57 Ch ơng6 Xácđịnhlựccảnchuyển độngcủatàu bằngph ơngphápthựcnghiệm Các ph ơng phápxác định lực cản chuyển động của tàu có thể là: - bằng ph ơng pháp lý thuyết. - bằng ph ơng pháp thực nghiệm. Ph ơngphápthựcnghiệmlàdựatrênviệcthử mô hìnhtàuvàtàuthực, đ ợc áp dụngrộngrãitrongcáccôngtrìnhnghiêncứukhoahọc,trongquá trìnhxâydựnghình dángchonhữngcontàu đ ợcthiếtkếmới,cũngnh đánhgiá tínhdi độngcủanhững con tàu đã đ ợc đóng mới. Có haiph ơngphápnghiêncứulựccảnbằngthựcnghiệm đó là thử mô hình tàu và tàu thực. Thử mô hìnhtàuchophépsosánhmộtcách đángtincậyhiệuquả củacácph ơng án khác nhau trong quá trình thiết kế tàu. Đốivớicác n ớccóngành đóngtàupháttriểnthì tàu đ ợcthiếtkếvàđóngmới phải qua giai đoạn thử mô hình để lập dự án thiết kế tối u. Việclậpmôhìnhvềtínhdi độngvàcáctínhnăng đibiểnkhácphảiphù hợpvới cácyêucầucủalýthuyết đồngdạng độnglựchọc.Lýthuyết đồngdạnglàcơsởđể xây dựng các ph ơng pháp tính chuyển kết quả thử mô hình sang tàu thực. Khinghiêncứulựccảnbằngthí nghiệmta ápdụnghainguyêntắccơbảnđể lập mô hình, đó là: Nguyêntắcthứ nhất:Lậpcácmôhìnhchuyển độngphẳngtrong n ớcyênlặng đ ợc thực hiện trong các bể thử hoặc trong cácvùng n ớc hở có trang bị đặc biệt. Nguyêntắcthứ hai:Lậpcácmôhìnhchuyển độngnghịch đảo,nghĩalàchodòng baolấymôhình đứngyên.Nguyêntắcnày đ ợc ápdụngtrongcácốngkhíđộngvà ốngxâm thực. Khivậtthể chuyển động đều(khôngcógiatốc)thì các đặctr ngcủadòngbaotàu khôngphụ thuộcthờigian,nghĩalàsốShkhông ảnh h ởngtớicáchệsốcủalựccản thuỷđộng,trongtr ờnghợpnàyđểđảmbảotính đồngdạng độnghọccủamôhìnhvà tàu thực chỉ cần các trị số Fr và Re. H M H HH M MM H H M M L L k LvLv gL v gL v Để thoả mãn điềukiệntrênthì phảithử mô hìnhtrongchấtlỏngcóhệsốnhớt khácvới độ nhớt của chất lỏng H nơi mà tàu thực chuyển động: M = H k 1,5 (6.1.1) 58 Khihệsốkkhônglớn,khôngthể chọn đ ợcchấtlỏngthíchhợpđể thử mô hình. Vì vậykhithử mô hìnhtàutính đồngdạng độnghọccủacácdòngchảykhông đ ợc đảmbảođầy đủ nênkhitínhchuyểnkếtquả từ thử mô hìnhsangtàuthựcsẽgặpkhó khăn. Để tránhnhữngkhó khăn đó cầnphảisửdụngcáchlậpmôhìnhtừngphần,bằng cách thoả mãn một trong các điều kiện đồng dạng. *Lập mô hình từng phần theo số Re: Từ điều kiện cần thoả mãn Re M = Re H thì vận tốc chuyển động của mô hình sẽ là: v M = v H (L H /L M )( M / H ) (6.1.2) Theo(6.1.2)vậntốcmôhình v M trongchấtlỏngcócùng độ nhớtmàtàuthực chuyển động ở đó sẽ lớn hơn 1/k lần so vớivận tốc của tàu thực. Dựavào R xH = R xM ( H v H 2 / M v M 2 )(1/k 2 )thì lựccảnnhớtcủamôhìnhvàtàuthựcsẽ bằng nhau. Dovậykhithử mô hìnhtàuth ờngkhông đảmbảo đ ợcsựbằngnhaucủacácsố Re,nghĩalàkhông