Bài giảng ĐỘNG LỰC TÀU THUỶ part 3

Chia sẻ: Asdhdk Dalkjsdhak | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:18

Thêm vào BST

Báo xấu

115
lượt xem 24
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trọng tải 75.000T Tải trọng của tàu càng lớn thì tổn thất tốc độ càng lớn hơn. Tàu chuyên tuyến đ ợc quét sơn chống hà, l ợng bổ xung hệ số lực cản nhớt CV sinh ra do ảnh h ởng của lớp hà bám do LUIT đ a ra công thức sau: CV = (0,076n + 0,006n2).10-3 Trong đó: n - số tháng sau khi tàu lên đà. Sau các kỳ lên đà lực cản của tàu mới đ ợc sơn từ từ tăng lên do thay đổi kết cấu mặt nhám của chúng. Theo LAKENBƠ đối với...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng ĐỘNG LỰC TÀU THUỶ part 3

H×nh 2.11. L îng t¨ng hÖ sè c¶n ma s¸t CF øng víi sè Re = 8.106 2.107 cña tÊm ®· s¬n phô thuéc vµo thêi gian ng©m n íc. Hµ b¸m ®· lµm tæn thÊt tèc ®é tµu mét c¸ch ®¸ng kÓ (Xem H2.12) H×nh 2.12. L îng tæn thÊt tèc ®é cña tµu dÇu do hµ b¸m. 1. Träng t¶i 33.000T 2. Träng t¶i 130.000T 3. Träng t¶i 75.000T T¶i träng cña tµu cµng lín th× tæn thÊt tèc ®é cµng lín h¬n. Tµu chuyªn tuyÕn ® îc quÐt s¬n chèng hµ, l îng bæ xung hÖ sè lùc c¶n nhít CV sinh ra do ¶nh h ëng cña líp hµ b¸m do LUIT ® a ra c«ng thøc sau: CV = (0,076n + 0,006n2).10-3 Trong ®ã: n - sè th¸ng sau khi tµu lªn ®µ. Sau c¸c kú lªn ®µ lùc c¶n cña tµu míi ® îc s¬n tõ tõ t¨ng lªn do thay ®æi kÕt cÊu mÆt nh¸m cña chóng. Theo LAKENB¥ ®èi víi c¸c tµu vËn t¶i cì lín sau ba lÇn lªn ®µ víi kho¶ng thêi gian 1  1,5 n¨m l îng t¨ng c«ng suÊt cÇn thiÕt PD ®Ó gi÷ nguyªn tèc ®é ban ®Çu cña tµu cã thÓ ®¹t tíi 8  30%. VËy viÖc dïng s¬n £p«xy vµ b¶o vÖ b»ng ®iÖn cùc ngoµi t¹o kh¶ n¨ng b¶o toµn ® îc vá tµu. ThÝ nghiÖm cho thÊy ng©m m« h×nh trong n íc cña bÓ thö sau thêi gian 1,5  2 th¸ng th× l îng t¨ng hÖ sè lùc c¶n nhít CV lªn tíi (0,15  0,2).10-3. Lùc c¶n nhít ®ãng vai trß chÝnh trong tæn lùc c¶n cña tµu, cßn ë nh÷ng vËt ch×m hoµn toµn hÇu nh chØ cã lùc c¶n nhít. VËy viÖc t×m c¸c biÖn ph¸p gi¶m lùc c¶n nhít lµ ®iÒu quan träng. §èi víi c¸c vËt thÓ dÔ tho¸t n íc chó ý ®Õn viÖc gi¶m lùc c¶n ma s¸t v× thµnh phÇn lùc c¶n h×nh d¸ng kh«ng lín. Cßn ®èi víi c¸c vËt thÓ khã tho¸t n íc ph¶i gi¶m lùc c¶n h×nh d¸ng. §Ó gi¶m lùc c¶n nhít ph¶i gi¶m ®é nh¸m chung vµ ®é nh¸m côc bé, ®Æc biÖt lµ ®é nh¸m do viÖc quÐt s¬n, phßng chèng rªu hµ b¸m vµ ®é ¨n mßn, ¸p dông c¸c d¹ng tµu tr¸nh hiÖn t îng t¸ch líp biªn. 36
