121
Ch ¬ng 17
Sù t ¬ng t¸c thuû ®éng gi÷a thiÕt bÞ ®Èy vµ th©n tµu
17.1. Kh¸i niÖm chung vÒ sù tK¬ng t¸c thuû ®éng
gi÷a thiÕt bÞ ®Èy vµ th©n tµu
Th©n tµu tù ch¹y, cßn thiÕt bÞ ®Èy lµm viÖc c¹nh nã, vÒ ph ¬ng diÖn c¬ thuû häc lµ
mét hÖ thèng duy nhÊt mµ gi÷a c¸c phÇn tö cña nã cã sù t ¬ng t¸c thuû ®éng lùc dÉn
®Õn sù ph©n bè l¹i c¸c lùc t¸c dông lªn chóng. B¶n chÊt cña sù t ¬ng t¸c nµy lµ sù ¶nh
h ëng lÉn nhau cña c¸c tr êng thuû ®éng lùc do th©n tµu vµ thiÕt bÞ ®Èy t¹o ra. ThiÕt bÞ
®Èy lµm thay ®æi tr êng tèc ®é vµ ¸p suÊt trªn th©n tµu. Do ®ã lùc c¶n cña tµu khi thiÕt
bÞ ®Èy lµm viÖc kh«ng b»ng lùc c¶n cña tµu khi bÞ kÐo ®i.
Nh vËy, kh¸c víi c¸c lùc kh«ng ®æi theo thêi gian t¸c dông lªn thiÕt bÞ ®Èy khi
lµm viÖc trong n íc tù do, c¸c lùc t¸c dông lªn thiÕt bÞ ®Èy khi lµm viÖc sau th©n tµu do
dßng ch¶y kh«ng ®Òu, song song víi thµnh phÇn cè ®Þnh cßn cã thµnh phÇn kh«ng
dõng. Do thiÕt bÞ ®Èy lµm viÖc, nªn trªn th©n tµu ph¸t sinh ra ¸p suÊt kh«ng æn ®Þnh. V×
vËy sù t ¬ng t¸c nãi trªn kh«ng chØ x¸c ®Þnh hiÖu qu¶ sö dông c«ng suÊt cña hÖ ®éng
lùc, mµ cßn c¶ c¸c tÝnh chÊt khai th¸c cña tµu cã liªn quan ®Õn viÖc ph¸t sinh ¸p suÊt
kh«ng æn ®Þnh trªn thiÕt bÞ ®Èy vµ th©n tµu, còng nh c¸c chÊn ®éng sinh ra bëi ¸p suÊt
®ã. Khi thiÕt kÕ thiÕt bÞ ®Èy còng nh lùa chän h×nh d¸ng phÇn ®u«i tµu ®Òu ph¶i l u ý
®Õn sù t ¬ng t¸c nµy.
Trong khi sù t ¬ng t¸c lµ mét hiÖn t îng thuû ®éng phøc t¹p, th× sù nghiªn cøu
chÆt chÏ nã b»ng lý thuyÕt gÆp v« vµn khã kh¨n vµ cho tíi nay vÉn ch a ®em l¹i kÕt
qu¶. V× vËy ®Ó nghiªn cøu hiÖn t îng ®ã ng êi ta ¸p dông ph ¬ng ph¸p gÇn ®óng ®Ó
xÐt riªng biÖt ¶nh h ëng cña th©n tµu v¬Ý sù lµm viÖc cña thiÕt bÞ ®Èy vµ sù lµm viÖc
cña thiÕt bÞ ®Èy ®èi víi dßng bao th©n tµu. Khi nghiªn cøu dßng bao th©n tµu th× dßng
ch¶y tíi nã ® îc thay b»ng t¸c dông cña thiÕt bÞ ®Èy.
ViÖc lîi dông ph ¬ng ph¸p gÇn ®óng ®ã cho phÐp ¸p dông mét c¸ch kh¸ ®¬n gi¶n
c¸c kÕt qu¶ thö m« h×nh chong chãng lµm viÖc ®éc lËp trong n íc tù do ®Ó thiÕt kÕ
chong chãng lµm viÖc sau th©n tµu. Tuy nhiªn ngay theo c¸ch ®Æt vÊn ®Ò ®¬n gi¶n ®ã
dùa theo c¸ch gi¶i quyÕt b»ng lý thuyÕt chØ cã thÓ nhËn ® îc c¸c hÖ thøc vÒ mÆt chÊt
l îng. Ph ¬ng ph¸p chÝnh ®Ó thu ® îc c¸c kÕt qu¶ vÒ mÆt sè l îng ®Ó tÝnh to¸n kh¶
n¨ng di ®éng lµ thÝ nghiÖm.