đảmbảo đ ợcsựđồngdạngcủacácxoáy,cáclựcthuỷđộngtạo nên bởi độ nhớt của chất lỏng. *Lập mô hình từng phần theo số Fr. Từ điều kiện cần thoả mãn Fr M = Fr H thì vận tốc chuyển động của mô hình sẽ là: v M = v H k (6.1.3) Nh vậydựavào R xH = R xM ( H v H 2 / M v M 2 )(1/k 2 )thì khimôhìnhchuyển độngtrong chất lỏng có cùng khối l ợng riêng với tàu thực: R xM = R xH k 3 Mục đíchcủaviệcthử mô hìnhlànhằm đánhgiá tínhhànhhảivàchọnnhững đ ờng hình dáng (tuyến hình) tốt nhất cho tàu. Ph ơngphápphổ biếnnhấtlàph ơngphápthử kéomôhìnhtrongbểthử.Trong quá trìnhthử có thểđo đ ợclựckéoR t ơng ứngvớivậntốcchuyển độngcủamôhình v M . Bể thử đ ợclàmbằngvậtliệubêtônghoặckimloạichứa n ớcngọtvàcómặt thoáng hở. Các bể thử th ờng đ ợc chia thành hai dạng chính. -Loạibểcóxetựhànhchạytrên đ ờngray đặtdọctheobểdùng để kéomôhình chuyển động.Bểcótrangbịcácthiếtbịđođặcbiệt.Hiệnnayviệc đo đạcsốliệukhi thử cũngnh l utrữ,xửlýcácsốliệuvàvẽđồ thị, cóthể tựđộnghoá hoàntoànnhờ máy tính điện tử. -Loạibểkiểutrọnglực-Bểthử kiểunàythì mô hình đ ợckéobằngdâynhờ vật rơitựdo. mộtsốbểkiểutrọnglựccũngcótrangbịxekéochạytrên đ ờngray, nh ngkhôngphảikéomôhìnhmàkéocácthiếtbịđođặttrên đó.Ngoàiracũngcó các bể thử mà mô hình đ ợc kéo bằng tời quấn dây. 59 Hình 6.1. Mặt cắt ngang bể thử Carđerok (Mỹ). 1.Mặt cắt ngang bể thử n ớc sâu 2.Mặt cắt ngang bể thử tốc độ 3. Hệ thống cấp năng l ợng cho xe thử. Dokhôngthoả mãn đ ợc đầy đủ cácchuẩn đồngdạngcơbảnvìvậycầnphảisử dụng cách lập mô hình từng phần. Khilậpsơđồ tínhchuyểnphảixemcầnphảilậpmôhìnhtheotiêuchuẩn đồng dạngnàovàthànhphầnlựcthuỷđộngnàophụ thuộcvàotiêuchuẩn đó.Cáchệsố khôngthứ nguyêncủacácthànhphầnlựccảnđó củamôhìnhvàtàuthựcphảibằng nhau.còncácthànhphầnlựccảnkhông đ ợclậpmôhìnhcầnphảilợidụngmộtsốgiả thiếtcócơsởvậtlýnàođó hoặcph ơngpháplýluận để có thể tínhriêngchúng ở trên mô hình hoặc để tính cho tàu thực. Bìnhth ờngtrongquá trìnhthử kéomôhìnhtrongbểthử cácsốFrcủamôhình và tàuthựcphảibằngnhauFr M =Fr H .Lựccảnnhớtkhông đ ợclậpmôhìnhvàđể tách đ ợc nó phải lợi dụng giả thiết về sự độc lập của các thành phần lực cản. Để tính lực cản nhớt ta có thể sử dụng hai ph ơng pháp cơ bản sau đây: -Ph ơngphápthứ nhất:Dựavàoviệcphânchialựccảnnhớtracácthànhphần, mà mỗithànhphầnphảixácđịnhbằngnguyêntắctínhchuyểnriêng.Ph ơngphápnày do Froude đề x ớng. -Ph ơng pháp thứ hai: Tính chuyển tổng hợp lực cản nhớt. Bâygiờ taxétsơđồ và tínhchuyểntheoph ơngphápthứ nhất.Phầnchínhcủalực cảnnhớt đ ợcxemnh là lựccảnmasátcủatấm t ơng đ ơng. Đốivớimôhìnhlàmặt trơnnhẵnthuỷđộng,cònđốivớitàuthựclàmặtnhámvớigiả thiếtdòngbaotàuthực