§a sè c¸c ph ¬ng ph¸p ®Ó gi¶m lùc c¶n nhít lµ ® a vµo viÖc lµm thay ®æi c¸c ®Æc tÝnh dßng ch¶y trong líp biªn theo h íng quy ®Þnh, nghÜa lµ theo h íng nhê líp biªn. Mét trong nh÷ng ph ¬ng ph¸p gi¶m lùc c¶n cho vËt dµi lµ thay ®æi dßng rèi b»ng dßng ch¶y tÇng c¶ khi trÞ sè Re lín. C¸c ph ¬ng ph¸p gi¶m lùc c¶n nhít ® îc cô thÓ ho¸ nh sau: * ViÖc ch¶y tÇng ho¸ líp biªn cã thÓ thùc hiÖn ® îc b»ng c¸ch t¹o ra nh÷ng h×nh P d¹ng ®Æc biÖt cho vËt thÓ mµ ë ®ã trªn phÇn lín chiÒu dµi cã < 0 vµ ®iÓm cùc tiÓu x cña biÓu ®å ¸p suÊt dÞch vÒ phÝa ®u«i. Nh÷ng vËt thÓ vµ pr«fin mµ h×nh d¸ng vµ ®é nh½n bÒ mÆt cña chóng cã kh¶ n¨ng duy tr× ® îc líp biªn ch¶y tÇng trªn mét m¶ng bÒ mÆt lín ® îc gäi lµ c¸c ®èi t îng ch¶y tÇng ho¸. T¸c ®éng cÇn thiÕt khi ph©n bè ¸p suÊt cã thÓ ®¹t ® îc b»ng c¸ch dÞch mÆt c¾t lín nhÊt cña pr«fin hoÆc vËt trßn xoay vÒ t©m hoÆc vÒ ®u«i. H×nh 2.13 tr×nh bµy mét trong c¸c pr«fin B vµ c¸c hÖ sè c¶n cña nã so víi pr«fin b×nh th êng A cã cïng chiÒu dµy. ChÕ ®é ch¶y tÇng ho¸ chØ hiÖu qu¶ tíi sè Re  (3  5).107, sau ®ã líp biªn sÏ chuyÓn sang rèi vµ u ®iÓm cña pr«fin ch¶y tÇng ho¸ sÏ biÕn mÊt. H×nh 2.13. ¶nh h ëng cña l îng tôt ¸p H×nh 2.14. ¶nh h ëng cña ch¶y tÇng däc vµ hót chÊt láng. ho¸ vµ hót. * Ph ¬ng ph¸p ch¶y tÇng ho¸ nh©n t¹o lµ lîi dông viÖc hót chÊt láng tõ líp biªn qua bÒ mÆt cña vËt thÓ, ®iÒu nµy cho phÐp gi¶m bít chiÒu dµy cña líp biªn, nghÜa lµ gi¶m Re*, ®ång thêi thay ®æi d¹ng biÓu ®å ph©n bè vËn tèc (Xem H2.14). Khi hót liªn tôc víi vËn tèc voy kh«ng ®æi däc theo chiÒu dµi. H×nh 2.15. Sù ph©n bè vËn tèc trong líp biªn ch¶y tÇng cña tÊm. § êng 1 h×nh 2.13 tr×nh bµy vïng tÇn sè kÝch thÝch ph¸ ho¹i æn ®Þnh cña biÓu ®å khi hót trong ®ã Re1*  80.000. 37