17.2. Dßng theo vµ c¸c thµnh phÇn cña nã
Khi tµu chuyÓn ®éng trong chÊt láng sau ®u«i tµu sÏ xuÊt hiÖn dßng n íc cïng
chuyÓn ®éng h íng vÒ phÝa chuyÓn ®éng cña tµu vµ v× thÕ gäi lµ dßng theo. Th«ng
th êng dßng theo ® îc x¸c ®Þnh t¹i n¬i ®Æt thiÕt bÞ ®Èy (t¹i ®Üa thiÕt bÞ ®Èy). Dßng theo
® îc x¸c ®Þnh khi kh«ng cã thiÕt bÞ ®Èy gäi lµ dßng theo ®Þnh møc.
Tæng vect¬ tèc ®é cña dßng theo t¹i mét ®iÓm bÊt k× trªn ®Üa cã thÓ ph©n ra thµnh
ba thµnh phÇn: h íng trôc, h íng tiÕp tuyÕn vµ h íng b¸n kÝnh. Khi tÝnh to¸n vµ thiÕt
122
kÕ thiÕt bÞ ®Èy ng êi ta chØ chó ý tíi thµnh phÇn h íng trôc vµ tiÕp tuyÕn cña tèc ®é
dßng theo, ® îc kÝ hiÖu lµ
v
yx vµ
v
yq. LËp tØ sè :
yx =
v
yx/v , yq =
v
yq/
v
(17.2.1)
c¸c hÖ sè yx vµ yq - gäi lµ hÖ sè dßng theo. Do h×nh d¸ng phÇn ®u«i tµu lµ phøc t¹p,
tÝnh chÊt kh¸c biÖt cña dßng theo lµ møc ®é kh«ng ®ång ®Òu t¹i ®Üa thiÕt bÞ ®Èy, v× thÕ
c¸c hÖ sè dßng theo yx vµ yq thay ®æi tõ ®iÓm nµy sang ®iÓm kh¸c. H×nh 17.1 biÓu
diÔn c¸c hÖ sè dßng theo yx. Tèc ®é dßng theo cã trÞ sè lín nhÊt ë gÇn mÆt ®èi xøng vµ
gi¶m dÇn vÒ hai m¹n. §èi víi tµu mét chong chãng dßng theo ®Þnh møc ®èi xøng qua
mÆt ph¼ng ®èi xøng (Xem H17.1.a). §èi víi tµu hai chong chãng dßng theo gÇn nh
®èi xøng qua mÆt ph¼ng ®èi xøng cña gi¸ ch÷ nh©n hoÆc c¸c æ ®ì trôc (Xem H17.1.b).
a) b)
H×nh 17.1. Tr êng thµnh phÇn h íng trôc cña hÖ sè dßng theo
a. tµu mét trôc chong chãng
b. tµu hai trôc chong chãng
Trong tr êng hîp chung c¸c hÖ sè dßng theo ë mÆt ph¼ng ®Üa phô thuéc vµo hai
to¹ ®é - gãc quay c¸nh q vµ b¸n kÝnh r mµ phÇn tö c¸nh t¹i vÞ trÝ ®ã: y = y(r, q).
Trªn h×nh 6.2 tr×nh bµy sù thay ®æi cña c¸c thµnh phÇn yx vµ yq theo gãc quay cña
c¸nh cho tµu mét chong chong víi h×nh d¸ng phÇn ®u«i b×nh th êng, c¸c sè liÖu ®Òu
m« t¶ cho b¸n kÝnh r = 0,64R, trong ®ã R - b¸n kÝnh chong chãng. §èi víi tµu mét
chong chãng hÖ sè dßng theo yx = yx(q) vµ yq = yq(q) ®èi xøng qua mÆt ph¼ng ®èi
xøng.
