ĐỘNG LỰC TÀU THUỶ - PHẦN 1 LỰC CẢN CHUYỂN ĐỘNG CỦA TÀU - CHƯƠNG 3

Chia sẻ: Nguyễn Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

184
lượt xem 31
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Lực cản sóng Khi tàu chuyển động trên mặt thoáng của chất lỏng trọng lực sẽ sinh ra sóng (sóng bản thân), sóng đó sinh ra lực cản sóng. Sóng sinh ra khi tàu chuyển động là do tác dụng của trọng lực và sức căng bề mặt của chất lỏng. Trọng lực đóng vai trò chính trong việc hình thành sóng và tạo nên lực cản sóng.

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 3

Ch ¬ng 3 Lùc c¶n sãng Khi tµu chuyÓn ®éng trªn mÆt tho¸ng cña chÊt láng träng lùc sÏ sinh ra sãng (sãng b¶n th©n), sãng ®ã sinh ra lùc c¶n sãng. Sãng sinh ra khi tµu chuyÓn ®éng lµ do t¸c dông cña träng lùc vµ søc c¨ng bÒ mÆt cña chÊt láng. Träng lùc ®ãng vai trß chÝnh trong viÖc h×nh thµnh sãng vµ t¹o nªn lùc c¶n sãng. H×nh 3.1. Sù t¹o thµnh sãng b¶n th©n. MÆt tho¸ng kh«ng ng¨n c¶n ® îc h¹t láng di chuyÓn theo h íng th¼ng ®øng, nªn theo ph ¬ng tr×nh Becnuli khi tµu chuyÓn ®éng trong n íc ë vïng mòi vµ ®u«i ¸p lùc t¨ng lªn lµm mÆt n íc d©ng lªn, cßn ë phÇn gi÷a tµu ¸p lùc gi¶m xuèng lµm mÆt n íc tôt xuèng (Xem H3.1) øng víi ® êng 1. D íi t¸c dông cña träng lùc vµ søc c¨ng bÒ mÆt c¸c h¹t láng n»m xung quanh tµu mÊt thÕ c©n b»ng b¾t ®Çu thùc hiÖn c¸c dao ®éng. Do t¸c dông cña lùc qu¸n tÝnh c¸c pha cña chóng bÞ tôt l¹i so víi c¸c kÝch thÝch c¬ b¶n, c¸c dao ®éng ®ã t ¬ng øng lµ ® êng 2 vµ ® êng 3 cã nguån lïi, lµm mÆt tho¸ng biÕn d¹ng lÆp ®i lÆp l¹i. Do kÕt hîp c¸c lo¹i biÕn d¹ng mÆt tho¸ng, mµ ë phÇn mòi n íc d©ng lªn gäi lµ ®Ønh sãng vµ phÇn gi÷a tµu n íc tôt xuèng gäi lµ ®¸y sãng. Sãng lan truyÒn vÒ phÝa sau ®u«i tµu vµ cã d¹ng h×nh d¶i qu¹t. Trªn h×nh 3.2 m« t¶ d¹ng sãng ë m¹n vµ sau ®u«i tµu H×nh 3.2. Sãng ë m¹n vµ sau ®u«i tµu. VËy khi vËn tèc kh¸c nhau th× kÕt cÊu cña ® êng dßng, tr êng vËn tèc vµ ¸p suÊt sÏ kh¸c nhau. KÕt luËn nµy ® îc kh¼ng ®Þnh qua h×nh vÏ d íi ®©y: 43