v x Trªn h×nh 2.15 trÞ sè khi y = 0 cña biÓu ®å 1 lín h¬n biÓu ®å 2. v y HÖ sè hót Q CQ = (2.9.1) v Trong ®ã: Q - l u l îng hót trong mét gi©y. Khi hót xuÊt hiÖn lùc c¶n xung bæ xung cña dßng lµm ®éng l îng mÊt ®i mét l îng lµ: Rl = vQ (2.9.2) Khi hót ph¶i hót qua nhãm lç hoÆc khe n»m trªn mÆt vËt thÓ. Trªn h×nh 2.14 hót líp biªn qua lç trªn profin Co cßn ® êng cong C øng víi pr«fin kh«ng hót. L u l îng Q cña chÊt láng ® îc hót trªn mét ®¬n vÞ chiÒu réng khe hót vµ chiÒu s©u hót ko = 2**/1** lµ: Q = 6(1 - ko0,228)Ren** (2.9.3) Trong ®ã: 1** - tr íc khe 2** - sau khe Kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c khe ®èi víi tÊm ph¼ng lµ: li = Ren**(1 - koi2)/(0,44v) (2.9.4) §Ó tr¸nh ¶nh h ëng cña ®é nh¸m ph¶i sao cho ** > 1,5k. * ViÖc ch¶y tÇng ho¸ líp biªn ®¹t ® îc ngay c¶ khi thay ®æi c¸c tÝnh chÊt cña chÊt láng, vÝ dô ®èt nãng hoÆc lµm l¹nh bÒ mÆt vËt thÓ sÏ lµm thay ®æi ®é nhít trong líp biªn, dÉn ®Õn thay ®æi cÊu tróc cña tr êng vËn tèc còng nh Re* vµ ®é æn ®Þnh cña líp biªn. V× nhiÖt ®é t¨ng th× ®é nhít gi¶m ch¶y tÇng ho¸ thuËn lîi h¬n. * ViÖc nghiªn cøu qu¸ tr×nh b¬i cña c¸ ®enphin ng êi ta ®· h íng vµo viÖc sö dông nh÷ng líp dÔ ®µn håi phñ lªn bÒ mÆt vËt thÓ ®Ó gi¶m lùc c¶n ma s¸t, kÐo dµi ®o¹n chuyÓn tiÕp tõ ch¶y tÇng sang ch¶y rèi trong líp biªn do t¨ng trÞ sè Re1* (Xem H2.16) * §Ó gi¶m bít lùc c¶n ma s¸t cã thÓ ¸p dông bÒ mÆt cã g©n víi c¸c b íc däc. VÝ dô d¹ng r·nh c a mÆt c¾t ngang ®Æt däc theo dßng, nªn c¸c r·nh c a gi¶m l îng chiÕm n íc toÐ ngang (Xem H2.17). H×nh 2.16. HÖ sè c¶n nhít. H×nh 2.17. ¶nh h ëng cña c¸c g©n däc 1- VËt thÓ cã líp ®µn håi tíi lùc c¶n ma s¸t cña tÊm.. 2- TÊm cøng ma s¸t 38
* §Ó gi¶m lùc c¶n ma s¸t ng êi ta t¹o ra mét ®Öm máng cè ®Þnh ®Ó ng¨n c¸ch dßng ch¶y víi biªn cøng. B»ng c¸ch cÊp kh«ng khÝ liªn tôc qua bé t¹o khÝ cho hang nµy. * nh÷ng tµu bÐo lùc c¶n h×nh d¸ng sinh ra do hiÖn t îng t¸ch líp biªn ë phÇn ®u«i tµu vµ thµnh phÇn lùc c¶n nµy ®ãng vai trß chÝnh trong lùc c¶n nhít. §Ó gi¶m bít chiÒu dµi phÇn t¸ch biªn ng êi ta cã thÓ dïng c¸nh cã dé dang bÐ vµ ®Æt nã vu«ng gãc víi vá bao phÝa tr íc vïng dù kiÕn cã t¸ch líp biªn. * Dïng líp phô da p«lime phñ lªn bÒ mÆt vá tµu. Khi bao quanh phÇn nh« cña tµu b»ng luång kh«ng khÝ th× trªn bÒ mÆt cña nã sÏ xuÊt hiÖn ¸p lùc vµ øng suÊt tiÕp. Tæng hîp c¸c lùc nµy ta ® îc lùc khÝ ®éng R A , ®iÓm ®Æt t¹i giao gi÷a ® êng n íc t¸c dông vµ mÆt ph¼ng ®èi xøng cña tµu (t©m ¸p suÊt) phô thuéc h×nh d¸ng phÇn nh« cña tµu. Theo h íng bÊt kú cña vËn tèc kh«ng khÝ vA