Tèc ®é côc bé cña dßng theo ®Þnh møc cã thÓ ® îc dïng ®Õn khi x¸c ®Þnh c¸c lùc
tøc thêi sinh ra trªn c¸c phÇn tö c¸nh vµ c¸c ®Æc tÝnh cña chong chãng nãi chung.
y = 0,2
x
0,4 0,5
0,6
0,7
0,3 0,3
0,5
0,6
0,4
0,2
a)
x
y = 0,01
0,05
0,1 0,2
0,3
0,5
0,01
0,05
0,1
0,2
0,5
0,3
123
v
x/
v
= 1
-
f
x(r)
Khi tÝnh to¸n kh¶ n¨ng di ®éng ng êi ta sö dông trÞ sè trung b×nh cña dßng theo.
C¸c hÖ sè dßng theo trung b×nh t¹i mét b¸n kÝnh ® îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc :
ò
=
p
qqy
p
y
2
0
),(
2
1
)( drr (17.2.2)
Khi lÊy trung b×nh nh vËy, th× thµnh phÇn tiÕp tuyÕn cña hÖ sè dßng theo
y
q
th êng b»ng kh«ng, v× thÕ khi tÝnh kh¶ n¨ng di ®éng ng êi ta chØ quan t©m tíi thµnh
phÇn h íng trôc cña dßng theo
y
x. Sù ph©n bè theo b¸n kÝnh cña thµnh phÇn nµy phô
thuéc kh¸ nhiÒu vµo h×nh d¸ng ®u«i tµu vµ kh¸c nhau ®èi víi tµu mét hoÆc hai trôc nh
tr×nh bµy ë h×nh 6.3, trªn ®ã tr×nh bµy c¸c sè liÖu vÒ tû sè tèc ®é:
v
x(r)/
v
= 1 -
y
x(r).
Nh ®· thÊy tèc ®é ë gÇn cñ cña chong chãng cã trÞ sè nhá nhÊt, sù ph©n bè tèc ®é
theo b¸n kÝnh cho tµu mét truc kh«ng ®ång ®Òu so víi tµu hai trôc.
VÒ trÞ sè trung b×nh cña hÖ sè dßng theo ®Þnh møc t¹i ®Üa ® îc x¸c ®Þnh :
ò ò
-
==
0
)(
21
22
0A
R
r
HH
drr
rR
dA
A
yyy
(17.2.3)
trong ®ã: A0 - diÖn tÝch ®Üa thiÕt bÞ ®Èy , rH - b¸n kÝnh cñ.
Khi tÝnh to¸n ng êi ta th êng lÊy trÞ sè trung b×nh theo chu vi vßng trßn ë b¸n kÝnh
r = ( 0,65 ÷ 0,7 )R lµm trÞ sè trung b×nh cña dßng theo, nã gÇn b»ng y. Trªn h×nh 17.3
thÓ hiÖn ba ® êng cong khi: y = 0,35.
Dßng theo cã thÓ gåm hai phÇn. PhÇn thø nhÊt lµ tr êng tèc ®é sau th©n tµu ngoµi
giíi h¹n líp biªn gäi lµ dßng theo cã thÕ. Dßng theo nµy tån t¹i c¶ trong chÊt láng
kh«ng nhít.
Thµnh phÇn dßng theo cã thÕ ® îc sinh ra bëi hai nguyªn nh©n. Nguyªn nh©n thø
nhÊt lµ khi tµu chuyÓn ®éng sÏ sinh ra mét khèi chÊt láng, mµ khèi chÊt láng nµy ® îc
dån vµo kh«ng gian tù do ë sau ®u«i tµu vµ sau ®ã chuyÓn ®éng cïng chiÒu víi chiÒu
chuyÓn ®éng cña tµu .PhÇn dßng theo nµy gäi lµ dßng theo h¾t ra.
Nguyªn nh©n thø hai lµ xuÊt hiÖn sãng b¶n th©n do tµu ch¹y trªn mÆt tho¸ng, lµm
thay ®æi tr êng tèc ®é t¹i n¬i ®Æt thiÕt bÞ ®Èy. PhÇn dßng theo nµy gäi lµ phÇn dßng
theo sãng.
H×nh 17.2.
Sù thay ®æi thµnh
phÇn h íng trôc vµ tiÕp tuyÕ
n
cña hÖ sè dßng theo phô thuéc
gãc quay c¸nh.
H×nh 17.3.
