghi rõ " Vinashin là
tập đoàn kinh tế trong đó sở hữu nhà nước là chi phối, bao gồm các doanh nghiệp
100% vốn nhà nước có trình độ công nghệ, quản lý hiện đại và chuyên môn hóa
cao; kinh doanh đa ngành, trong đó ngành công nghiệp đóng mới, sửa chữa tầu
thủy và vận tải biển là ngành kinh doanh chính; gắn kết chặt chẽ giữa sản xuất ,
kinh doanh với khoa học, công nghệ, nghiên cứu triển khai, đào tạo; làm nòng cốt
để ngành công nghiệp tầu thuỷ Việt Nam phát triển nhanh và bền vững, cạnh tranh
và hội nhập kinh tế quốc tế có hiệu quả …" . Đây thực sự là một bước đột phá về
mặt chủ trương, chính sách, là một điều kiện vô cùng thuận lợi khẳng định Vinashin
phải trở thành nòng cốt cho ngành công nghiệp đóng tàu phát triển nhằm đạt mục
tiêu trở thành cường quốc thứ 4 thế giới về đóng tàu vào năm 2015.

Học viên: Nguyễn Đức Hải

- 11 -

Lớp: MTK 2009


Ngành: TK máy & TB thủy khí

Luận văn thạc sỹ

Là ngành công nghiệp mới phát triển nhưng với sự chỉ đạo sát sao của Đảng,
Chính phủ, Nhà nước cũng như Bộ Giao thông vận tải, Tổng công ty CNTT Việt
Nam Vinashin (hiện nay là Tập đoàn kinh tế Vinashin) đã tiến những bước dài và
quan trọng, duy trì mức tăng trưởng bình quân 30-35%/ năm. Năm năm đầu thế kỷ
XXI, Viện KHCN Tàu thủy Việt Nam đã có bước tiến nhảy vọt với việc thiết kế ra
những con tàu lớn đạt kỹ thuật cao như tàu hàng 54.000 DWT, kho nổi 104.000
DWT, tàu chở dầu siêu trong 105.000 DWT, và nhiều tàu khác, tàu nghiên cứu
biển…với chất lượng cao đã được các tổ chức Đăng kiểm quốc tế như tổ chức Đăng
kiểm Pháp BV, Đăng kiểm Nhật NK…phê duyệt [14].
Với sự phát triển không ngừng của ngành kinh tế vận tải sông biển, thì việc
nghiên cứu thủy động lực học tàu thủy và cải tiến các loại thiết bị đẩy tàu đóng một
vai trò hết sức quan trọng. Bởi lẽ chúng có liên quan trực tiếp đến các chỉ tiêu kinh
tế và khai thác của mỗi con tàu cụ thể. Hiện nay người ta thường sử dụng các mô
hình tàu để xác định các hệ số thủy động lực học cho tàu thực sử dụng các phương
pháp thí nghiệm bằng bể kéo hoặc bể thử nghiệm mô hình.
Để xác định công suất máy phù hợp theo yêu cầu của tốc độ tàu, chúng ta phải
biết sức cản khi tàu chạy. Nói chung sức cản của nước là thành phần sức cản chủ
yếu. Sức cản này phụ thuộc vào trị số hình dáng và tốc độ của tàu.

Mặc dù đã bỏ nhiều công nghiên cứu, nhưng đến nay vấn đề sức cản của nước
vẫn chưa giải thích một cách rõ ràng và chặt chẽ, vì quá trình diễn biến của hiện
tượng quá phức tạp. Đã có những công thức kinh nghiệm dựa trên hàng loạt lần thử
và khảo sát cho phép xác định sức cản này nhưng độ chính xác chưa cao. Vì vậy
hiện nay, khi xác định sức cản thường có sự so sánh giữa những tàu đã đóng với
những mô hình thân tàu thí nghiệm được kéo trong các bể thử.
Trên cơ sở những thí nghiệm này, không chỉ xác định sức cản thân tàu với độ
chính xác lớn hơn mà còn có thể hiệu chỉnh hình dáng với cách nào đó để sức cản
này nhỏ nhất.
Xuất phát từ những lý do khách quan và chủ quan nêu trên, với mong muốn đóng
góp một phần trí tuệ của mình vào việc nghiên cứu, đưa ra các giải pháp nhằm nâng