so víi mÆt ph¼ng ®èi xøng cña tµu ® îc x¸c ®Þnh b»ng gãc 1 (Xem H2.18) H×nh 2.18. S¬ ®å luång bao khi tµu chuyÓn ®éng trong ®iÒu kiÖn cã giã. Lùc khÝ ®éng R A sÏ t¹o víi mÆt ph¼ng ®èi xøng gãc 1. ChiÕu R A lªn h íng chuyÓn ®éng v cña tµu ta ® îc RAA, lùc nµy gäi lµ lùc c¶n kh«ng khÝ ®èi víi chyÓn ®éng cña tµu. Khi tµu chuyÓn ®éng xu«i giã 1 = 180o. VËn tèc luång kh«ng khÝ vA bao lÊy phÇn kh« cña tµu phô thuéc vµo vËn tèc tµu v vµ vËn tèc tuyÖt ®èi cña giã vB. - Khi kh«ng cã giã th× vËn tèc t ¬ng ®èi cña kh«ng khÝ vA = - v, trÞ sè cña nã cã thÓ kh«ng ®æi theo chiÒu cao tÝnh tõ mÆt biÓn, nh vËy lùc c¶n kh«ng khÝ t¹o nªn bëi chuyÓn ®éng cña b¶n th©n tµu. Cßn trÞ sè RAA = RA. - Khi cã giã vËn tèc t ¬ng ®èi cña kh«ng khÝ vA b»ng tæng h×nh häc cña v vµ vB t¹o víi nhau gãc 2. TrÞ sè cña nã ® îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc sau: 2 v A  v 2  v B  2vv B cos  2 (2.10.1) gãc 1 ® îc tÝnh theo c«ng thøc sau: sin(1 + ) = vBsin2/vA (2.10.2) Cã thÓ x¸c ®Þnh ® îc vA b»ng m¸y ®o giã. CÊp giã ® îc ph©n thµnh 12 cÊp giã Bopho dùa theo kÕt qu¶ cña côc khÝ t îng thuû v¨n Liªn X«. 39
CÊp giã Bopho (T¹i ®é cao h = 6,0 m so víi mÆt n íc biÓn) CÊp giã VËn tèc giã (m/s) CÊp giã VËn tèc giã (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 trªn 29,0 6 9,9 - 12,4 Quy luËt biÕn thiªn vËn tèc giã theo chiÒu cao lµ quy luËt l«ga. TÝnh chuyÓn vB ghi trong b¶ng sang chiÒu cao kh¸c 6m theo c«ng thøc sau: vBh = vB6ln(500h)/ln3000 (2.10.3) Tr êng hîp 1  0 (hoÆc 1  180o) th× ngoµi RAA vµ lùc khÝ ®éng ngang RAN cßn cã m«men Mz ®èi víi trôc ®øng n»m ë s ên gi÷a. Lùc c¶n kh«ng khÝ x¸c ®Þnh b»ng c«ng thøc sau: RAA = CAAAvA2FT/2 (2.10.4) M«men: Mz = mzAvA2FTL/2 (2.10.3) Trong ®ã: A - khèi l îng riªng cña kh«ng khÝ FT - diÖn tÝch h×nh chiÕu phÇn kh« cña tµu lªn mÆt ph¼ng s ên gi÷a. CAA, CAN, mz - hÖ sè lùc c¶n kh«ng khÝ, hÖ sè lùc c¶n khÝ ®éng ngang vµ hÖ sè m«men (Xem H2.19) H×nh 2.19. HÖ sè CAA, CAN vµ mz phô thuéc . 1 VÒ c¬ b¶n lùc c¶n kh«ng khÝ chñ yÕu lµ lùc c¶n h×nh d¸ng khi 1  0 hoÆc 1  180 c¸c th îng tÇng che khuÊt lÉn nhau. Khi 1  20o  40o t¸c dông che khuÊt lÉn o nhau biÕn mÊt nªn lùc c¶n kh«ng khÝ sÏ t¨ng lªn. Khi kh«ng cã giã th× RAA th êng kh«ng lín. §èi víi tµu vËn t¶i tuú thuéc vµo h×nh d¸ng phÇn kh« vµ vËn tèc RAA = 1,5  3%. Khi cã giã vµ ng îc giã cÊp 4  5 trªn c¸c tµu vËn t¶i cã thÓ chiÕm tíi 10  15 % lùc c¶n toµn bé. ë nh÷ng tµu cao tèc RAA cã trÞ sè ®¸ng kÓ ngay c¶ khi kh«ng cã giã. HÖ sè CAA khi 1 = 0 cho c¸c kiÓu tµu mµ khi tÝnh to¸n s¬ bé ph¶i dïng ®Õn 40