H×nh 3.3. Pr«fin sãng vµ sù ph©n bè ¸p suÊt däc th©n tµu. § êng I - ¸p lùc khi thö m« h×nh trong èng khÝ ®éng kh«ng chÞu ¶nh h ëng cña sãng b¶n th©n. Sù thay ®æi tr êng ¸p suÊt do sãng b¶n th©n dÉn ®Õn viÖc xuÊt hiÖn lùc c¶n sãng còng nh lùc n©ng, m« men däc lµm chiÒu ch×m vµ gãc chói cña tµu thay ®æi khi tµu chuyÓn ®éng. Sãng b¶n th©n bao gåm hai hÖ sãng chÐo vµ ngang. §èi víi tµu bÐo sãng mòi biÕn mÊt. Trªn nh÷ng tµu cã ®o¹n th©n èng dµi nh×n thÊy râ nhãm sãng chÐo vµ ngang ë phÝa mòi vµ ®u«i tµu. C¸c ®Ønh sãng nµy kh«ng n»m ngoµi giíi h¹n cña h×nh qu¹t, ® íng sinh cña h×nh qu¹t t¹o víi mÆt ph¼ng ®èi xøng gãc B, ë trong n íc s©u gãc nµy kh«ng phô thuéc tèc ®é, h×nh d¸ng tµu vµ b»ng kho¶ng 28  20o. Trong qu¹t nµy sù kÝch ®éng cña mÆt tho¸ng kh«ng ®¸ng kÓ vµ cµng xa biªn cña nã cµng dËp t¾t nhanh. C¸c ®Ønh cña c¸c sãng chÐo h¬i bÞ uèn cong nh ng trÞ sè cña gãc gi÷a ®o¹n ®Ønh sãng n»m gÇn biªn ngoµi cïng cña h×nh qu¹t vµ mÆt ph¼ng ®èi xøng lµ 2B. C¸c sãng ngang ®Òu n»m bªn trong qu¹t, c¸c ®Ønh cña chóng cã d¹ng h×nh cung nghiªng víi mÆt ph¼ng ®èi xøng gãc 90o. Toµn bé h×nh ¶nh cña sãng ngang sau ®u«i tµu ® îc t¹o thµnh bëi sù giao thoa vµ t¸c dông t ¬ng hç cña c¸c sãng ngang nhãm mòi vµ nhãm ®u«i. ChiÒu dµi c¸c sãng ngang t¨ng dÇn vÒ phÝa ®u«i. NÕu gi¶ thiÕt r»ng nguån dù tr÷ n¨ng l îng cña chóng lµ thay ®æi vµ n¨ng l îng sãng tØ lÖ víi b×nh ph ¬ng cña biªn ®é th× cã thÓ kÕt luËn r»ng: ChiÒu cao c¸c sãng ®ã gi¶m tØ lÖ nghÞch víi c¨n bËc hai cña kho¶ng c¸ch tÝnh tõ mòi (Xem H3.2). Khi tµu chuyÓn ®éng th× hÖ thèng sãng vÉn cè ®Þnh ®èi víi ng êi quan s¸t ®øng trªn tµu, nghÜa lµ nã di chuyÓn cïng víi vËn tèc v. Tõ lý thuyÕt sãng ta thÈy vËn tèc truyÒn sãng C víi biªn ®é rÊt bÐ trªn n íc s©u cã liªn quan víi chiÒu dµi sãng  theo hÖ thøc:  = 2C2/g (3.1.1) Khi lÊy C = v ta tÝnh ® îc sè l îng sãng chång xÕp lªn nhau däc theo ® êng n íc cña tµu: L/ = gL/(2v2) = 1/(2Fr2) (3.1.2) KÕt qu¶ ®óng víi sãng b¶n th©n cña m« h×nh tµu cã Fr < 0,5. D¹ng cña gå sãng phÝa sau ®u«i tµu lµ kÕt qu¶ giao thoa nhãm sãng mòi vµ ®u«i. 44
Qu¸ tr×nh t ¬ng t¸c gi÷a hai nhãm sãng cã thÓ xÐt ® îc nÕu thay thÕ mét c¸ch cã hÖ thèng t¸c dông cña ®iÓm mòi vµ ®iÓm ®u«i tµu b»ng ®iÓm ¸p suÊt d ¬ng (+) vµ ©m (-) di chuyÓn, kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c ®iÓm nµy cã thÓ lÊy b»ng boL, trong ®ã bo < 1. H×nh 3.4. S¬ ®å sãng b¶n th©n khi chÞu ¸p suÊt di ®éng. Sãng b¶n th©n sinh ra bëi c¸c ®iÓm ¸p suÊt di ®éng víi vËn tèc v trªn mÆt n íc, nã n»m gän trong qu¹t, cã ®Ønh lµ t©m ¸p suÊt vµ c¸c ® êng sinh t¹o víi