Học viên: Nguyễn Đức Hải

- 12 -

Lớp: MTK 2009


Ngành: TK máy & TB thủy khí

Luận văn thạc sỹ

cao hiệu quả và độ chính xác trong quá trình thiết kế sơ bộ cũng như nâng cao hiệu quả
khai thác làm giảm sức cản nâng cao hiệu suất khai thác đối với các đội tàu hiện nay,
góp phần thúc đẩy sự phát triển của ngành CNTT, tác giả đã mạnh dạn lựa chọn đề tài
"Nghiên cứu và tính toán lực cản tàu thủy "
2. Mục đích của đề tài:
Trên cơ sở phân tích những hạn chế của vấn đề nghiên cứu sức cản tàu thủy ở
Việt Nam hiện nay và những ưu điểm trong quá trình thừa kế những công thức kinh

nghiệm trong các phương pháp tính toán sức cản, cũng như ứng dụng các phần mềm
tiên tiến vào tính toán thiết kế của những nước có nền công nghệp đóng tàu phát triển
trên thế giới. Tác giả đưa ra phương pháp nghiên cứu tính toán đánh giá sức cản của
tàu khi chuyển động để các trung tâm thiết kế nghiên cứu ứng dụng nhằm rút ngắn thời
gian tính toán sức cản và tính chọn công suất máy cho tàu khi thiết kế, đồng thời là tài
liệu nghiên, cứu giảng dạy trong nhà trường giúp cho sinh viên cơ sở tính toán và
nghiên cứu sức cản tàu thủy.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
- Tiến hành phân tích một cách chi tiết, chính xác hóa các hệ số sức cản và giải
bài toán xác định động lực học của nước tác dụng lên bề mặt vỏ tàu khi tàu di chuyển.
Là giá trị trung bình của thành phần lực dọc của các lực thủy động lực tích phân theo
diện tích mặt ướt của tàu.
- Đưa ra phương pháp tính chuyển từ tàu thực sang tàu mô hình phục vụ cho việc
nghiêm cứu kéo thử tàu tại bể thử tàu và thử nghiệm chế tạo tàu mô hình.
- Tính toán và so sánh kết quả tính toán với một số kết quả tính bằng phương
pháp truyền thống và với các số liệu thí nghiệm thu được thông qua thực nghiệm kéo
tàu tại bể thử và chạy tàu mô hình.

Học viên: Nguyễn Đức Hải

- 13 -

Lớp: MTK 2009


Ngành: TK máy & TB thủy khí

Luận văn thạc sỹ

4. Phương pháp nghiên cứu.

- Nghiên cứu lý thuyết.
Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết lực cản tàu thủy đưa ra phương pháp tính toán và
nghiên cứu lực cản đối với tàu khi chạy. Tính đúng đắn của quá trình được kiểm chứng
qua thực nghiệm và ứng dụng các phần mềm để tính toán sức cản khi tàu chạy.
- Nghiên cứu thực nghiệm.
Nghiên cứu thực nghiệm đo tốc độ tàu khi di chuyển đối với tàu mô hình. Phân
tích số liệu thực nghiệm của một số tàu đã tiến hành kéo thử tại bể thử tàu quốc giaViện khoa học tàu thủy Việt Nam.
5. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Đề ra phương pháp mới xác định lực cản của tàu và rút ngắn thời gian tính toán
sức cản.
Bổ sung vào tài liệu cho việc nghiên cứu lực cản tàu thủy đối với sinh viên ngành
kỹ thuật tàu thủy và công trình nổi.
Sử dụng kết quả nghiên cứu cho việc tính toán thiết kế tàu, thử nghiệm dòng theo
vào áp lực tác dụng lên vỏ tàu trong quá trình tàu hoạt động và áp dụng vào tính
chuyển và kéo thử tàu tại các bể thử nghiệm tàu thủy.