KiÓu tµu CAA Tµu dÇu, container, tµu hµnh kh¸ch 0,5 - 1,0 C¸c tµu cao tèc 0,4 - 0,6 Tµu hµnh kh¸ch ch¹y s«ng - Víi th îng tÇng th«ng th êng 0,8 - 0,9 - Víi th îng tÇng tho¸t khÝ 0,4 - 0,5 Do t¸c dông ®ång thêi cña lùc thuû ®éng vµ khÝ ®éng lªn th©n tµu vµ b¸nh l¸i nªn tµu ch¹y lÖch h íng mét gãc  víi gãc bÎ l¸i lµ P. 41
42
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
Ch ¬ng 4 Lùc c¶n khi tµu chuyÓn ®éng trong n íc c¹n vµ kªnh ®µo Sù thay ®æi lùc c¶n cña tµu néi ®Þa khi ch¹y trong n íc c¹n sÏ ®¸nh gi¸ ® îc ¶nh h ëng cña chiÒu s©u luång l¹ch tíi lùc c¶n. nh h ëng do sù h¹n chÕ cña chiÒu s©u luång l¹ch ® îc ®Æc tr ng b»ng tØ sè H/T hoÆc H/L (trong ®ã H lµ chiÒu s©u luång l¹ch). C¸c chuÈn ®ång d¹ng cã liªn quan ®Õn chiÒu s©u h¹n chÕ lµ sè FrH = v/ gH lµ th«ng sè mµ khi tµu chuyÓn ®éng trong n íc c¹n phô thuéc vµo nã. ChiÒu s©u luång l¹ch cã ¶nh h ëng tíi lùc c¶n nhít vµ lùc c¶n sãng h×nh thµnh líp biªn däc ®¸y s«ng lµm t¨ng lùc c¶n ma s¸t, ®ång thêi lùc c¶n h×nh d¸ng còng t¨ng thªm. §Æc biÖt khi H/T =2,0  1,5 lùc c¶n nhít t¨ng lªn râ rÖt, kÕt qu¶ nµy rót ra tõ viÖc thö m« h×nh tµu cì lín trong bÓ thö (Xem H4.1) H×nh 4.1. Lùc c¶n nhít phô thuéc vµo chiÒu s©u luång l¹ch. Do chiÒu s©u h¹n chÕ nªn lùc c¶n sãng còng thay ®æi ®¸ng kÓ. Víi vËn tèc truyÒn sãng tiÕn nh nhau, th× chiÒu dµi cña c¸c sãng tiÕn trªn n íc c¹n lín h¬n trªn n íc s©u, nªn lùc c¶n sãng n íc c¹n lín h¬n n íc s©u. Khi tØ sè H/ bÐ th× vËn tèc truyÒn sãng tíi h¹n ® îc kÝ hiÖu lµ vth. v th  gH ; øng víi FrH = 1 NÕu v th  gH gäi lµ vËn tèc tr íc tíi h¹n NÕu v th  gH gäi lµ vËn tèc sau tíi h¹n. * Khi v th  gH  FrH < 1,0 th× chiÒu dµi sãng  chç n íc n«ng lín h¬n chç n íc s©u, lµm qu¹t sãng më réng (Xem H4.2.a) Bªn tr¸i mÆt ph¼ng ®èi xøng lµ s¬ ®å sãng b¶n th©n ë chç n íc s©u H = , cßn bªn ph¶i lµ ë chç n íc c¹n khi cïng vËn tèc v, lµm t¨ng diÖn tÝch mÆt tho¸ng mµ sãng bao phñ, dÉn tíi lµm t¨ng vËn tèc c¶m øng t¨ng chiÒu cao sãng nªn lùc c¶n sãng t¨ng thªm. 49