nhau gãc 2B = 38o56'. C¸c s ên sãng ngang ®Çu tiªn n»m c¸ch sau t©m ¸p suÊt (+) vµ (-) mét kho¶ng xt = 5/6 vµ x = 9/8. Ta xÐt qu¸ tr×nh kÕt hîp c¸c dao ®éng sinh bëi c¸c ¸p suÊt (+) vµ (-). Tæng biªn ®é cña c¸c sãng ngang lµ: a  a 2  a 2  2a H a K cos  o (3.1.3) H K Trong ®ã: aH - biªn ®é hÖ sãng ngang ë mòi cã xÐt ®Õn l îng gi¶m nã khi chuyÓn vÒ phÝa ®u«i. aK - biªn ®é cña hÖ sãng ngang ë ®u«i. o - gãc lÖch pha cña c¸c sãng thuéc hai hÖ. Gãc o cã thÓ tÝnh dùa vµo h×nh 3.4 o = 2(boL + 0,5)/ V× cos[2( boL + 0,5)/] = -cos(2boL/) nªn dùa vµo c«ng thøc (3.1.2) ta cã thÓ viÕt:   a  a 2  a 2  2a H a K cos b o / Fr 2 (3.1.3) H K - NÕu pha cña c¸c sãng ngang hÖ mòi vµ ®u«i trïng nhau vµ cos(bo/Fr2) = -1, nghÜa lµ Fr2 = bo/n, trong ®ã n = 1,3,5,... th× sau ®u«i tµu xuÊt hiÖn c¸c sãng ngang giao thoa víi biªn ®é a = aH + aK. C¸c sè Fr vµ vËn tèc t ¬ng øng víi chóng trong tr êng hîp nµy lµ bÊt lîi. - Cßn khi cos(bo/Fr2) =1 sÏ x¶y ra hiÖn t îng ®¸y vµ ®Ønh cña hai nhãm sãng kÕt hîp víi nhau, lóc ®ã a = aH - aK vµ ®Ønh sãng ngang giao thoa sau ®u«i tµu sÏ bÞ san b»ng ®¸ng kÓ, c¸c sè Fr t¹o nªn hiÖn t îng nµy gäi lµ c¸c sè Fr cã lîi. HÖ sè bo phô thuéc vËn tèc vµ h×nh d¸ng th©n tµu: bo =  + Fr2/2 khi Fr <  / 2 NÕu Fr  0,5 qu¸ tr×nh giao thoa nãi trªn mÊt hÕt ý nghÜa. 45
Lùc c¶n sãng cña tµu thùc hoÆc m« h×nh ® îc x¸c ®Þnh b»ng biÒu thøc sau: R W    P cos(n , x )d  C«ng thøc nµy cho phÐp tÝnh lùc c¶n sãng cña chÊt láng kh«ng nhít cßn nÕu chÊt láng nhít th× tÝch ph©n bªn vÕ ph¶i lµ tæng cña lùc c¶n sãng vµ h×nh d¸ng. Khi thö m« h×nh tµu ta nhËn ® îc: C W  C  C Fo 1  k   (3.2.1) §Ó x¸c ®Þnh lùc c¶n sãng theo vÕt thuû ®éng häc ta cã thÓ sö dông c«ng thøc (1.5.5) Lùc c¶n sãng còng cã thÓ x¸c ®Þnh ® îc ngay khi ®· x¸c lËp ® îc mèi quan hÖ cña nã víi n¨ng l îng sãng. N¨ng l îng ®ã tØ lÖ thuËn víi b×nh ph ¬ng biªn ®é cña sãng. Trong vïng cña c¸c sè Fr bÊt lîi ng êi ta quan s¸t ® îc hiÖn t îng t¨ng t ¬ng ®èi cña biªn ®é c¸c sãng ngang. HÖ sè lùc c¶n sãng cã mét d·y cùc ®¹i vµ cùc tiÓu. Ngoµi ra khi Fr  0 vµ Fr   th× RW  0. Trªn h×nh 3.5 m« t¶ CW = f(Fr) cña c¸c Sªri m« h×nh tµu vËn t¶i cã hÖ sè bÐo thÓ tÝch  kh¸c nhau, ta nhËn thÊy c¸c cùc ®¹i vµ cùc tiÓu theo d¹ng gå vµ tròng. H×nh 3.5. HÖ sè lùc c¶n sãng theo c«ng thøc (3.2.1). a. cho