và mô hìnhlàdòngchảyrối. Để tínhlựccảnmasáttadùngtấmrối t ơng đ ơng.Tiếp theogiả thiếtrằnghiệu C V - C Fo là không đổi,khôngphụ thuộcvàoRevàFrcủatàu thựcvà mô hình. Tagộp R V - R Fo củatấm t ơng đ ơngvớilựccảnsóng R W thànhmộttênchunglà lực cản d R R R R = R- R Fo = R V - R Fo + R W Vậy hệ số lực cản d là: 60 C R = 2( R - R Fo )/v 2 (6.2.1) Khi Fr M = Fr H thì C RM = C RH (6.2.2) Dựavào công thức (6.2.2) ta thực hiện đ ợc phép chuyển. Từ R WM /D M = R WH /D H do sự bằng nhau của Fr M = Fr H nên ta có R RM /D M = R RH /D H (6.2.3) Nếukhông đểýđếnsựthay đổichiềuchìmtàukhichuyển độngtừ n ớcngọtsang n ớc mặn thì điều kiện (6.2.3) có thể viết d ới dạng sau: R RH = R RM ( H / M )(1/k 3 ) (6.2.4) KhiFr M =Fr H và v M = v H k 3 thì lựccảncủa n ớc đốivớichuyển độngcủatàu đ ợc xác định bằng công thức sau: R H = (R M - R FoM )( H / M )(1/K 3 ) + R FoH (6.2.5) Theo hệ số lực cản của mô hình và tàu thực ta có: C M = 2R M / M v M 2 M và C H = 2R H / H v H 2 H (6.2.6) Để xác địnhhệsốcảntoànbộcủa n ớc đốivớichuyển độngcủatàutacộnghệsố lựccản d C RH vớicáchệsốcảnsau:hệsốcảnmasátcủatấm t ơng đ ơng C FoH t ơng ứngvớitàu,hệsốgiatăngdo độ nhámvỏbaotàu C A và nếumôhình đ ợcthử không có phần nhô thì cộng cả hệ số cản xét tới phần nhô C AP . Do đó, hệ số lực cản của tàu thực khi v H = v M k/1 đ ợc tính theo công thức sau: C H = C M - C FoM + C FoH + C A + C AP (6.2.7) và lực cản chuyển động của tàu là: R H = C H H v H 2 H /2 + R AA (6.2.8) Lựccảnkhôngkhí R AA tínhtheocôngthức R AA = C AA A v A 2 F /2. Đốivới n ớcNga ng ời ta lấy nhiệt độ của n ớc 4 o Cvà = 1,57.10 -6 m 2 /s. Hệ số giatăngdo độ nhámvỏbao đ ợcxácđịnhtheokếtquả thử mô hình,nh sau: Chiều dài tàu L, m Hệ số C A 50 150 (0,4 0,3).10 -3 150 210 0,2.10 -3 210 250 0,1.10 -3 250 300 0 300 350 -0,1.10 -3 350 400 -0,2.10 -3 Hệ số cản của phần nhô đ ợcxác định nh sau: Đốivới tàu vận tải một chong chóng C AP = (0,05 0,15).10 -3 Đốivới tàu vận tải hai chong chóng C AP = (0,4 0,6).10 -3 . . 4 o Cvà = 1, 57 .10 -6 m 2 /s. Hệ số giatăngdo độ nhámvỏbao đ ợcxácđịnhtheokếtquả thử mô hình,nh sau: Chiều dài tàu L, m Hệ số C A 50 15 0 (0,4 0,3) .10 -3 15 0 210 0,2 .10 -3 210 250 0 ,1. 10 -3 250. -0 ,1. 10 -3 350 400 -0 ,2 .10 -3 Hệ số cản của phần nhô đ ợcxác định nh sau: Đốivới tàu vận tải một chong chóng C AP = (0,05 0 ,15 ) .10 -3 Đốivới tàu vận tải hai chong chóng C AP = (0,4 0 ,6) .10 -3 . . 57 Ch ơng6 Xácđịnhlựccảnchuyển độngcủatàu bằngph ơngphápthựcnghiệm Các ph ơng phápxác định lực cản chuyển động của tàu có thể là: - bằng ph ơng pháp lý thuyết. - bằng ph ơng pháp