Học viên: Nguyễn Đức Hải

- 14 -

Lớp: MTK 2009


Ngành: TK máy & TB thủy khí

Luận văn thạc sỹ

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1. Sức cản vỏ tàu
1.1.1. Khái niệm chung về sức cản

Khi tàu chuyển động trong nước, thân tàu tiếp xúc với môi trường bao quanh nó
nghĩa là thân tàu chịu tác dụng của phản lực nước và không khí. Mặt ướt của vỏ tàu
tiếp xúc với mặt nước, phần trên mớn nước tiếp xúc với không khí và bề mặt này chịu
tác dụng của các lực ở môi trường gây ra. Các lực dòng trái chiều với chuyển động của
thân tàu gọi là lực cản tàu thủy [2].
Do tác dụng tương hỗ giữa tàu và chất lỏng, nên dọc theo mặt uớt Ω hệ lực
mặt xuất hiện và phân bố liên tục. Tại mỗi điểm trên Ω véctơ cường độ của lực mặt
là Pn

Hình 1.1.1. Hệ tọa độ khảo sát chuyển động của tàu
Hình chiếu của Pn lên phương pháp tuyến n của phân tố diện tích dΩ là áp lực
ur

thuỷ động P .
Còn hình chiếu của Pn lên phương của đường dòng đi qua dΩ là ứng suất tiếp
τo
Để nghiên cứu tính di động của tàu người ta gắn lên tàu trục toạ độ di động
x1y1z1, trong đó:
- Trục x1 hướng về phía mũi tàu
- Trục y1 hướng về phía mạn phải

Học viên: Nguyễn Đức Hải

- 15 -

Lớp: MTK 2009


Ngành: TK máy & TB thủy khí

Luận văn thạc sỹ

- Trục z1 hướng lên trên
Còn gốc toạ độ thay đổi vị trí trong không gian.
Ngoài ra người ta còn sử dụng hệ toạ độ xyz, trong đó:
- Trục x hướng theo vận tốc v của tàu
- Trục y hướng về phía mạn phải
- Trục z hướng lên trên
Hai hệ toạ độ x1y1z1 và xyz sẽ trùng nhau khi tàu không chuyển động. Còn khi
tàu chuyển động hai trục x1 và x tạo với nhau một góc ψ - gọi là góc chúi hành
trình.
Trong hệ toạ độ trên ta có:
(1.1.1)

Rx = Rx1cosψ + Rz1sinψ

Vì véctơ Pn được phân thành hai thành phần pháp tuyến p và tiếp tuyến τo nên

lực cản cũng có thể viết dưới dạng tổng hai thành phần (Xem hình 1.1.1)
Rx =

∫ [p cos(p, x ) + τ o cos(τ o , x )]dΩ

(1.1.2)

Ω

Công thức (1.1.2) phân chia lực cản thành hai thành phần:
- Lực cản ma sát:

R F = ∫ τ o cos(τ o , x )dΩ

(1.1.3)

Ω

Nguyên nhân xuất hiện lực cản ma sát RF là do ảnh hưởng độ nhớt của chất
lỏng gây ma sát vào vỏ tàu làm xuất hiện ứng suất tiếp τo
- Lực cản áp lực:
R p = ∫ p cos(p, x )dΩ

(1.1.4)

Ω

Dựa vào các hiện tượng vật lý thì nguyên nhân xuất hiện thành phần lực cản
áp lực có thể giải thích như sau [3]:

Học viên: Nguyễn Đức Hải

- 16 -

Lớp: MTK 2009


Ngành: TK máy & TB thủy khí

Luận văn thạc sỹ

Theo cơ học chất lỏng thì vật thể có kích thước hữu hạn chuyển động tịnh tiến

với vận tốc không đổi trên mặt tự do vô hạn của chất lỏng không nhớt thì vật thể đó
không chịu lực cản chuyển động (Theo định lý Ơle).
Vật thể khi chuyển động chỉ xuất hiện lực cản chỉ khi trường vận tốc ở phía
trước và phía sau vật thể là khác nhau.
Xét vật thể chuyển động ở gần hoặc ở mặt tự do của chất lỏng dưới tác dụng
của trọng lực thì vật thể sẽ tạo ra trên mặt tự do của chất lỏng một hệ thống sóng do
các phần tử chất lỏng tách ra từ vị trí cân bằng dẫn tới sự thay đổi của trường vận
tốc và áp suất dọc theo bề mặt vật thể. Hình chiếu của áp lực sóng lên phương
chuyển động gọi là lực cản sóng lên phương chuyển động gọi là lực cản sóng RW.
Công của vật thể sinh ra để thắng lực cản sóng được tiêu tốn cho sự tạo thành năng
lượng sóng.
Các tàu béo hoặc tàu chạy không tải người ta thấy các sóng ở phần nước mũi
tàu bị san gần phẳng kéo theo sự tạo thành các bọt. Quá trình đó đã làm tăng thêm
lực cản sóng và thành phần lực cản đó gọi là lực cản phá sóng mũi RWB.
Khi vật thể chuyển động ta thấy rõ nhất ở phần mũi tàu có các tia nước hắt ra
từ hai bên mạn. Các tia nước đó tạo thành phản lực, mà hình chiếu của phản lực đó
lên phương chuyển động gọi là lực cản toé nước RS. Loại lực cản này đặc trưng cho
các tàu chạy nhanh.
Theo lý thuyết cánh nếu vật thể có dạng hình cánh khi chuyển động có lưu số
vận tốc thì sẽ phát sinh lực nâng trên cánh. Sự làm việc của cánh có thể thay bằng
một hệ thống xoáy, hệ thống này sẽ tạo ra các xoáy tự do sau cánh. Hệ thống xoáy
gây ra vận tốc thẳng đứng làm lệch đường dòng nên áp lực thuỷ động xuất hiện trên
cánh, mà hình chiếu lên phương chuyển động gọi là lực cản cảm ứng Ri. Công để
thắng lực cảm ứng được tiêu tốn cho sự tạo thành năng lượng xoáy. Lực cản cảm
ứng xuất hiện trên các cánh của tàu ngầm và các phần nhô thân tàu.
Nếu vật thể chuyển động với vận tốc lớn thì trên bề mặt vật xuất hiện sự xâm
thực (Sự xâm thực là hiện tượng hình thành và phát triển trên bề mặt vật thể các bọt
chứa đầy không khí hoặc hơi nước bão hoà). Sự xâm thực đã làm cho trường vận

Học viên: Nguyễn Đức Hải

- 17 -

Lớp: MTK 2009


Ngành: TK máy & TB thủy khí

Luận văn thạc sỹ

tốc và áp suất dọc theo bề mặt vật thể thay đổi làm xuất hiện lực cản xâm thực Rc.
Công để thắng lực cản xâm thực được tiêu tốn cho sự duy trì các bọt khí hoặc hơi,
nghĩa là cho sự thay đổi trường vận tốc so với trường hợp chảy vòng liên tục.
Quá trình xuất hiện các thành phần lực cản RW, RWB, RS, Ri, Rc ít phụ thuộc
vào độ nhớt của chất lỏng, do vậy phương pháp tính toán lý thuyết có thể dựa vào
mô hình chất lỏng không nhớt.
Do ảnh hưởng của độ nhớt quy luật phân bố áp suất trên bề mặt vật thể thay
đổi so với trường hợp chảy vòng trong chất lỏng không nhớt. Độ nhớt làm hình
thành lớp biên dọc theo mặt vật thể và tạo nên dòng theo. Dòng theo là những vết
thuỷ động ở sau vật thể làm cấu trúc của trường vận tốc ở phía trước và sau vật thể
trong chất lỏng nhớt là khác nhau. Dòng theo ở sau vật thể là vùng chảy rối tạo
xoáy làm giảm áp suất ở vùng đuôi vật thể so với chất lỏng không nhớt và phát sinh
áp suất tổng hợp gọi là lực cản áp suất nhớt hoặc lực cản hình dáng RVP.
Vậy lực cản do ứng suất tiếp τo gây ra gọi là lực cản ma sát RF. Công để thắng
lực cản ma sát được tiêu tốn cho sự tạo thành lớp biên và dòng theo.
Lực cản hình dáng và ma sát xuất hiện do độ nhớt của chất lỏng và chúng tạo
thành lực cản nhớt RV = RVP + RF.
Từ các điều kể trên thì lực cản của nước đối với chuyển động của tàu có thể
viết dưới dạng tổng:
Rx = RF + RP = RF + RVP + RW + RWB + RS + Ri + Rc

