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

Chia sẻ: Nguyễn Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:14

Thêm vào BST

Báo xấu

219
lượt xem 32
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Khái niệm chung về lực cản chuyển động của tàu Một trong những tính chất hành hải quan trọng nhất của tàu là tính di động, nghĩa là khả năng phát huy đ ợc vận tốc lớn nhất khi sử dụng hiệu quả công suất đã cho của thiết bị năng l ợng chính. Tính di động phụ thuộc vào kích th ớc, kết cấu, hình dáng thân tàu, trạng thái của vỏ tàu, loại động cơ, công suất và đặc tính của động cơ cũng nh các điều kiện chuyển động. Tính di động không thể đ ợc xem...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: ĐỘNG LỰC TÀU THUỶ - PHẦN 1 LỰC CẢN CHUYỂN ĐỘNG CỦA TÀU - CHƯƠNG 1

PhÇn 1 Lùc c¶n chuyÓn ®éng cña tµu Ch ¬ng 1 Kh¸i niÖm chung vÒ lùc c¶n chuyÓn ®éng cña tµu Mét trong nh÷ng tÝnh chÊt hµnh h¶i quan träng nhÊt cña tµu lµ tÝnh di ®éng, nghÜa lµ kh¶ n¨ng ph¸t huy ® îc vËn tèc lín nhÊt khi sö dông hiÖu qu¶ c«ng suÊt ®· cho cña thiÕt bÞ n¨ng l îng chÝnh. TÝnh di ®éng phô thuéc vµo kÝch th íc, kÕt cÊu, h×nh d¸ng th©n tµu, tr¹ng th¸i cña vá tµu, lo¹i ®éng c¬, c«ng suÊt vµ ®Æc tÝnh cña ®éng c¬ còng nh c¸c ®iÒu kiÖn chuyÓn ®éng. TÝnh di ®éng kh«ng thÓ ® îc xem xÐt biÖt lËp víi tÝnh næi, tÝnh æn ®Þnh, tÝnh chßng chµnh vµ tÝnh ¨n l¸i. §Ó ®¸nh gi¸ tÝnh di ®éng trong c¸c ®iÒu kiÖn kh¸c nhau ph¶i cã sè liÖu vÒ lùc c¶n chuyÓn ®éng cña tµu, c¸c ®Æc tÝnh cña thiÕt bÞ ®Èy hoÆc cña tµu kÐo t¹o lùc kÐo ®Ó kÐo tµu. Sù lµm viÖc cña bÊt cø lo¹i thiÕt bÞ ®Èy nµo tuú møc ®é cã ¶nh h ëng ®Õn cÊu tróc cña dßng ch¶y bao quanh th©n tµu vµ lµm thay ®æi lùc c¶n chuyÓn ®éng cña tµu. Tuy nhiªn th êng th êng lùc c¶n th©n tµu ® îc xem xÐt bá qua ¶nh h ëng cña thiÕt bÞ ®Èy, cßn lùc bæ sung do ¶nh h ëng ®ã vµ lùc c¶n cña b¶n th©n thiÕt bÞ ®Èy ® îc xem xÐt riªng biÖt khi tÝnh to¸n hiÖu suÊt cña thiÕt bÞ ®Èy. Trong gi¸o tr×nh ta xem xÐt c¸c nguyªn nh©n g©y ra lùc c¶n chuyÓn ®éng, sù thay ®æi c¸c lùc ®ã, c¸c ph ¬ng ph¸p x¸c ®Þnh, c¸c biÖn ph¸p thay ®æi vµ gi¶m lùc c¶n. Do vËy ta ph¶i nghiªn cøu cÊu tróc cña dßng ch¶y ë gÇn th©n tµu, tõ ®ã phô thuéc qu¸ tr×nh ph¸t sinh lùc c¶n. Nh÷ng sè liÖu nhËn ® îc tõ kÕt qu¶ tÝnh to¸n lùc c¶n, nh÷ng khuyÕn nghÞ vÒ c¸c ph ¬ng ph¸p gi¶m lùc c¶n ® îc dïng trong thiÕt kÕ tµu khi chän c¸c kÝch th íc chÝnh, h×nh d¸ng th©n tµu, tÝnh to¸n thiÕt bÞ ®Èy vµ chän thiÕt bÞ n¨ng l îng chÝnh. HiÖn nay trong nghiªn cøu lùc c¶n chuyÓn ®éng cña tµu ng êi ta dïng ph ¬ng ph¸p nghiªn cøu lý thuyÕt vµ ph ¬ng ph¸p nghiªn cøu thùc nghiÖm. TÝnh to¸n lùc c¶n chuyÓn ®éng cña tµu lµ mét trong c¸c vÊn ®Ò cña bµi to¸n ngoµi cña c¬ chÊt láng ®Ó x¸c ®Þnh lùc thuû ®éng cña chÊt láng ch¶y bao vËt thÓ. C¸c ký hiÖu quy íc B - ChiÒu réng tµu b - ChiÒu réng kªnh, d©y cung cña profin C, Cx - HÖ sè lùc c¶n toµn phÇn CA - HÖ sè lùc c¶n do ®é nh¸m CAA - HÖ sè lùc c¶n kh«ng khÝ CAP - HÖ sè lùc c¶n phÇn nh« CE - HÖ sè h¶i qu©n CF - HÖ sè c¶n ma s¸t CFo - HÖ sè c¶n ma s¸t cña tÊm nh½n t ¬ng ® ¬ng Cf - HÖ sè c¶n ma s¸t côc bé 9
