chương 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT THUỶ ĐỘNG HỌC CA NÔ CAO TỐC Đa số các canô hiện nay hoạt động dựa trên lý thuyết thuỷ động học vì hoạt động trên nguyên lý này có hình dáng, kết cấu đơn giản
Trang 1chương 3:
CƠ SỞ LÝ THUYẾT THUỶ ĐỘNG
HỌC CA NÔ CAO TỐC
Đa số các canô hiện nay hoạt động dựa trên lý thuyết thuỷ
động học vì hoạt động trên nguyên lý này có hình dáng, kết cấu
đơn giản hơn hoạt động trên nguyên lý khí động học
Trong đề tài này, canô được thiết kế cũng hoạt động trên
nguyên lý thuỷ động học do đó ta cần tìm hiểu về nguyên lý thuỷ
động học của canô cao tốc
* Lực nâng và lực cản tấm phẳng.
Lực nâng và lực cản của tấm lướt ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ
của canô cao tốc, do đó ta cần xác định các thành phần lực này để
lựa chọn hình dáng đáy canô hợp lý nhất nhằm làm nhẹ cho ca nô
khi chạy
Đối với các tàu chạy chậm hoặc tàu thuộc nhóm tàu chạy
nhanh đang đứng yên trên nước phương trình cân bằng được viết
dưới dạng trọng lượng toàn tàu đúng bằng lực nổi
W = V (1.1)
Trong đó W - trọng lượng tàu (Tấn)
V - thể tích chiếm nước (m3)
- trọng lượng riêng của nước (T/m3)
Trang 2Tàu đang chạy, khi sang giai đoạn quá độ lực nâng bắt đầu tham
gia vào thành phần các lực tác dụng lên tàu, phương trình cân bằng
sẽ có dạng:
W = V1+ L (1.2)
Trong đó W- trong lượng thân tàu (tấn)
Trong đó: V1 - thể tích chìm của phần thân tàu trong trạng thái
đang chạy đủ nhanh, trong mọi môi trường V1<V
L - lực nâng (KG)
Tàu chạy càng nhanh, lực nâng L càng lớn, V1 càng nhỏ dần,
song phương trình (1.2) luôn cân bằng
Lực nâng xuất hiện trong quá trình thân tàu chạy lướt Dưới tác
dụng của ngoại lực tấm đang nghiêng với góc tấn , chuyển động
với vận tốc v trong nước khi chuyển động tấm có tác dụng làm
thay đổi hướng dòng, vận tốc dòng chảy trên tấm chia dòng thành
hai phần, phần dưới và phần trên Điểm 0 nằm tại ranh giới giữa
hai miền đó gọi là điểm giới hạn Từ định luật Bernoulli có thể xây
dựng đường phân bố áp lực thuỷ động, giá trị lớn nhất của đường
này phải rơi đúng vào điểm 0
Trang 3
Hình 1.1: Phân tích lực tấm phẳng.
Từ hình ảnh vừa có người ta có thể xây dựng các cách tính xác định lực thủy động lên tấm dạng lướt Tổng cộng tất cả lực pháp tuyến trên hình 1.1 có thể quy tụ thành lực F tác động vuông góc với tấm Để giúp việc tính toán thuận lợi chúng ta sẽ tiếp tục phân F thành các thành phần cấu thành mang ý nghĩa thực tế Lực
F có thể phân thành hai thành phần Fy và Fx, theo hướng trục Oy và
Ox tương ứng Cần giải thích ngay, trong kỹ thuật thành phần Fx chính là lực cản chuyển động của tấm trong nước, thường được ký hiệu bằng R hoặc D Thành phần Fy thường được gọi là lực nâng L
Công suất kéo cần thiết của canô:
A = Fx.v = R.v =F.sin.v (1.3)
Bỏ qua năng lượng tạo sóng lúc chuyển động có thể cho rằng toàn bộ năng lượng được dùng cho việc đẩy tấm về trước đã dành cho việc tạo các tia nước bắn tung tóe ra sau Vận tốc dòng dạng
Trang 4này phải bằng tổng vectơ của vận tốc tấm đang lướt và vận tốc
dòng so với tấm
Vp = 2.v.cos(/2) (1.4)
Trong khi đó khối lượng nước bị ném về trước trong quá
trình chuyển động của tấm, tính bằng v, với - mật độ nước
(kg/m3), - chiều dày dòng các tia nước bị phun (m)
Động năng của dòng bị phun tung tóe (Spray) có thể tính:
AS = ½.mvp2 = ½.v.(2.v.cos (/2))2 = 2 v3.cos2(/2)
(1.5)
So sánh (1.3) với (1.5) có thể viết:
F.v.sin = 2 v3.cos2(/2)
(1.6)
Từ đó:
F = v2
sin
) 2 / ( cos
2 2
= v2
) 2 / sin(
).
2 / cos(
2
) 2 / ( cos
2 2
(1.7)
Hoặc là F = v2.cotg(/2)
Lực nâng và lực cản tính theo công thức sau:
L = Fy = F.cos = v2
) 2 / cos(
2
cot
g (1.8)
D = Fx = F.sin = v2
) 2 / sin(
2
cot
g (1.9)
Trang 5Công thức (1.8) cho phép phát biểu rằng, khi đã biết giá trị của v và chúng ta có thể xác định ngay được lực nâng L và lực cản D của tấm, nếu biết rõ về chiều dày lớp nước bị phun tung tóe Với góc tấn nhỏ chiều dày lớp này được tính theo công thức:
= 2
l (1.10) Trong đó: l – chiều dài mặt ướt
Hình ảnh dòng chảy dưới tấm phẳng (flat planing surface) được giới thiệu tại hình 1.3 Giới thiệu phân bố vận tốc dòng, áp lực thủy động lên tấm
Hình 1.2 Giới thiệu phân bố vận tốc dòng áp
Dòng nước bị bắn ngang dưới khối trụ đáy V được minh họa tại hình 1.3a Hướng dòng và vận tốc dòng được trình bày tại hình 1.3b
Trang 6Hình 1.3 Hình thể hiện hướng dòng nước.
Với tấm phẳng đang lướt, phân bố áp suất theo chiều ngang đáy được giới thiệu tại hình 1.4a, còn phân bố dọc của áp suất được trình bày tại hình 1.4b
Hình 1.4 Hình phân bố áp suất theo chiều ngang đáy