(1.1.5)

Các thành phần lực cản trong công thức (1.1.5) không phải lúc nào cũng xuất
hiện đồng thời, có thể có trường hợp vài thành phần không có.
Cơ sở vật lý để phân chia lực cản ra các thành phần là điều rất cần thiết để xây
dựng các phương pháp lý thuyết, thực nghiệm và những nguyên tắc mô hình hoá,
đối với công nghệ số hóa CFD ngày nay ở một số nước đông âu và các nước có nền
công nghiệp đóng tàu phát triển các nhà khoa học đã và đang sử dụng các phần
mềm chuyên dụng để dự báo gần đúng các thành phần sức cản xuất hiện khi tàu
chuyển động, điều đó giảm rất nhiều thời gian, chi phí và công sức khi nghiên cứu

Học viên: Nguyễn Đức Hải

- 18 -

Lớp: MTK 2009


Ngành: TK máy & TB thủy khí

Luận văn thạc sỹ

về sức cản chuyển động của tàu thủy, đây là một vấn đề rất khó và vẫn còn mới ở
nước ta.
Do khối lượng riêng của nước và không khí là khác nhau, do vậy tổng lực cản
được chia thành lực cản của nước và lực cản không khí Rkk.
Vậy có hai nguyên nhân cơ bản để tạo nên lực cản đó là ảnh hưởng của độ
nhớt của chất lỏng và sự tạo sóng:
Rx = RV + RW + Rkk

Trong đó:

(1.1.6)

RV – Lực cản nhớt
Rw - Lực cản sóng
Rkk – Lực cản không khí

Sức cản nước có vai trò, ý nghĩa rất quan trọng và nó ảnh hưởng rất lớn đến
tốc độ cũng như tính năng khác của tàu khi chuyển động.
Trong quá trình tàu chuyển động thì lực cản của nước chiếm phần lớn trong
thành phần sức cản của tàu, theo khảo sát lực cản của không khí đối với tàu thực
người thấy rằng lực cản không khí chiếm một phần nhỏ so với sức cản toàn tàu.
Lực cản do không khí gây nên là lực cản ma sát và lực cản hình dáng, đây là
sự vận động tương đối giữa tàu và không khí đứng yên, cũng như đối với gió. như
vậy nó phụ thuộc vào lực gió còn phụ thuộc vào hình dáng của thượng tầng tàu, góc
kẹp giữa hướng tàu và hướng gió.
Rkk = C A .

Trong đó :

ρA
2

(1.1.7)

.VR2 . AT

- ρA : Mật độ không khí.
- VR : Vận tốc tương đối giữa tàu và không khí.

- AT: Diện tích hình hứng gió của tàu.s
- CA : Hệ số lực cản không khí.

Vận tốc tương đối giữa tàu và không khí (gió) V R có thể tính theo
Hệ số lực cản do không khí phụ thuộc vào góc kẹp αR có thể lấy trên

Học viên: Nguyễn Đức Hải

- 19 -

Lớp: MTK 2009


Ngành: TK máy & TB thủy khí

Luận văn thạc sỹ

Hình 1.1.2: Hướng gió và hệ số lực cản không khí của tàu.
Trường hợp hoàn toàn ngược gió (αR = 1800) CA có thể lấy các trị số như
sau :
- Tàu dầu : CA = 0.8÷ 1.3
- Tàu hàng rời : CA = 0.7÷ 1.2
- Tàu chạy nhanh : CA = 0.4÷ 0.6
- Đối với tình trạng lặng gió, CA tính theo công thức:
C A = 0.001.