Ci - HÖ sè c¶n c¶m øng CH - HÖ sè c¶n lç, hèc CP - HÖ sè c¶n ¸p lùc CR - HÖ sè c¶n d CS - HÖ sè c¶n toÐ n íc CV - HÖ sè c¶n nhít CVP - HÖ sè c¶n h×nh d¸ng CW - HÖ sè c¶n sãng CWB - HÖ sè c¶n ph¸ sãng mòi Cy - HÖ sè lùc n©ng D - Träng lùc (Träng l îng tµu) Fr, FrV, FrH, FrB - Sè Frót vµ c¸c biÕn thÓ cña nã H - ChiÒu s©u luång l¹ch K -TØ lÖ xÝch cña m« h×nh K - HÖ sè h×nh d¸ng cña lùc c¶n nhít KS - ChiÒu cao m« nh¸m L - ChiÒu dµi tµu PE - C«ng suÊt kÐo P - HÖ sè ¸p lùc R, Rx - Lùc c¶n toµn phÇn Ry - Lùc n©ng Re, Re*, Re** - Sè R©ynol vµ c¸c biÕn thÓ cña nã S - DiÖn tÝch c¸nh T - ChiÒu ch×m tµu V - ThÓ tÝch l îng chiÕm n íc v, vx, vy, vz - Tèc ®é vµ c¸c thµnh phÇn cña nã  - Gãc vµo n íc (gãc tíi) cña c¸nh  - ChiÒu dµy líp biªn * - ChiÒu dµy nÐn cña líp biªn ** - ChiÒu dµy tæn thÊt xung cña líp biªn  - HÖ sè nhít ®éng häc cña chÊt láng  - Khèi l îng riªng cña chÊt láng  - Sè x©m thùc ,  - ThÕ vËn tèc  - DiÖn tÝch mÆt ít cña tµu Khi tµu chuyÓn ®éng trong chÊt láng sÏ xuÊt hiÖn lùc thuû ®éng, mµ trÞ sè cña nã phô thuéc vµo khèi l îng riªng vµ ®é nhít cña chÊt láng. Khèi l îng riªng - kÝ hiÖu , ®¬n vÞ kg/m3. Khèi l îng riªng cña n íc Ýt thay ®æi khi thay ®æi ¸p lùc, vËy n íc coi nh kh«ng nÐn ® îc vµ ®ång nhÊt, song khèi l îng riªng cña n íc l¹i thay ®æi nhiÒu theo nhiÖt ®é. Trong ngµnh ®ãng tµu ta sö dông sè liÖu cña Liªn Bang Nga. nhiÖt ®é t = 4oC: 10
- §èi víi n íc ngät  = 1000 kg/m3 - §èi víi n íc mÆn  = 1025 kg/m3 * nhiÖt ®é t = 15oC vµ ¸p suÊt 760 mmHg - Khèi l îng riªng cña kh«ng khÝ A = 1,226 kg/m3 Träng l îng riªng cña chÊt láng - kÝ hiÖu , ®¬n vÞ N/ m3 = .g (1.2.1) §èi víi n íc ngät  = 9810 N/ m3 g - gia tèc r¬i tù do g = 9,81 m/s2 HÖ sè nhít ®éng lùc - kÝ hiÖu , ®¬n vÞ kg/m.s. Lµ ®¹i l îng ®Æc tr ng cho tÝnh chÊt tõng lo¹i chÊt láng  Ýt thay ®æi theo ¸p suÊt, nh ng l¹i thay ®æi nhiÒu theo nhiÖt ®é. HÖ sè nhít ®éng häc - kÝ hiÖu , ®¬n vÞ m2/s lµ gia tèc cña lùc nhít xuÊt hiÖn trong chÊt láng   (1.2.2)  Do t¸c dông t ¬ng hç gi÷a tµu vµ chÊt láng, nªn däc theo mÆt uít  hÖ lùc mÆt xuÊt hiÖn vµ ph©n bè liªn tôc. T¹i mçi ®iÓm trªn  vÐct¬ c êng ®é cña lùc mÆt lµ Pn H×nh 1.1. HÖ to¹ ®é kh¶o s¸t chuyÓn ®éng cña tµu. H×nh chiÕu cña Pn lªn ph ¬ng ph¸p tuyÕn n cña ph©n tè diÖn tÝch d lµ ¸p lùc thuû ®éng p Cßn h×nh chiÕu cña Pn lªn ph ¬ng cña ® êng dßng ®i qua d lµ øng suÊt tiÕp o p vµ o cã thÓ ®o trùc tiÕp hoÆc tÝnh to¸n b»ng c¸c quan hÖ trong c¬ chÊt láng. N íc t¸c dông lªn phÇn ng©m n íc cña tµu lµ lùc thuû ®éng, cßn kh«ng khÝ t¸c dông lªn phÇn kh« cña tµu lµ lùc khÝ ®éng, vËy tæng hîp c¸c lùc kÓ trªn trªn bÒ mÆt cña tµu gäi lµ lùc thuû khÝ ®éng häc. Lùc thuû khÝ ®éng häc lµ mét hÖ thèng lùc mÆt, v× vËy cã thÓ chuyÓn nã vÒ mét vÐct¬ chÝnh R vµ mét m«men chÝnh M x¸c ®Þnh theo c¸c c«ng thøc (1.2.3) vµ (1.2.4) 11