Sù ph©n bè tèc ®é thµnh
c¸c kiÓu ®u«i tµu kh¸c nhau: 1. ch÷ U
vµ qu¶ lª; 2. d¹ng ch÷ V; 3. tµu hai
chong chãng
x
f
0,5
0
0,1
-0,1
060120180240300360
q
y (q)
x
1,0
y (q)
q
q
y
00,2 0,4 0,80,6 1,0
0,4
0,6
1,0
0,8
r/R
0,2
2
1
3
0,1
1
0
124
Nh vËy, dßng theo cã thÕ
v
yq cã thÓ viÕt d íi d¹ng
v
yP =
v
yd + Y
v
yw (17.2.4)
trong ®ã:
v
yd - tèc ®é dßng h¾t ra,
v
yw - tèc ®é dßng theo sãng.
PhÇn thø hai cña dßng theo ® îc sinh ra bëi ¶nh h ëng cña ®é nhít chÊt láng. Líp
biªn trªn bÒ mÆt th©n tµu ®· ph©n bè l¹i tèc ®é so víi tr êng hîp tµu ch¹y trong chÊt
láng kh«ng nhít.
Do ¶nh h ëng cña ®é nhít phÇn chÊt láng bÞ cuèn vÒ phÝa sau th©n tµu sÏ t¹o nªn
dßng theo nhít
v
yV. Nh vËy, gÇn ®óng cã thÓ coi tæng hÖ sè dßng theo lµ tæng cña ba
thµnh phÇn:
y = yP + yv = yd + yw + yn (17.2.5)
trong ®ã : yd - hÖ sè dßng theo h¾t ra yw - hÖ sè dßng theo sãng, yn - hÖ sè dßng
theo cã nhít.
Ta nhÊn m¹nh r»ng: ®èi víi c¸c tµu vËn t¶i biÓn vai trß quyÕt ®Þnh trÞ sè vµ ph©n bè
tèc ®é dßng theo t¹i ®Üa thiÕt bÞ ®Èy lµ thµnh phÇn nhít. Trªn h×nh 6.4 thÓ hiÖn sù ph©n
bè theo chu vi vßng trßn t¹i r/R = 0,60 cña
thµnh phÇn cã thÕ vµ hÖ sè dßng theo tæng cho
tµu dÇu cã d = 0,75.
TrÞ sè y lµ d ¬ng khi dßng theo trung b×nh
h íng cïng chiÒu víi chiÒu chuyÓn ®éng cña
tµu. Dßng theo h¾t ra vµ dßng theo nhít lu«n
d ¬ng. Dßng theo sãng cã thÓ d ¬ng hoÆc ©m.
Khi chong chãng lµm viÖc d íi ®Ønh sãng th×
dßng theo sãng sÏ lµ d ¬ng, lµm viÖc d íi ®¸y
sãng sÏ lµ ©m. Trªn c¸c tµu vËn t¶i hiÖn nay, trõ
c¸c tµu ch¹y nhanh dßng theo sãng lµ bÐ vµ
th êng kh«ng chó ý ®Õn khi tÝnh to¸n. C¸c tµu
ch¹y nhanh, vÒ nguyªn t¾c dßng theo sãng ©m
nªn lµm tæng hÖ sè dßng theo gi¶m xuèng.
17.3. Dßng theo cã Ých vµ tèc ®é cña dßng theo
Chong chãng lµm viÖc sau th©n tµu vµ lµm thay ®æi dßng theo ®Þnh møc cña nã.
Dßng theo sau th©n tµu sinh ra khi chong chãng lµm viÖc ® îc gäi lµ dßng theo cã Ých.
Tèc ®é dßng theo cã Ých lµ hiÖu sè gi÷a tèc ®é dßng ch¶y qua chong chãng khi nã lµm
viÖc sau th©n tµu vµ khi kh«ng cã nã . Nh vËy, ta gi¶ thiÕt r»ng: diÖn tÝch mÆt c¾t thuû
lùc cña chong chãng trong c¶ hai tr êng hîp vÉn nh nhau vµ c¶ tæng tèc ®é c¶m øng
còng gièng nhau. Tèc ®é c¶m øng do chong chãng lµm viÖc g©y nªn kh«ng ® îc xÕp
vµo dßng theo cã Ých.
nh h ëng cña chong chãng ®èi víi sù ph©n bè tèc ®é vµ trÞ sè cña dßng theo cã
Ých vµ sù kh¸c nhau cña dßng theo cã Ých víi dßng theo ®Þnh møc phô thuéc kh¸ nhiÒu
vµo tÝnh chÊt dßng bao cña phÇn ®u«i tµu vµ t¶i träng cña chong chãng. §èi víi nh÷ng
tµu cã hÖ sè bÐo trung b×nh vµ t¶i träng chong chãng thÊp, c¸c trÞ sè trung b×nh t¹i ®Üa
chong chãng cña dßng theo cã Ých vµ ®Þnh møc Ýt cã sù kh¸c nhau.
