43 Ch ơng3 Lựccảnsóng Khitàuchuyển độngtrênmặtthoángcủachấtlỏngtrọnglựcsẽsinhrasóng(sóng bản thân), sóng đó sinh ra lực cản sóng. Sóngsinhrakhitàuchuyển độnglàdotácdụngcủatrọnglựcvàsứccăngbềmặt củachấtlỏng.Trọnglựcđóngvaitrò chínhtrongviệchìnhthànhsóngvàtạonênlực cản sóng. Hình 3.1. Sự tạo thành sóng bản thân. Mặtthoángkhôngngăncản đ ợchạtlỏngdichuyểntheo h ớngthẳng đứng,nên theoph ơngtrìnhBecnulikhitàuchuyển độngtrong n ớc ở vùngmũivàđuôiáplực tănglênlàmmặt n ớcdânglên,cònởphầngiữatàuáplựcgiảmxuốnglàmmặt n ớc tụtxuống(XemH3.1) ứngvới đ ờng1. D ớitácdụngcủatrọnglựcvàsứccăngbề mặtcáchạtlỏngnằmxungquanhtàumấtthế cânbằngbắtđầuthựchiệncácdao động.Dotácdụngcủalựcquántínhcácphacủachúngbịtụtlạisovớicáckíchthích cơ bản,cácdao động đó t ơng ứnglà đờng2và đờng3cónguồnlùi,làmmặt thoángbiếndạnglặpđilặplại.Dokếthợpcácloạibiếndạngmặtthoáng,màởphần mũi n ớc dâng lên gọi là đỉnh sóng và phần giữa tàu n ớc tụt xuống gọi là đáy sóng. Sóng lan truyền về phía sau đuôi tàu và có dạng hình dải quạt. Trên hình 3.2 mô tả dạng sóng ở mạn và sau đuôi tàu Hình 3.2. Sóng ở mạn và sau đuôi tàu. Vậykhivậntốckhácnhauthì kếtcấucủa đ ờngdòng,tr ờngvậntốcvàápsuất sẽ khác nhau. Kết luận này đ ợc khẳng định qua hình vẽ d ới đây: 44 Hình 3.3. Prôfin sóng và sự phân bố áp suất dọc thân tàu. Đ ờngI-áplựckhithử mô hìnhtrong ốngkhíđộngkhôngchịu ảnh h ởngcủa sóng bản thân. Sự thay đổitr ờng ápsuấtdosóngbảnthândẫnđếnviệcxuấthiệnlựccảnsóng cũngnh lựcnâng,mômendọclàmchiềuchìmvàgócchúicủatàuthay đổikhitàu chuyển động. Sóngbảnthânbaogồmhaihệsóngchéovàngang. Đốivớitàubéosóngmũibiến mất.Trênnhữngtàucóđoạnthân ốngdàinhìnthấyrõnhómsóngchéovàngang ở phíamũivàđuôitàu.Cácđỉnhsóngnàykhôngnằmngoàigiớihạncủahìnhquạt, đ ớngsinhcủahìnhquạttạovớimặtphẳng đốixứnggóc B ,ởtrong n ớcsâugócnày khôngphụ thuộctốcđộ,hìnhdángtàuvàbằngkhoảng28 20 o .Trongquạtnàysự kích độngcủamặtthoángkhông đángkểvàcàngxabiêncủanócàngdậptắtnhanh. Các đỉnhcủacácsóngchéohơibịuốncongnh ngtrị số củagócgiữa đoạn đỉnhsóng nằm gần biên ngoài cùng của hình quạt và mặt phẳng đối xứng là 2 B . Cácsóngngang đềunằmbêntrongquạt,cácđỉnhcủachúngcódạnghìnhcung nghiêngvớimặtphẳng đốixứnggóc90 o .Toànbộhình ảnhcủasóngngangsau đuôi tàu đ ợctạothànhbởisựgiaothoavàtácdụng t ơnghỗcủacácsóngngangnhóm mũivà nhóm đuôi. Chiều dài các sóng ngang tăng dần về phía đuôi. Nếugiả thiếtrằngnguồndựtrữ năng l ợngcủachúnglàthay đổivànăng l ợng sóngtỉlệvớibìnhph ơngcủabiên độ thì có thể kếtluậnrằng:Chiềucaocácsóng đó giảmtỉlệnghịchvớicănbậchaicủakhoảngcáchtínhtừmũi(XemH3.2).Khitàu chuyển độngthì hệ thốngsóngvẫncốđịnh đốivớing ờiquansátđứngtrêntàu,nghĩa là nó di chuyển cùng vớivận tốc v. Từ lý thuyếtsóngtathẩyvậntốctruyềnsóngCvớibiên độ rấtbétrên n ớcsâucó liên quan với chiều dài sóng theo hệ thức: = 2C 2 /g (3.1.1) KhilấyC=vtatính đ ợcsố l ợngsóngchồngxếplênnhaudọctheo đ ờng n ớc của tàu: L/ = gL/(2v 2 ) = 1/(2Fr 2 ) (3.1.2) Kết quả đúng với sóng bản thân của mô hình tàu có Fr < 0,5. Dạng của gồ sóng phía sau đuôi tàu là kết quả giao thoa nhóm sóng mũi và đuôi. 45 Quá trình t ơngtácgiữahainhómsóngcóthể xét đ ợcnếuthaythế mộtcáchcó hệthốngtácdụngcủađiểmmũivàđiểmđuôitàubằng