R   Pn d (1.2.3)    M   Pn  r d (1.2.4)  Trong ®ã r - vÐct¬ b¸n kÝnh cña d ®èi víi t©m quy chiÕu ®· chän. §Ó nghiªn cøu tÝnh di ®éng cña tµu ng êi ta g¾n lªn tµu trôc to¹ ®é di ®éng x1y1z1, trong ®ã: - Trôc x1 h íng vÒ phÝa mòi tµu - Trôc y1 h íng vÒ phÝa m¹n ph¶i - Trôc z1 h íng lªn trªn Cßn gèc to¹ ®é thay ®æi vÞ trÝ trong kh«ng gian. Ngoµi ra ng êi ta cßn sö dông hÖ to¹ ®é xyz, trong ®ã: - Trôc x h íng theo vËn tèc v cña tµu - Trôc y h íng vÒ phÝa m¹n ph¶i - Trôc z h íng lªn trªn Hai hÖ to¹ ®é x1y1z1 vµ xyz sÏ trïng nhau khi tµu kh«ng chuyÓn ®éng. Cßn khi tµu chuyÓn ®éng hai trôc x1 vµ x t¹o víi nhau mét gãc  - gäi lµ gãc chói hµnh tr×nh. NÕu chiÕu vÐct¬ chÝnh cña lùc thuû khÝ ®éng häc R lªn c¸c trôc to¹ ®é ta ® îc: - H×nh chiÕu Rx - Gäi lµ lùc c¶n chuyÓn ®éng cña tµu - H×nh chiÕu Ry - Gäi lµ lùc d¹t ngang cña tµu - H×nh chiÕu Rz - Gäi lµ lùc n©ng VËy "Lùc c¶n chuyÓn ®éng cña tµu lµ h×nh chiÕu cña lùc thuû khÝ ®éng lùc lªn ph ¬ng chuyÓn ®éng cña tµu". M«n häc nµy ta chØ xÐt lùc c¶n trong chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn th¼ng cña tµu Trong hÖ to¹ ®é trªn ta cã: Rx = Rx1cos + Rz1sin (1.2.5) V× vÐct¬ Pn ® îc ph©n thµnh hai thµnh phÇn ph¸p tuyÕn p vµ tiÕp tuyÕn o nªn lùc c¶n còng cã thÓ viÕt d íi d¹ng tæng hai thµnh phÇn (Xem 1.2.6) Rx =  p cos(p, x )   o cos( o , x )d (1.2.6)  C«ng thøc (1.2.6) ph©n chia lùc c¶n thµnh hai thµnh phÇn: - Lùc c¶n ma s¸t: R F    o cos( o , x )d (1.2.7)  Nguyªn nh©n xuÊt hiÖn lùc c¶n ma s¸t RF lµ do ¶nh h ëng ®é nhít cña chÊt láng g©y ma s¸t vµo vá tµu lµm xuÊt hiÖn øng suÊt tiÕp o - Lùc c¶n ¸p lùc: R p   p cos(p, x )d (1.2.8)  Dùa vµo c¸c hiÖn t îng vËt lý th× nguyªn nh©n xuÊt hiÖn thµnh phÇn lùc c¶n ¸p lùc cã thÓ gi¶i thÝch nh sau: Theo c¬ häc chÊt láng th× vËt thÓ cã kÝch th íc h÷u h¹n chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn víi vËn tèc kh«ng ®æi trªn mÆt tù do v« h¹n cña chÊt láng kh«ng nhít th× vËt thÓ ®ã kh«ng chÞu lùc c¶n chuyÓn ®éng (Theo ®Þnh lý ¥le). VËt thÓ khi chuyÓn ®éng chØ xuÊt hiÖn lùc c¶n chØ khi tr êng vËn tèc ë phÝa tr íc vµ phÝa sau vËt thÓ lµ kh¸c nhau. 12
a. b. c. d. H×nh 1.2. S¬ ®å m« t¶ nguyªn nh©n xuÊt hiÖn c¸c thµnh phÇn cña lùc c¶n. 13
* XÐt vËt thÓ chuyÓn ®éng ë gÇn hoÆc ë mÆt tù do cña chÊt láng (Xem H 1.2.a) d íi t¸c dông cña träng lùc th× vËt thÓ sÏ t¹o ra trªn mÆt tù do cña chÊt láng mét hÖ thèng sãng do c¸c phÇn tö chÊt láng t¸ch ra tõ vÞ trÝ c©n b»ng dÉn tíi sù thay ®æi cña tr êng vËn tèc vµ ¸p suÊt däc theo bÒ mÆt vËt thÓ. H×nh chiÕu cña ¸p lùc sãng lªn ph ¬ng chuyÓn ®éng gäi lµ lùc c¶n sãng lªn ph ¬ng chuyÓn ®éng gäi lµ lùc c¶n sãng RW. C«ng cña vËt thÓ sinh ra ®Ó th¾ng lùc c¶n sãng ® îc tiªu tèn cho sù t¹o thµnh n¨ng l îng sãng. * C¸c tµu bÐo hoÆc tµu ch¹y kh«ng t¶i ng êi ta thÊy c¸c sãng ë phÇn n íc mòi tµu bÞ san gÇn ph¼ng kÐo theo sù t¹o thµnh c¸c bät. Qu¸ tr×nh ®ã ®· lµm t¨ng thªm lùc c¶n sãng vµ thµnh phÇn lùc c¶n ®ã gäi lµ lùc c¶n ph¸ sãng mòi RWB. * Khi vËt thÓ chuyÓn ®éng ta thÊy râ nhÊt ë phÇn mòi tµu cã c¸c tia n íc h¾t ra tõ hai bªn m¹n. C¸c tia n íc ®ã t¹o thµnh ph¶n lùc, mµ h×nh chiÕu cña ph¶n lùc ®ã lªn ph ¬ng chuyÓn ®éng gäi lµ lùc c¶n toÐ n íc RS. Lo¹i lùc c¶n nµy ®Æc tr ng cho c¸c tµu ch¹y nhanh. * Theo lý thuyÕt c¸nh nÕu vËt thÓ cã d¹ng h×nh c¸nh khi chuyÓn ®éng cã l u sè vËn tèc th× sÏ ph¸t sinh lùc n©ng trªn c¸nh. Sù lµm viÖc cña c¸nh cã thÓ thay b»ng mét hÖ thèng xo¸y, hÖ thèng nµy sÏ t¹o ra c¸c xo¸y tù do sau c¸nh (Xem H 1.2.b). HÖ thèng xo¸y g©y ra vËn tèc th¼ng ®øng lµm lÖch ® êng dßng nªn ¸p lùc thuû ®éng