Trªn c¸c tµu bÐo, ë ®ã dßng theo c¬ b¶n ® îc t¹o nªn bëi ¶nh h ëng cña ®é nhít
®ång thêi cã thÓ xuÊt hiÖn hiÖn t îng t¸ch biªn, chong chãng cã hÖ sè t¶i träng lín CTA
= 5 ÷ 10 cã ¶nh h ëng ®¸ng kÓ tíi dßng theo nhÊt lµ ®èi víi thµnh phÇn nhít. nh
060 80 q°
0,2
0,4
0,6
0,8
y ;
y
yp
p
y
0,1
H×nh 17.4.
So s¸nh hÖ sè dßng
theo cã thÕ vµ tæng hÖ sè dßng
theo ë b¸n kÝnh r = 0,6R
125
h ëng cña chong chãng tíi hiÖn t îng t¸ch biªn cßn lµm phøc t¹p h¬n nhiÒu h×nh ¶nh
xuÊt hiÖn dßng theo cã Ých vµ kh¸c víi dßng theo ®Þnh møc.
LÊy vÝ dô trªn h×nh 17.5 ta tr×nh bµy c¸c ® êng cong hÖ sè dßng theo h íng trôc
cña dßng theo ®Þnh møc vµ cã Ých t¹i ®Üa chong chãng cho tµu dÇu cì lín ®u«i d¹ng x×
gµ vµ trªn h×nh 17.6 m« t¶ ¶nh h ëng cña chong chãng ®ang lµm viÖc ®èi víi sù ph©n
bè tèc ®é côc bé trung b×nh còng cho tµu dÇu ®é bÐo lín. §èi víi nh÷ng tµu nµy sù
ph©n bè dßng theo cã Ých kh¸c h¼n víi sù ph©n bè dßng theo ®Þnh møc. ViÖc bá qua sù
kh¸c nhau nµy cã thÓ ®em l¹i sù sai lÇm nghiªm träng khi tÝnh to¸n c¸c ®Æc tÝnh thuû
®éng lùc vµ x©m thùc cña chong chãng sau th©n tµu. §èi víi nh÷ng tµu cã ®é bÐo nhá
vµ trung b×nh th× hiÖu sè tèc ®é cña dßng theo ®Þnh møc vµ cã Ých lµ kh«ng lín.
a) b)
H×nh 17.5. So s¸nh tr êng hÖ sè thµnh phÇn h íng trôc cña
dßng theo cã Ých (a) vµ ®Þnh møc (b)
cña tµu dÇu cì lín víi ®u«i d¹ng X× gµ
a) b)
H×nh 6.6. nh h ëng cña chong chãng tíi sù ph©n bè thµnh
phÇn h íng trôc côc bé vµ trung b×nh theo chu vi
(a) vµ b¸n kÝnh (b) cña dßng theo
So s¸nh c¸c trÞ sè trung b×nh cña dßng theo ®Þnh møc vµ cã Ých cÇn chó ý r»ng:
trong tr êng hîp chung nhÊt t¸c dông hót cña chong chãng ®èi víi tèc ®é sÏ t¨ng thµnh
phÇn cã thÕ vµ gi¶m thµnh phÇn nhít cña dßng theo . §èi víi nh÷ng tµu cã h×nh d¸ng
thon nhän vµ nh÷ng tµu cã hÖ sè bÐo trung b×nh sù thay ®æi cña chóng hÇu nh ® îc bï
trõ lÉn nhau. V× vËy th«ng th êng dßng theo cã Ých h¬i lín h¬n hoÆc b»ng dßng theo
®Þnh møc.
1,0
0,8
0,7
0,6
0,4
0,3
0,2
0,7
0,6
y
= 0,7
0,8
0,6
0,5
x
XE
y
= 0,5
0,5
0,5
1,0
1,0
0
0
0,5
1,0
90 180
XE
y
r/R =0,7
X
y ;
y
XE
X;
y
X
y y
X
XE
y
y
XE
1,0
1
r/R
q, ®é