AT
Ω

(1.1.8)

Để xác định lực cản của nước đối với chuyển động của tàu người ta có thể
xét bằng các đặc trưng vết thủy động lực học của tàu sinh ra khi tàu chuyển động.
Năng lượng của tàu truyền cho chất lỏng kéo theo sự phát sinh của trường vận
tốc và áp suất, sự biến dạng của mặt tự do dẫn tới xuất hiện sóng tàu. Do vậy ở phía
sau tàu hoặc mô hình tàu xuất hiện các vết thuỷ động. Tuy nhiên cấu trúc của vết đó
phụ thuộc vào hình dáng thân tàu, vận tốc, lực nhớt và trọng lực. Sơ đồ phân chia
lực cản của nước ra các thành phần như sau:

Học viên: Nguyễn Đức Hải

- 20 -

Lớp: MTK 2009


Ngành: TK máy & TB thủy khí

Luận văn thạc sỹ

RX
RF

RP
RVP

Ri

RWB

RS

RC

RW

RV
Dòng theo

Sóng

Xét luồng chảy bao quanh tàu đứng yên ở mặt tự do của chất lỏng có chiều sâu
vô hạn (H 1.1.3)

Hình 1.1.3: Sơ đồ luồng chảy bao quanh tàu
Để tính toán lực thuỷ động ta sử dụng định luật động lượng trong môn cơ chất
lỏng:
R = −ρ ∫ v.v n .dS + ∫ Pn .dS
S

S

(1.1.9)

Trong đó:
S - mặt kiểm soát kín và không di động
n - phương pháp tuyến ngoài với mặt đó
v và Pn - tương ứng là véc tơ vận tốc và ứng suất của lực mặt trong chất lỏng
nhớt, Pn có hướng tuỳ ý so mặt S, Pn bao gồm áp suất nhớt, áp suất rồi, ứng suất
pháp, ứng suất tiếp.

Tại mặt vuông góc với trục x ta có:
Pn = Px = i.Pxx + j.τ xy + k.τ xz

(1.1.10)

Trong đó:

Học viên: Nguyễn Đức Hải

- 21 -

Lớp: MTK 2009


Ngành: TK máy & TB thủy khí

Luận văn thạc sỹ

Pxx = − P + 2µ

2
∂vx
− ρv x '
∂x

(1.1.11)

⎛ ∂v
∂v y ⎞
⎟ − ρv x ' v y '

τ xy = µ⎜ x +
⎜ ∂y
∂x ⎟⎠
⎝

(1.1.12)

- Chọn mặt S có dạng hình bình hành với mặt trên là mặt tự do toạ độ tương
ứng zB = f(x,y) và mặt ướt Ω của tàu, mà dọc theo nó vn = 0.
- Mặt S1 đặt ở xa phía trước tàu, mà tại đó không có vận tốc phát sinh và mặt
chất lỏng nằm ngang.
- Mặt S2 đặt tuỳ ý sau tàu cắt vết thuỷ động.
- Mặt nằm ngang S3 và các mặt thẳng đứng S4, S5 song song với mặt phẳng
đối xứng của tàu và cách xa nó để vận tốc phát sinh là nhỏ nhằm bỏ qua ảnh hưởng
của độ nhớt và sự tạo sóng.
Để tính lực cản ta chiếu R lên trục x, ta được
2

R x = −ρ ∫ v 2 .dS + ρ ∫ v x .dS + ρ
S1

∫ v.v n .dS + ∫ Pxx .dS − ∫ Pxx .dS

S3 +S4 +S5

S2

S1

S2

(1.1.13)

Theo phương trình liên tục với mặt S ta có:

∫ v n .dS = ∫ v.dS − ∫ v x .dS

S3 +S4 +S5

S1

(1.1.14)

S2

Dựa vào (1.1.14) cho phép khử tích phân theo các mặt (S3 + S4 + S5) trong
biểu thức (1.1.13) còn ở mặt S1 và S2 quy luật phân bố áp suất theo quy luật thuỷ
tĩnh ± ρgz , ta có

∫ z.dS − ∫ z.dS =

S1

S2

y zB

∫

∫ zdzdy = −

− y−∞

y

1 2
z B dy
2 −∫y

(1.1.15)

Nếu đẩy mặt S4 và S5 ra xa vô cùng ta có lực cản được tính theo biểu thức sau:

(

)

⎛
2
2 ⎞
∂v
ρg +∞ 2
R x = −ρ ∫ v.v x − v x dS + ∫ ⎜⎜ P + ρgz − 2µ x + ρ v' x ⎟⎟dS −
∫ z B dy
x
2
∂
S2
S2 ⎝
−∞

⎠

(1.1.16)

Nếu tàu chuyển động trong kênh hoặc nước nông thì vế phải của (1.1.15) cần
kể thêm ứng suất tiếp theo chu vi kên hoặc đáy sông.