xuÊt hiÖn trªn c¸nh, mµ h×nh chiÕu lªn ph ¬ng chuyÓn ®éng gäi lµ lùc c¶n c¶m øng Ri. C«ng ®Ó th¾ng lùc c¶m øng ® îc tiªu tèn cho sù t¹o thµnh n¨ng l îng xo¸y. Lùc c¶n c¶m øng xuÊt hiÖn trªn c¸c c¸nh cña tµu ngÇm vµ c¸c phÇn nh« th©n tµu. * NÕu vËt thÓ chuyÓn ®éng víi vËn tèc lín th× trªn bÒ mÆt vËt xuÊt hiÖn sù x©m thùc (Sù x©m thùc lµ hiÖn t îng h×nh thµnh vµ ph¸t triÓn trªn bÒ mÆt vËt thÓ c¸c bät chøa ®Çy kh«ng khÝ hoÆc h¬i n íc b·o hoµ) (Xem H 1.2.c). Sù x©m thùc ®· lµm cho tr êng vËn tèc vµ ¸p suÊt däc theo bÒ mÆt vËt thÓ thay ®æi lµm xuÊt hiÖn lùc c¶n x©m thùc Rc. C«ng ®Ó th¾ng lùc c¶n x©m thùc ® îc tiªu tèn cho sù duy tr× c¸c bät khÝ hoÆc h¬i, nghÜa lµ cho sù thay ®æi tr êng vËn tèc so víi tr êng hîp ch¶y vßng liªn tôc (Xem H 1.2.c). Qu¸ tr×nh xuÊt hiÖn c¸c thµnh phÇn lùc c¶n RW, RWB, RS, Ri, Rc Ýt phô thuéc vµo ®é nhít cña chÊt láng, do vËy ph ¬ng ph¸p tÝnh to¸n lý thuyÕt cã thÓ dùa vµo m« h×nh chÊt láng kh«ng nhít. * Do ¶nh h ëng cña ®é nhít quy luËt ph©n bè ¸p suÊt trªn bÒ mÆt vËt thÓ thay ®æi so víi tr êng hîp ch¶y vßng trong chÊt láng kh«ng nhít. §é nhít lµm h×nh thµnh líp biªn däc theo mÆt vËt thÓ vµ t¹o nªn dßng theo. Dßng theo lµ nh÷ng vÕt thuû ®éng ë sau vËt thÓ lµm cÊu tróc cña tr êng vËn tèc ë phÝa tr íc vµ sau vËt thÓ trong chÊt láng nhít lµ kh¸c nhau. Dßng theo ë sau vËt thÓ lµ vïng ch¶y rèi t¹o xo¸y (Xem H 1.2.d) lµm gi¶m ¸p suÊt ë vïng ®u«i vËt thÓ so víi chÊt láng kh«ng nhít vµ ph¸t sinh ¸p suÊt tæng hîp gäi lµ lùc c¶n ¸p suÊt nhít hoÆc lùc c¶n h×nh d¸ng RVP. VËy lùc c¶n do øng suÊt tiÕp o g©y ra gäi lµ lùc c¶n ma s¸t RF. C«ng ®Ó th¾ng lùc c¶n ma s¸t ® îc tiªu tèn cho sù t¹o thµnh líp biªn vµ dßng theo. Lùc c¶n h×nh d¸ng vµ ma s¸t xuÊt hiÖn do ®é nhít cña chÊt láng vµ chóng t¹o thµnh lùc c¶n nhít RV = RVP + RF. Tõ c¸c ®iÒu kÓ trªn th× lùc c¶n cña n íc ®èi víi chuyÓn ®éng cña tµu cã thÓ viÕt d íi d¹ng tæng: Rx = RF + RP = RF + RVP + RW + RWB + RS + Ri + Rc (1.2.9) D¹ng (1.2.9) kh«ng ph¶i lóc nµo còng xuÊt hiÖn ®ång thêi, cã thÓ cã tr êng hîp vµi thµnh phÇn kh«ng cã. C¬ së vËt lý ®Ó ph©n chia lùc c¶n ra c¸c thµnh phÇn lµ ®iÒu rÊt cÇn thiÕt ®Ó x©y dùng c¸c ph ¬ng ph¸p lý thuyÕt, thùc nghiÖm vµ nh÷ng nguyªn t¾c m« h×nh ho¸. 14
Do khèi l îng riªng cña n íc vµ kh«ng khÝ lµ kh¸c nhau, do vËy tæng lùc c¶n ® îc chia thµnh lùc c¶n cña n íc vµ lùc c¶n kh«ng khÝ RAA. VËy cã hai nguyªn nh©n c¬ b¶n ®Ó t¹o nªn lùc c¶n ®ã lµ ¶nh h ëng cña ®é nhít cña chÊt láng vµ sù t¹o sãng: Rx = RV + RW + RAA (1.2.10) §Ó nghiªn cøu c¸c tÝnh chÊt cña c¸c thµnh phÇn lùc c¶n ng êi ta sö dông gi¶ thiÕt vÒ sù ®éc lËp cña chóng. Theo gi¶ thiÕt ®ã th× c¸c qu¸ tr×nh vËt lý g©y ra tõng thµnh phÇn cña tæng lùc c¶n lµ ®éc lËp nhau, nghÜa lµ qu¸ tr×nh t¹o sãng ®éc lËp víi ®é nhít cña chÊt láng, vµ lùc nhít còng sÏ kh«ng ¶nh h ëng tíi qu¸ tr×nh t¹o sãng, ngoµi ra nh÷ng hiÖn t îng x¶y ra trong n íc kh«ng ¶nh h ëng tíi lùc c¶n kh«ng khÝ. Trong qu¸ tr×nh nghiªn cøu vµ tÝnh to¸n lùc thuû ®éng, m« men cña lùc thuû ®éng cÇn ph¶i cã sù t ¬ng quan ®Çy ®ñ vÒ kÕt cÊu dßng ch¶y cña chÊt láng bao quanh m« h×nh vµ tµu thùc. Sù t ¬ng quan ®ã gäi lµ ®ång d¹ng ®éng lùc häc cña