H×nh 4.2. S¬ ®å sãng b¶n th©n khi tµu chuyÓn ®éng trong vïng n íc c¹n. * Khi v th  gH  FrH  1. Gãc gi÷a s ên sãng ngang chÐo thuéc nhãm mòi vµ nhãm ®u«i t¹o víi mÆt ph¼ng ®èi xøng cña tµu mét gãc gÇn 90o vµ c¶ hai hÖ sãng vÒ c¬ b¶n dån thµnh hai sãng ngang (Xem H4.2.b). Khi H/T bÐ sãng mòi cã biªn ®é ®¸ng kÓ lµm t¨ng ®ét ngét lùc c¶n sãng, c¸c sãng ngang nµy ® îc xÕp vµo lo¹i ®¬n, c¸c sãng ®¬n chØ sinh ra mét lÇn kh«ng ph¶i tiªu tèn n¨ng l îng ®Ó duy tr× nã vµ sãng nµy cã thÓ lan truyÒn vÒ phÝa tr íc tµu. Khi H < L/2 th× thÊy sãng nµy xuÊt hiÖn râ nhÊt, tuy nhiªn sù thay ®æi cña lùc c¶n sãng vÉn thÊy râ ngay c¶ khi H > L/2 nhÊt lµ trong khu vùc 0,4 < Fr < 0,6. * Khi v th  gH  FrH > 1,0 VËn tèc tµu cao h¬n vËn tèc tíi h¹n, lóc nµy c¸c sãng ngang biÕn mÊt, mµ chØ cßn l¹i c¸c sãng chÐo. VËn tèc truyÒn sãng chÐo vu«ng gãc víi s ên cña nã (s ên cña sãng chÐo t¹o víi mÆt ph¼ng ®èi xøng gãc B). (Xem H4.2.c) vcos(90o - B)  gH (4.1.1) nghÜa lµ sinB  1/FrH (4.1.2) Khi chuyÓn ®éng sau giíi h¹n qu¹t sãng chØ chøa c¸c sãng chÐo vµ chiÒu réng qu¹t gi¶m dÇn khi vËn tèc t¨ng lªn víi FrH >3 nã rÊt hÑp so víi d¶i n íc s©u. ViÖc biªn mÊt c¸c sãng ngang vµ vïng sãng bao phñ thu hÑp vµo s¸t thµnh tµu dÉn ®Õn viÖc gi¶m lùc c¶n sãng, lùc c¶n ®ã nhá h¬n so víi chç n íc s©u. nh h ëng cña chiÒu s©u h¹n chÕ ®Õn lùc c¶n (Xem H4.3) H×nh 4.3. Lùc c¶n d phô thuéc chiÒu s©u luång l¹ch. 50
NÕu H/T =31 hÖ sè lùc c¶n d cña tµu CR trong vïng n íc c¹n t ¬ng tù nh vïng n íc s©u v« h¹n. Song song víi lùc c¶n, t thÕ cña tµu khi chuyÓn ®éng trong n íc c¹n còng bÞ thay ®æi ®¸ng kÓ. Trªn h×nh 4.4 m« t¶ c¸c ® êng cong nãi lªn sù thay ®æi gãc chói o vµ chiÒu ch×m t ¬ng ®èi Ttb/T H×nh 4.4. Sù thay ®æi gãc chói vµ chiÒu ch×m t ¬ng ®èi cho tµu s«ng cao tèc ch¹y trong n íc c¹n. Sù thay ®æi ®ã sÏ ®¸ng kÓ khi tµu ch¹y gÇn vïng vËn tèc giíi h¹n, nghÜa lµ khi h×nh thµnh sãng ®¬n cã Fr  1. HiÖn t îng nµy nguy hiÓm do tµu va vµo ®¸y s«ng qua c¸c b·i båi. Sau vËn tèc tíi h¹n th× gãc chói gi¶m dÇn. Kªnh ®µo cã thÓ chia thµnh: - Kªnh n íc s©u - Kªnh n íc c¹n. Khi tµu ch¹y trong kªnh ®µo cã chiÒu s©u v« h¹n, nã t ¬ng