Học viên: Nguyễn Đức Hải

- 22 -

Lớp: MTK 2009


Ngành: TK máy & TB thủy khí

Luận văn thạc sỹ

Trong trường hợp chất lỏng không nhớt, dòng chảy không xoáy, lúc đó dòng
chảy tại tiết diện tuỳ ý và tại S1, ứng với điểm trên mặt tự do sẽ có:

[

]

P + ρgz + 0,5ρ (v − v1x ) + v12y + v12z = 0,5ρv 2
2

(1.1.17)

Trong đó:
v1x, v1y, v1z là những vận tốc phát sinh. Khử P+ρgz và xét ứng suất nhớt, ứng
suất rối, lúc đó biểu thức (1.1.16) sẽ được viết thành:
+∞

R x = −0,5ρ ∫ (− v12x + v12y + v12z )dS − 0,5ρg ∫ z 2B dy

(1.1.18)

−∞

S2

* Khi tàu ở trong dòng chảy vô hạn của chắt lỏng nhớt, nếu bỏ qua ứng suất
nhớt và rối dựa vào biểu thức (1.1.15) ta có biểu thức tính lực cản nhớt:

[(

]

)

R x = R v = − ∫ ρ v.v x − v x + (P − Po ) dS
2

S2

Trong đó:

(1.1.19)

Po - áp suất thuỷ tĩnh nơi đặt tàu

1.1.2. Các thành phần sức cản
1.1.2.1. Lực cản nhớt

Lực cản nhớt của tàu RV bao gồm lực cản ma sát RF, lực cản hình dáng RVP và
lực cản cảm ứng Ri. Tuy nhiên Ri được ghép vào RVP vì Ri xuất hiện là do các xoảy
dọc mũi tàu và đuôi bởi hiện tượng tách lớp biên.
Lực cản ma sát RF phụ thuộc vào sự phân bố của ứng suất tiếp τo trên thân tàu.
Lực cản này chịu ảnh hưởng của độ cong dọc và cong ngang thân tàu. Tất cả các
hiện tượng đó làm biến đổi cục bộ ứng suất tiếp so với quy luật tương ứng của tấm
phẳng khi số Re bằng nhau và được tính theo công thức.
Re =

Trong đó:

VL

ν

V – Vận tốc tàu
L – Chiều dài tàu
ν - Hệ số nhớt của chất lỏng

Học viên: Nguyễn Đức Hải

- 23 -

Lớp: MTK 2009

Ngành: TK máy & TB thủy khí

Luận văn thạc sỹ

Lực cản hình dáng RVP sinh ra bởi ảnh hưởng của lớp biên đối với quy luật
phân bố áp suất trên thân tàu, nó phụ thuộc vào các dạng tách lớp biên, mà hiện
tượng này lại ảnh hưởng bởi hình dáng thân tàu.
Hiện tượng tách lớp biên đã làm tăng đáng kể lực cản nhớt, sự xuất hiện các
xoáy dọc phần mũi đi đôi với việc tăng thành phần lực cản cảm ứng Ri của lực cản
nhớt lên khoảng Ri ≈ (0,02 ÷ 0,03)RV và có thể kết hợp với các xoáy dọc ở đuôi tàu
làm lực cản nhớt có thể tăng lên tới (0,03 ÷ 0,08)RV. Trong khu vực mũi về sườn
giữa tàu, do các phần tử chất lỏng chuyển động theo chiều tăng của áp lực nên tốc
độ của áp lực tăng dần và đạt giá trị lớn nhất tại sườn giữa tàu. Còn khu vực sườn
giữa tàu về phía đuôi tàu, các phần tử chất lỏng lại chuyển động theo chiều giảm
của áp lực nên tốc độ của các phần tử giảm dần. Riêng lớp chất lỏng chảy sát vỏ
tàu, do ma sát với bề mặt vỏ tàu, nên năng lượng của nó, ngoài việc khắc phục sự
tăng của áp lực còn phải thắng được sự ma sát nên bị giảm nhanh và đến một lúc
nào đó, dưới tác dụng của sự tăng áp lực trong dòng chất lỏng sẽ làm xuất hiện một
dòng chất lỏng chảy ngược sát bề mặt vỏ tàu, tạo ra vùng xoáy sau đuôi tàu, làm
giảm áp lực phía sau đuôi tàu. Đối với những tàu có độ dãn dài lớn (L/B > 6) lớp
biên sẽ tách khỏi bề mặt tàu rất êm nên thường ít gây ra sự tạo xoáy, do đó sức cản
hình dáng như thế đối với tàu là rất nhỏ. Vì vậy có thể giảm sức cản hình dáng bằng
cách tăng tỉ số L/B, chọn hình dáng tốt, lựa chọn chiều dài và độ nhọn vòm đuôi tàu
một cách hợp lý.
1.1.2.2. Sức cản sinh sóng.

Sức cản sinh sóng cũng xuất hiện do sự phân bố lại áp lực và áp lực chất
lỏng chảy dọc bề mặt vỏ tàu, gây ra các hệ thống sóng xung quanh tàu khi chuyển

động.

Học viên: Nguyễn Đức Hải

- 24 -

Lớp: MTK 2009


Ngành: TK máy & TB thủy khí

Luận văn thạc sỹ

Hình 1.1.4. Sức cản sinh sóng
Ở khu vực mũi và đuôi, do áp lực chất lỏng lớn hơn áp lực khí quyển nên
mặt nước bị đẩy nhô lên, ngược lại ở giữa tàu mặt nước hạ xuống hình thành các
sóng tàu. Do khu vực mũi và đuôi tàu là nơi có độ cong dọc lớn nên là các tâm hình
thành sóng đầu tiên vì vậy sóng tàu gồm sóng mũi, sóng đuôi và trong mỗi hệ thống
sóng lại chia thành hai nhóm.
+ Sóng lan tỏa: Gồm các sóng có tuyến chạy ngắn, chạy song song kế tiếp
nhau và nằm đối xứng trên đường thẳng và tạo với mặt phẳng dọc giữa tàu góc β =
18÷200. Mặt nước của sóng lan tỏa tạo với mặt phẳng dọc tàu một góc γ = 2β
=36÷400. Khi chuyển động, sóng lan tỏa mũi và đuôi lan truyền độc lập nhau và
cường độ sóng lan tỏa phĩa mũi lớn hơn và càng cách xa vị trí xuất phát thì chiều
cao sóng lan tỏa sẽ giảm dần.
+ Sóng ngang: Gồm các sóng chạy vuông góc và phân bố trong phạm vi góc b
sóng lan tỏa. Càng xa vị trí xuất phát, chiều dài sóng ngang tăng, chiều cao giảm
nên năng lượng không đổi.
Khi tàu chạy ở tốc độ thấp thường chỉ thấy sóng lan tỏa và do sóng lan tỏa là
sóng ngắn, năng lượng nhỏ nên sức cản sinh sóng nhỏ. Nhưng khi tốc độ tàu tăng,

sóng ngang là chủ yếu do chiều dài sóng tỉ lệ bình phương vận tốc tàu, còn sóng lan
tỏa chở nên mờ nhạt hơn. Do hệ thống sóng ngang có năng lượng lớn nên sức cản
sinh sóng trong trường hợp này lớn. Nếu hệ thống sóng ngang mũi chồng nên hệ
thống sóng ngang đuôi sẽ làm tăng sức cản sóng. Để giảm sức cản sóng cần chọn

Học viên: Nguyễn Đức Hải

- 25 -

Lớp: MTK 2009