dßng ch¶y. C¸c tham sè chung kh«ng ®æi ® îc gäi lµ c¸c chuÈn ®ång d¹ng cña dßng ch¶y, c¸c chuÈn nµy ® îc x¸c ®Þnh tõ lý thuyÕt ®ång d¹ng. Dßng ch¶y cña chÊt láng ch¶y vßng vËt thÓ ®ång d¹ng h×nh häc, ® îc gäi lµ ®ång d¹ng ®éng lùc häc nÕu ë c¸c ®iÓm t ¬ng øng cã sù b»ng nhau cña c¸c lùc thuû ®éng kh«ng thø nguyªn, còng nh ®¶m b¶o ph ¬ng cña c¸c vÐc t¬ vËn tèc vµ lùc thuû ®éng (nghÜa lµ h×nh d¸ng ® êng dßng t¹o xo¸y vµ t¹o sãng trong c¸c dßng ch¶y ®ã lµ ®ång d¹ng ®éng häc) TrÞ sè liªn quan tíi c¸c kÝch th íc t ¬ng øng gäi lµ tØ lÖ xÝch ®ång d¹ng h×nh häc: L K M (1.3.1) LH L - KÝch th íc ®Æc tr ng cho chiÒu dµi cña vËt thÓ M - ChØ sè øng víi m« h×nh K - ChØ sè øng víi tµu thùc. Qua ph©n tÝch chuyÓn ®éng cho thÊy r»ng: Sù ®¶m b¶o ®ång d¹ng h×nh häc vµ ®éng lùc häc cña chÊt láng kh«ng nÐn ® îc d íi t¸c dông cña träng lùc khi ch¶y vßng m« h×nh vµ tµu thùc nÕu chiÒu dµi L, vËn tèc v, thêi gian T vµ hÖ sè nhít ®éng häc  ®ång thêi tho¶ m·n ba mèi quan hÖ sau: vM vH  (1.3.2) gL M gL H vMLM vHLH  (1.3.3) M H LM LH  (1.3.4) v M TM v H TH 15
v * BiÓu thøc kh«ng thø nguyªn Fr  gäi lµ sè Frót. Nã ®Æc tr ng cho lùc qu¸n gL tÝnh vµ träng lùc cña dßng ch¶y cña chÊt láng. NÕu FrM = FrH th× h×nh ¶nh t¹o sãng vµ lùc c¶n sãng lµ ®ång d¹ng ®èi víi hai vËt thÓ ®ång d¹ng h×nh häc víi nhau. v Trong tÝnh to¸n sè Fr ®«i khi ® îc biÔu diÔn qua ®¹i l îng gäi lµ vËn tèc L t ¬ng ®èi cã thø nguyªn. Trong nh÷ng tr êng hîp ®Æc biÖt (ch¼ng h¹n xÐt vÒ chÕ ®é chuyÓn ®éng cña tµu) th× chiÒu dµi ®Æc tr ng cã thÓ lÊy b»ng V1/3, trong ®ã V = D/g v  FrV  ; 3 gV L Hay FrV  Fr  , trong ®ã   3 gäi lµ chiÒu dµi t ¬ng ®èi cña tµu. V vL * BiÓu thøc kh«ng thø nguyªn Re  gäi lµ sè R©ynol. Nã ®Æc tr ng cho quan  hÖ gi÷a lùc qu¸n tÝnh vµ lùc nhít trong dßng ch¶y cña chÊt láng. NÕu ®¶m b¶o sù b»ng nhau cña c¸c sè R©ynol (ReM = ReH) ta sÏ lËp ® îc sù ®ång d¹ng cña lùc c¶n nhít, kÕt cÊu líp biªn, dßng theo cña tµu thùc vµ m« h×nh ®ång d¹ng h×nh häc. L * BiÓu thøc kh«ng thø nguyªn Sh  gäi lµ sè Struhan. Nã ®Æc tr ng vÒ ®éng vT lùc häc cña dßng ch¶y thay ®æi theo thêi gian. Nã cho phÐp ta so s¸nh c¸c lùc vµ qu¸ tr×nh ch¶y vßng cã gia tèc cña chÊt láng. Khi vËt thÓ chuyÓn ®éng kh«ng cã gia tèc th× sè Struhan kh«ng x¸c ®Þnh vµ kh«ng cÇn xÐt tíi. * ng suÊt tiÕp o vµ ¸p suÊt p cña lùc mÆt ® îc ®Æc tr ng b»ng c¸c hÖ sè kh«ng thø nguyªn sau: - Sè ¬le ®Æc tr ng cho ¸p suÊt p trong dßng ch¶y 2p Eu  2 (1.3.5) v - HÖ sè ¸p suÊt: 2(p  p o ) p (1.3.6) v 2 trong ®ã p0 lµ ¸p suÊt thuû tÜnh. - Quan hÖ gi÷a hÖ sè ma s¸t côc bé vµ øng suÊt tiÕp: 2 Cf  o (1.3.7) v 2 Dßng ch¶y cña chÊt láng nhít bao quanh m« h×nh vµ tµu thùc ®ång d¹ng h×nh häc sÏ cã ®ång d¹ng ®éng lùc häc nÕu c¸c sè Fr, Re, Sh cña c¸c dßng ch¶y ®ã b»ng nhau. Cßn Eu, p , Cf kh«ng ph¶i lµ c¸c tiªu chuÈn ®ång d¹ng, mµ chóng chØ cã vai trß thø yÕu vµ chØ ® îc xÐt trong nh÷ng tr êng hîp riªng (ch¼ng h¹n dßng ch¶y bÞ x©m thùc th× ¸p suÊt trong c¸c bät khÝ b»ng ¸p suÊt h¬i n íc b·o hoµ p = pv). Khi p =pv sÏ xuÊt hiÖn x©m thùc, lóc ®ã Eu ® îc biÓu diÔn qua sè x©m thùc: 2(p  p v )  (1.3.8) v 2 16