tù nh ch¹y trong vÞnh hÑp nh ng s©u (fiord). Trong tr êng hîp nµy chØ xÐt ¶nh h ëng cña sù h¹n chÕ cña chiÒu réng cña vïng n íc s©u tíi lùc c¶n. C¸c thµnh kªnh hÑp lµm ph¶n x¹ c¸c sãng chÐo vµ h¾t c¸c sãng ®ã lªn th©n tµu, do ®ã lµm xuÊt hiÖn sù giao thoa cña c¸c hÖ sãng, g©y ¶nh h ëng tíi lùc c¶n sãng. Trong c¸c kªnh réng c¸c sãng ph¶n x¹ kh«ng truyÒn tíi th©n tµu nh ng dï sao c¸c vËn tèc c¶m nøg bæ sung bëi c¸c thµnh kªnh vÉn lµm * ph©n bè l¹i ¸p suÊt sãng nªn vÉn lµm thay ®æi lùc c¶n sãng. Trªn h×nh 4.5 tr×nh bµy c¸c hÖ sè lùc c¶n sãng cña c¸c m« h×nh chuyÓn ®éng trong kªnh n íc s©u høng hÑp ë 0, 35 < Fr < 0,55 H×nh 4.5. HÖ sè CW phô thuéc Fr vµ b/B. 51
Ngoµi tØ sè b/B, H/T cßn cã th«ng sè bæ xung khi ch¹y trong kªnh c¹n lµ  FK , trong ®ã  , FK t ¬ng øng lµ diÖn tÝch s ên gi÷a vµ diÖn tÝch mÆt c¾t kªnh. C¸c hiÖn t îng x¶y ra trong kªnh c¹n t ¬ng tù nh trong n íc c¹n nh ng cßn thªm mét lo¹t c¸c tÝnh chÊt bæ xung ®ã lµ xuÊt hiÖn trong vïng tµu n»m vµ mét kho¶ng tr íc tµu dßng chÊt láng cã vËn tèc v. Khi vËn tèc tµu lín h¬n v1 (v1 lµ vËn tèc tíi h¹n thø nhÊt) th× vËn tèc v h íng vÒ phÝa ng îc chiÒu víi chiÒu chuyÓn ®éng cña tµu, nghÜa lµ xuÊt hiÖn dßng n íc ng îc lµm t¨ng thªm vËn tèc trung b×nh cña dßng bao. Khi vËn tèc tµu lín h¬n v2 (v2 lµ vËn tèc tíi h¹n thø hai) xuÊt hiÖn dßng n íc bæ xung víi vËn tèc (-v) h íng theo chiÒu chuyÓn déng cña tµu t¹o nªn dßng theo nhá h¬n vËn tèc t ¬ng ®èi cña dßng bao tµu. Vïng vËn tèc v1 < v < v2 gäi lµ vïng vËn tèc tíi h¹n, dßng bao tµu trong vïng nµy kh«ng æn ®Þnh vµ cã tÝnh chÊt phøc t¹p, sù xuÊt hiÖn dßng n íc bæ xung lµm thay ®æi lùc c¶n nhít cña tµu vµ t thÕ tµu, chÝnh lµ sù thay ®æi chiÒu ch×m vµ gãc chói. H×nh 4.6. Lùc c¶n m« h×nh tµu khi H/T =4. 1. Trong n íc s©u 2. trong n íc c¹n 3. trong kªnh ®µo Khi v < v1 mùc n íc bÞ h¹ thÊp do dßng ng îc. Khi v < v2 mùc n íc d©ng cao. VËn tèc v phô thuéc  FK , h×nh d¸ng th©n tµu, h×nh d¸ng mÆt c¾t kªnh. Trong vïng gÇn giíi h¹n lùc c¶n t¨ng thªm lµ do lùc c¶n nhít t¨ng cßn khi FrH > 0,5 do lùc c¶n sãng t¨ng. Khi vËn tèc gÇn v1 ph¶i h¹n chÕ vËn tèc tµu ch¹y trong kªnh vµ th êng lÊy v < 0,55 gH . Sau khi v ît qua v1 lùc c¶n vÉn tiÕp tôc t¨ng nh ng kh«ng m¹nh, tµu b¾t ®Çu næi lªn tõ tõ so víi t thÕ tÜnh. Qu¸ tr×nh ®ã kÕt thóc trong vïng thuéc vËn tèc tíi h¹n thø hai, sãng gèi ®¬n ph¸t triÓn n¬i mµ lùc c¶n ®¹t cùc ®¹i. Khi v ît qua v2 gèi n íc mòi tµu vµ sãng ®¬n biÕn mÊt vµ quanh tµu chØ cßn l¹i sãng chÐo, víi vËn tèc v3 nµo ®ã lùc c¶n sÏ cã gi¸ trÞ nhá nhÊt. Trong vïng v2 vµ v3 h×nh ¶nh dßng bao tµu vµ t thÕ tµu kh«ng æn ®Þnh. Khi v > v2 chiÒu cao sãng kh«ng lín, ®é chói tõ tõ gi¶m, gi¶i thÝch hiÖn t îng nµy lµ do c¸c sãng ngang biÕn mÊt. TrÞ sè v1, v2 vµ v3 phô thuéc vµo  FK , H/T, h×nh d¸ng mÆt c¾t kªnh. 52
Dïng kªnh thÝ nghiÖm cã mÆt c¾t ngang h×nh thang, lßng v¸t h×nh ch¶o víi  FK kh¸c nhau, vËn tèc tµu gÇn tíi h¹n th× kÕt qu¶ cho r»ng kªnh h×nh ch÷ nhËt cho lùc c¶n nhá h¬n kªnh h×nh thang kho¶ng 20  40%. Trong vïng gÇn vËn tèc tíi h¹n tµu sÏ chói ®u«i, lùc ¸p suÊt t¸c dông lªn ®¸y tµu theo h íng chuyÓn ®éng lùc nµy lµ RP, gÇn ®óng ® îc tÝnh RP = D. Khi tµu kh«ng n»m trong mÆt ph¼ng ®èi xøng cña kªnh mµ gÇn mét thµnh kªnh th× h×nh ¶nh dßng bao tµu vµ sãng b¶n th©n kh«ng ®èi xøng, hiÖn t îng ®ã sÏ lµm t¨ng lùc c¶n trong vïng gÇn tíi h¹n, ®ång thêi ph¸t sinh lùc ngang, lùc ®ã sÏ ¸p tµu vµo thµnh kªnh gÇn nhÊt, vµ trong vïng sau tíi h¹n sÏ ®Èy tµu xa thµnh kªnh ®ã. Ta gi¶ thiÕt r»ng ®ang xÐt dßng bao tµu ®øng yªn trong kªnh víi mÆt c¾t ngang cè ®Þnh, chÊt láng ® îc coi lµ kh«ng nhít, dßng ch¶y trong mÆt c¾t lµ kh«ng ®æi. Sau khi viÕt ph ¬ng tr×nh BÐcnuli cho c¸c ®iÓm n»m trªn mÆt tho¸ng xa tr íc th©n tµu vµ trong mÆt c¾t s ên gi÷a c¸c tµu (Xem H4.7) H×nh 4.7. S¬ ®å dßng bao tµu trong kªnh. gH + v2/2 = gH1 + vc2/2 (4.3.1) Trong ®ã: H1 = H  H cã xÐt ®Õn l îng biÕn thiªn mÆt n íc. vc - vËn tèc t¹i s ên gi÷a. Ph ¬ng tr×nh l u l îng chÊt láng qua mÆt c¾t kªnh n»m xa tr íc th©n tµu vµ mÆt c¾t t¹i s ên gi÷a víi chiÒu réng kªnh kh«ng ®æi: vFK = vc( FK -  -bH) (4.3.2) Dùa vµo (4.3.1) ta t×m ® îc l îng biÕn thiªn mÆt n íc trong vïng tµu n»m: H = (vc2 - v2)/2g (4.3.3) Thay vµo (4.3.2) ta cã ph ¬ng tr×nh bËc ba ®Ó tÝnh vËn tèc dßng ch¶y trong mÆt c¾t bÞ bã hÑp vc: vc3 - vc[v2 + 2g(FK - )/b] + 2gvFK/b = 0 (4.3.4) Ph©n tÝch ph ¬ng tr×nh nµy cho thÊy tuú theo trÞ sè cña FrH = v/ gFK / b trong ®ã FK/b = Htb khi /FK cè ®Þnh. 53