c¸c m« h×nh Sªri "60" b. cho tµu cao tèc Trªn nh÷ng tµu cã h×nh d¸ng b×nh th êng th× c¸c gå trªn ® êng cong (c¸c cùc ®¹i) øng víi Fr b»ng 0,22; 0,25; 0,30 vµ 0,50. C¸c tµu vËn t¶i kh«ng ®¹t tíi trÞ sè Fr  0,5. Trªn nh÷ng tµu bÐo mòi tµu th× trong vïng Fr = 0,16  0,18 lùc c¶n sãng gÇn b»ng kh«ng nªn lùc c¶n ph¸ sãng mòi sÏ ®ãng vai trß ®¸ng kÓ. Lùc c¶n sãng phô thuéc vµo sè Fr, nªn ë nh÷ng sè Fr kh¸c nhau th× CW, CWB cña m« h×nh vµ tµu thùc ®ång d¹ng h×nh häc vµ sÏ b»ng nhau. Nh vËy h×nh ¶nh cña c¸c sãng ph¸t sinh ®ång d¹ng h×nh häc. Do ®ã: C W  C WB M  C W  C WB H   (3.2.2) Khi FrM  FrH  46
Lóc ®ã: LM vM  vH  vH k (3.2.3) LH NÕu sö dông c«ng thøc Rx = (CV + CW)v2/2 vµ kÕt hîp víi (3.2.2) ®Ó tÝnh lùc c¶n sãng th× tØ sè cña lùc c¶n sãng cña c¸c vËt ®ång d¹ng h×nh häc khi c¸c sè Fr b»ng nhau cã thÓ viÕt: R WM C WM  M v 2  M  M 3 M k   (3.2.4) 2 R WH H C WH  H v H  H V× k3 = VM/VH; D = gV nªn: RWM/DM = RWH/DH (3.2.5) NghÜa lµ lùc c¶n sãng ®¬n vÞ cña m« h×nh vµ tµu thùc b»ng nhau khi FrM = FrH. Lùc c¶n sãng cña tµu chñ yÕu phô thuéc vµo sè Fr vµ h×nh d¸ng th©n tµu, RW  0 khi Fr bÐ hoÆc lín. ViÖc gi¶m sè Fr kh«ng ph¶i lµ gi¶m lùc c¶n sãng theo h íng tÝch cùc, tuy nhiªn nhiÒu tr êng hîp khi gi¶m sè Fr cã thÓ ®¹t u thÕ vÒ lùc c¶n sãng vµ ® a chuyÓn ®éng vµo vïng tèc ®é cã lîi (H3.5). - ViÖc thay ®æi sè Fr theo h íng cã lîi khi gi÷ nguyªn tèc ®é chuyÓn ®éng b»ng c¸ch thay ®æi chiÒu dµi tµu. - ViÖc gi¶m ®ét ngét hoÆc triÖt tiªu hoµn toµn lùc c¶n sãng khi ® a chuyÓn ®éng vµo sè Fr > 1,0, c¸c chÕ ®é nµy lµ chÕ ®é næi tÜnh b»ng chÕ ®é l ít (næi ®éng), hay nãi c¸ch kh¸c lµ vïng tµu c¸nh ngÇm hoÆc tµu ®Öm khÝ. - Dïng tµu ngÇm: Víi sè Fr ®· cho ®Ó gi¶m lùc c¶n sãng b»ng c¸ch chän hîp lý c¸c kÝch th íc vµ hÖ sè bÐo th©n tµu. T¨ng L/B vµ  = 3 V . §Ó gi¶m lùc c¶n sãng ta dïng thiÕt bÞ giao thoa nh mòi qu¶ lª, c¸nh,... NÕu chän kÝch th íc vµ vÞ trÝ hîp lý cña mòi qu¶ lª th× hÖ sãng do b¶n th©n mòi qu¶ lª sinh ra sÏ giao thoa cã lîi víi th©n chÝnh cña tµu lµm gi¶m lùc c¶n sãng. H×nh 3.6. S¬ ®å cña c¸c thiÕt bÞ giao thoa. a. mòi qu¶ lª b. c¸nh mòi c. gãt m¹n H×nh 3.7 giíi thiÖu lùc c¶n d ®¬n vÞ cña tµu cã hoÆc kh«ng cã thiÕt bÞ giao thoa. 47
H×nh 3.7. Lùc c¶n d ®¬n vÞ cña tµu. 1. kh«ng cã mòi qu¶ lª 2. cã mòi qu¶ lª 3. cã c¸nh mòi 48