§Ó ®¶m b¶o sù ®ång d¹ng cña c¸c dßng ch¶y rèi ta dùa vµo ®é rèi T cña dßng ch¶y: v' 2 (1.3.9) T  v Khi xÐt tíi ¶nh h ëng cña søc c¨ng bÒ mÆt ta dïng hÖ sè c¨ng bÒ mÆt H. XÐt ¶nh h ëng cña lùc c¶n toÐ n íc ta dïng sè Webe:  We  H 2 (1.3.10) Lv §Ó t×m c«ng thøc chung ®Ó tÝnh lùc c¶n ta biÓu diÔn trÞ sè ¸p suÊt vµ øng suÊt tiÕp qua Eu vµ Cf. VËy c«ng thøc (1.2.6) ® îc viÕt l¹i: R x  0,5v 2  Eu cos(p, x )  C f cos( o , x )d (1.3.11)  ChuyÓn tÝch ph©n (1.3.11) vÒ d¹ng kh«ng thø nguyªn, muèn vËy ® a diÖn tÝch  vµo hµm gi¶i tÝch, ta sÏ ® îc tÝch ph©n kh«ng thø nguyªn vµ kÝ hiÖu lµ Cx: d C x   Eu cos(p, x )  C f cos( o , x ) (1.3.12)   Lóc ®ã (1.3.11) sÏ cã d¹ng: 1 R x  C x v 2  (1.3.13) 2 Trong c«ng thøc (1.3.13) th× Cx = f(Fr, Re, Sh) gäi lµ hÖ sè lùc c¶n ë nh÷ng vËt thÓ ®ång d¹ng h×nh häc cã cïng ph ¬ng chiÒu cña vËn tèc chuyÓn ®éng th× c¸c hÖ sè lùc c¶n cña chóng sÏ b»ng nhau CxM = CxH nÕu FrM = FrH, ReM = ReH vµ ShM = ShH (1.3.14) Tõ (1.3.13) vµ (1.3.14) ta cã: 2R xM 2R xH  M v2 M H v 2 H M H (1.3.15)   H v H  1  2  R xH  R xM    v 2  K 2    M M   BiÓu thøc (1.3.13) còng ®óng cho c¸c thµnh phÇn cßn l¹i cña lùc thuû ®éng: 1 R y  C y v 2  (1.3.16) 2 1 R z  C z v 2  (1.3.17) 2 Trong ®ã Cy, Cz t ¬ng øng lµ hÖ sè lùc d¹t vµ hÖ sè lùc n©ng thuû ®éng theo ph ¬ng th¼ng ®øng. M« men thuû ®éng sÏ b»ng: 1 M  mv 2 .L (1.3.18) 2 Trong ®ã m = f(Fr, Re, Sh) lµ hÖ sè m« men thuû ®éng kh«ng thø nguyªn Trong tÝnh to¸n cã thÓ tuú tõng tr êng hîp mµ thay diÖn tÝch  b»ng c¸c diÖn tÝch ®Æc tr ng kh¸c: 17
1 1 1 R x  C x v 2   C x1v 2   C x 2 v 2 V 2 / 3 (1.3.19) 2 2 2 C¸c thµnh phÇn lùc c¶n c¬ b¶n RV vµ RW cã thÓ x¸c ®Þnh t ¬ng tù nh (1.3.13) Rx = RV + RW 1 C V  C W v 2   Rx  (1.3.20) 2 Trong ®ã CV vµ CW t ¬ng øng lµ hÖ sè lùc c¶n nhít vµ hÖ sè lùc c¶n sãng CV = f(Re) cßn CW = f(Fr) theo gi¶ thiÕt sù ®éc lËp cña c¸c thµnh phÇn lùc c¶n. Lùc c¶n tØ lÖ b×nh ph ¬ng víi vËn tèc. Cïng víi lùc c¶n trong qu¸ tr×nh nghiªn cøu thiÕt bÞ ®Èy vµ thiÕt bÞ n¨ng l îng cña tµu ng êi ta dïng kh¸i niÖm c«ng suÊt kÐo cña tµu PE lµ c«ng suÊt ph¶i s¶n ra ®Ó kÐo tµu víi vËn tèc ®· cho. TrÞ sè c«ng suÊt kÐo ® îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc sau: PE = Rxv (1.3.21) - TrÞ sè c«ng suÊt kÐo cña tµu PE lµ hµm sè bËc ba cña vËn tèc, cßn ®¬n vÞ cña c«ng suÊt kÐo lµ W (kW). - §èi víi tµu s«ng th× vËn tèc tÝnh b»ng km/h, cßn tµu biÓn lµ h¶i lý/h, 1 h¶i lý/h = 1,853 km/h. - ChuyÓn vËn tèc tõ h¶i lý/h sang m/s ta dïng quan hÖ v = 0,514vS. VËn tèc v, m/s cßn vS, h¶i lý/h. - Tõ (1.3.21) cã xÐt tíi (1.3.13), nÕu mÉu sè nh©n víi V2/3 vµ ký hiÖu: 1500,514  D 2 / 3 3 CE  (1.3.22) C x  ta sÏ ® îc biÓu thøc tÝnh c«ng suÊt kÐo cña tµu cho ®¬n vÞ m· lùc, cv v S 3 D 2 / 3 PE  (1.3.23) CE (1.3.23) gäi lµ c«ng thøc h¶i qu©n, CE gäi lµ hÖ sè h¶i qu©n. HÖ sè CE tØ lÖ nghÞch víi hÖ sè Cx. - §èi víi tµu biÓn vËn tèc khai th¸c nhá h¬n vËn tèc thö ®Ó ®¶m b¶o dù tr÷ c«ng suÊt cña tµu khi ho¹t ®éng ë nh÷ng vïng thêi tiÕt xÊu. - Trong thiÕt kÕ tµu chiÒu dµi gi÷a hai ® êng vu«ng gãc th êng nhá h¬n chiÒu dµi ® êng n íc kho¶ng 2  3% cho tµu mét chong chãng, cßn chóng sÏ b»ng nhau cho tµu hai chong chãng. Trªn c¬ së c¸c phÐp tÝnh to¸n hoÆc c¸c phÐp thö ta cã thÓ x¸c ®Þnh ® îc lùc c¶n Rx hoÆc c«ng suÊt kÐo cña tµu PE. Lùc c¶n Rx hoÆc PE phô thuéc vµo tèc ®é chuyÓn ®éng cña tµu vS hoÆc c¸c chuÈn ®ång d¹ng. HÖ sè lùc c¶n Cx, hÖ sè h¶i qu©n CE vµ tØ sè Rx/D theo c¸c sè Fr vµ Re. 18
H×nh 1.3. Quan hÖ gi÷a Rx, PE víi vS. Quan hÖ gi÷a c¸c thµnh phÇn lùc c¶n phô thuéc vµo kÝch th íc h×nh d¸ng th©n tµu vµ sè Fr còng nh hÖ sè bÐo thÓ tÝch . Tµu cã thÓ chuyÓn ®éng ë s©u so víi mÆt tho¸ng, nh vËy nã kh«ng chÞu ¶nh h ëng cña mÆt tù do. Tµu cã thÓ võa cí phÇn ch×m vµ phÇn næi (tµu ë mÆt tù do). Tµu cã thÓ chuyÓn ®éng ë ®é s©u so víi mÆt tho¸ng (tµu ngÇm). Tµu chuyÓn ®éng trªn mÆt tù do (tµu c¸nh ngÇm, tµu ®Öm khÝ). Víi mçi lo¹i tµu kh¸c nhau quan hÖ víi c¸c thµnh phÇn lùc c¶n cña tæng lùc c¶n lµ kh¸c nhau. Quy luËt thay ®æi cña mét thµnh phÇn còng cã thÓ kh¸c nhau trong c¸c tr êng hîp kh¸c nhau. Vai trß cña c¸c thµnh phÇn lùc c¶n phô thuéc vµo chÕ ®é chuyÓn ®éng cña tµu. Ng êi ta ph©n chia ba chÕ ®é chuyÓn ®éng c¬ b¶n cña tµu, ®ã lµ: - ChÕ ®é b¬i - ChÕ ®é chuyÓn tiÕp - ChÕ ®é l ít * chÕ ®é b¬i: D = gV (1.4.1) v Khi ®ã FrV   1,0 (1.4.2) g3 V chÕ ®é nµy ®Æc tr ng cho c¸c tµu vËn t¶i ch¹y chËm vµ trung b×nh. * chÕ ®é chuyÓn tiÕp: ChÕ ®é nµy b¾t ®Çu xuÊt hiÖn thµnh phÇn lùc n©ng thuû ®éng Rz. Khi ®ã: D = gV1 + Rz (1.4.3) ThÓ tÝch V1 < V tµu b¾t ®Çu næi dÇn lªn vµ 1  FrV  3 (1.4.4) chÕ ®é nµy ®Æc tr ng cho c¸c tµu ch¹y nhanh. * chÕ ®é l ít: D  Rz;V  0 (1.4.5) Khi ®ã FrV > 3 (1.4.6) nã ®Æc tr ng cho chÕ ®é l ít cña tµu. Khi FrV > 1 chiÒu ch×m trung b×nh vµ ®é chói cña tµu thay ®æi 19
N¨ng l îng cña tµu truyÒn cho chÊt láng kÐo theo sù ph¸t sinh cña tr êng vËn tèc vµ ¸p suÊt, sù biÕn d¹ng cña mÆt tù do dÉn tíi xuÊt hiÖn sãng tµu. Do vËy ë phÝa sau tµu hoÆc m« h×nh tµu xuÊt hiÖn c¸c vÕt thuû ®éng. Tuy nhiªn cÊu tróc cña vÕt ®ã phô thuéc vµo h×nh d¸ng th©n tµu, vËn tèc, lùc nhít vµ träng lùc. S¬ ®å ph©n chia lùc c¶n cña n íc ra c¸c thµnh phÇn nh sau: XÐt luång ch¶y bao quanh tµu ®øng yªn ë mÆt tù do cña chÊt láng cã chiÒu s©u v« h¹n (H 1.4) H×nh 1.4. S¬ ®å luång ch¶y bao quanh tµu. §Ó tÝnh to¸n lùc thuû ®éng ta sö dông ®Þnh luËt ®éng l îng trong m«n c¬ chÊt láng: R    v.v n .dS   Pn .dS (1.5.1) S S Trong ®ã: S - mÆt kiÓm so¸t kÝn vµ kh«ng di ®éng n - ph ¬ng ph¸p tuyÕn ngoµi víi mÆt ®ã v vµ Pn - t ¬ng øng lµ vÐc t¬ vËn tèc vµ øng suÊt cña lùc mÆt trong chÊt láng nhít, Pn cã h íng tuú ý so mÆt S, Pn bao gåm ¸p suÊt nhít, ¸p suÊt råi, øng suÊt ph¸p, øng suÊt tiÕp. T¹i mÆt vu«ng gãc víi trôc x ta cã: Pn  Px  i.Pxx  j. xy  k. xz trong ®ã: v 2 Pxx   P  2 x   v x ' x  v v y   xy   x    v x ' v y '  y x    20
- Chän mÆt S cã d¹ng h×nh b×nh hµnh víi mÆt trªn lµ mÆt tù do to¹ ®é t ¬ng øng zB = f(x,y) vµ mÆt ít  cña tµu, mµ däc theo nã vn = 0. - MÆt S1 ®Æt ë xa phÝa tr íc tµu, mµ t¹i ®ã kh«ng cã vËn tèc ph¸t sinh vµ mÆt chÊt láng n»m ngang. - MÆt S2 ®Æt tuú ý sau tµu c¾t vÕt thuû ®éng. - MÆt n»m ngang S3 vµ c¸c mÆt th¼ng ®øng S4, S5 song song víi mÆt ph¼ng ®èi xøng cña tµu vµ c¸ch xa nã ®Ó vËn tèc ph¸t sinh lµ nhá nh»m bá qua ¶nh h ëng cña ®é nhít vµ sù t¹o sãng. §Ó tÝnh lùc c¶n ta chiÕu R lªn trôc x, ta ® îc 2 R x    v 2 .dS    v x .dS    v.v n .dS   Pxx .dS   Pxx .dS (1.5.2) S1 S2 S3 S4 S5 S1 S2 Theo ph ¬ng tr×nh liªn tôc víi mÆt S ta cã:  v n .dS   v.dS   v x .dS (1.5.3) S3 S4 S5 S1 S2 Dùa vµo (1.5.3) cho phÐp khö tÝch ph©n theo c¸c mÆt (S3 + S4 + S5) trong biÓu thøc (1.5.2) cßn ë mÆt S1 vµ S2 quy luËt ph©n bè ¸p suÊt theo quy luËt thuû tÜnh  gz , ta cã y zB y 12  z.dS   z.dS    zdzdy   2 y z B dy (1.5.4) S1 S2  y NÕu ®Èy mÆt S4 vµ S5 ra xa v« cïng ta cã lùc c¶n ® îc tÝnh theo biÓu thøc sau:    2 g  2 v 2 R x    v.v x  v x dS    P  gz  2 x   v' x dS  2  z B dy   x S2   S2  NÕu tµu chuyÓn ®éng trong kªnh hoÆc n íc n«ng th× vÕ ph¶i cña (1.5.4) cÇn kÓ thªm øng suÊt tiÕp theo chu vi kªn hoÆc ®¸y s«ng. Trong tr êng hîp chÊt láng kh«ng nhít, dßng ch¶y kh«ng xo¸y, lóc ®ã dßng ch¶y t¹i tiÕt diÖn tuú ý vµ t¹i S1, øng víi ®iÓm trªn mÆt tù do sÏ cã:   P  gz  0,5 v  v1x   v1y  v1z  0,5v 2 2 2 2 Trong ®ã: v1x, v1y, v1z lµ nh÷ng vËn tèc ph¸t sinh. Khö P+gz vµ xÐt øng suÊt nhít, øng suÊt rèi, lóc ®ã biÓu thøc (1.5.4) sÏ ® îc viÕt thµnh:  R x  0,5  ( v  v  v )dS  0,5g  z 2 dy 2 2 2 (1.5.5) 1x 1y 1z B S2  * BiÓu thøc (1.5.4) x¸c ®Þnh tæng lùc c¶n cña tµu trong chÊt láng nhít, cßn biÓu thøc (1.5.5) x¸c ®Þnh lùc c¶n cña tµu trong chÊt láng kh«ng nhít. * Khi tµu ë trong dßng ch¶y v« h¹n cña ch¾t láng nhít, nÕu bá qua øng suÊt nhít vµ rèi dùa vµo biÓu thøc (1.5.4) ta cã biÓu thøc tÝnh lùc c¶n nhít:    R x  R v     v.v x  v x  P  Po  dS 2 (1.5.6) S2 Trong ®ã: Po - ¸p suÊt thuû tÜnh n¬i ®Æt tµu Dùa vµo (1.5.5) vµ (1.5.6) ng êi ta tÝnh to¸n b»ng thùc nghiÖm c¸c lùc c¶n sãng vµ nhít. 21
Lùc c¶n Rx tØ lÖ thuËn víi diÖn tÝch mÆt ít . NÕu ph ¬ng tr×nh mÆt ít cña tµu cã d¹ng y = f(x,z) th× diÖn tÝch mÆt ít cña tµu sÏ lµ: 2 2 L/2 0  y   y    2         1.dxdz (1.6.1)  L / 2  T  x   z  V× rÊt khã x¸c ®Þnh y = f(x,z) cña mÆt thËt, nªn  ® îc tÝnh gÇn ®óng. - Theo ph ¬ng ph¸p h×nh thang: l  l  2L n   l i  o 2 n   (1.6.2) n i 0   Trong ®ã: n - sè kho¶ng s ên lý thuyÕt. NÕu tµu cã 21 kho¶ng s ên th× n = 20 l - chiÒu dµi lý thuyÕt cña c¸c s ên. ViÖc duçi th¼ng c¸c s ên lý thuyÕt ® îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc sau: 2 0  y  l  2  1    .dz  z  T gÇn ®óng th× trÞ sè l ® îc x¸c ®Þnh b»ng th íc cong. - Theo ph ¬ng ph¸p Treb sÐp: 2L m  li  (1.6.3) m i 1 Trong ®ã: m - sè s ên Treb sÐp. Ta lÇn l ît tÝnh trÞ sè  cho mét vµi chiÒu ch×m, råi x©y dùng ® êng cong  = f(T) sÏ cho phÐp x¸c ®Þnh  ë c¸c tr¹ng th¸i t¶i träng kh¸c nhau ( dïng cho tµu l ít vµ tµu c¸nh ngÇm). Trong giai ®o¹n thiÕt kÕ s¬ bé ch a cã tuyÕn h×nh tµu ta cã thÓ dïng c¸c c«ng thøc gÇn ®óng d íi ®©y ®Ó x¸c ®Þnh diÖn tÝch mÆt ít : - §èi víi tµu ch¹y nhanh: B    LT1,36  1,13  (1.6.4) T  - §èi víi tµu vËn t¶i cã hÖ sè bÐo thÓ tÝch lµ lín: B    LT 2  1,37  0,274   (1.6.5) T  - §èi víi tµu ®¸nh c¸: B    L PP T1  0,5 0,55  1,52 PP  (1.6.6) T  - §èi víi tµu s«ng kh«ng cã vßm ®u«i: L     V 2 / 3  5,1  0,074  0,4  (1.6.7) T   DiÖn tÝch  tÝnh theo c¸c c«ng thøc trªn cÇn ph¶i kÓ thªm diÖn tÝch phÇn nh« (gi¸ ®ì chong chãng, trôc chong chãng, b¸nh l¸i, ky l¸i, v©y gi¶m l¾c,...) tuú thuéc vµo c¸c phÇn nh«, trong tÝnh to¸n lÊy ph.nh« = (1,5  7)%. 22