điểm ápsuất d ơng(+)vàâm (-) di chuyển, khoảng cách giữa các điểm này có thể lấy bằng b o L, trong đó b o < 1. Hình 3.4. Sơ đồ sóng bản thân khi chịu áp suất di động. Sóngbảnthânsinhrabởicácđiểmápsuấtdi độngvớivậntốcvtrênmặt n ớc,nó nằmgọntrongquạt,cóđỉnhlàtâmápsuấtvàcác đ ờngsinhtạovớinhaugóc 2 B = 38 o 56'.Các s ờnsóngngang đầutiênnằmcáchsautâmápsuất(+)và(-)mộtkhoảng x t = 5/6 và x = 9/8. Taxétquá trìnhkếthợpcácdao độngsinhbởicácápsuất(+)và(-).Tổngbiên độ của các sóng ngang là: oKH 2 K 2 H cosaa2aaa (3.1.3) Trong đó: a H -biên độ hệ sóngngang ở mũicóxétđến l ợnggiảmnókhichuyểnvềphía đuôi. a K - biên độ của hệ sóng ngang ở đuôi. o - góc lệch pha của các sóng thuộc hai hệ. Góc o có thể tính dựa vào hình 3.4 o = 2(b o L + 0,5)/ Vì cos[2( b o L+0,5)/]=-cos(2b o L/)nêndựavàocôngthức(3.1.2)tacóthể viết: 2 oKH 2 K 2 H Fr/bcosaa2aaa (3.1.3) -Nếuphacủacácsóngnganghệmũivàđuôitrùngnhauvàcos(b o /Fr 2 )=-1,nghĩa là Fr 2 = b o /n,trong đó n=1,3,5, thì sau đuôitàuxuấthiệncácsóngnganggiaothoa vớibiên độ a= a H + a K .CácsốFrvàvậntốc t ơng ứngvớichúngtrongtr ờnghợp này là bất lợi. -Cònkhicos(b o /Fr 2 )=1sẽxảyrahiện t ợng đáyvàđỉnhcủahainhómsóngkết hợpvớinhau,lúcđó a= a H - a K vàđỉnhsóngnganggiaothoasau đuôitàusẽbịsan bằng đáng kể, các số Fr tạo nên hiện t ợng này gọi là các số Fr có lợi. Hệ số b o phụ thuộc vận tốc và hình dáng thân tàu: b o = + Fr 2 /2 khi Fr < 2/ Nếu Fr 0,5 quá trình giao thoa nói trên mất hết ý nghĩa. 46 Lực cản sóng của tàu thực hoặc mô hình đ ợcxác định bằng biều thức sau: d)x,ncos(PR W Côngthứcnàychophéptínhlựccảnsóngcủachấtlỏngkhôngnhớtcònnếuchất lỏng nhớt thì tích phân bên vế phải là tổng của lực cản sóng và hình dáng. Khi thử mô hình tàu ta nhận đ ợc: k1CCC FoW (3.2.1) Để xác địnhlựccảnsóngtheovếtthuỷđộnghọctacóthể sử dụngcôngthức (1.5.5) Lựccảnsóngcũngcóthể xác định đ ợcngaykhi đã xáclập đ ợc mối quan hệ của nó với năng l ợng sóng. Năng l ợng đó tỉ lệ thuậnvới bình ph ơng biên độ của sóng. TrongvùngcủacácsốFrbấtlợing ờitaquansát đ ợchiện t ợngtăng t ơng đối của biên độ các sóng ngang. Hệ số lựccảnsóngcómộtdãycựcđạivàcựctiểu.NgoàirakhiFr 0vàFr thì R W 0. Trênhình3.5môtả C W =f(Fr)củacácSêrimôhìnhtàuvậntảicóhệsốbéothể tích khác nhau, ta nhận thấy các cực đại và cực tiểu theo dạng gồ và trũng. Hình 3.5. Hệ số lực cản sóng theo công thức (3.2.1). a. cho các mô hình Sêri"60" b. cho tàu cao tốc Trênnhữngtàucóhìnhdángbìnhth ờngthì cácgồtrên đ ờngcong(cáccựcđại) ứngvới Fr bằng 0,22; 0,25; 0,30 và 0,50. Các tàu vận tải không đạt tới trị số Fr 0,5. Trênnhữngtàubéomũitàuthì trongvùngFr=0,16 0,18lựccảnsónggầnbằng không nên lực cản phá sóng mũi sẽ đóng vai trò đáng kể. Lựccảnsóngphụ thuộcvàosốFr,nênởnhữngsốFrkhácnhauthì C W , C WB của mô hìnhvàtàuthực đồngdạnghìnhhọcvàsẽbằngnhau.Nh vậyhình ảnhcủacác sóng phát sinh đồng dạng hình học. Do đó: HM H WBW M WBW FrFrKhi CCCC (3.2.2) 47 Lúc đó: kv L L vv H H M HM (3.2.3) Nếusửdụngcôngthức R x =(C V + C W )v 2 /2vàkếthợpvới(3.2.2) để tínhlực cảnsóngthì tỉ số củalựccảnsóngcủacácvậtđồngdạnghìnhhọckhicácsốFrbằng nhau có thể viết: 3 H M H 2 HHWH M 2 MMWM WH WM k vC vC R R (3.2.4) Vì k 3 = V M /V H ;D = gV nên: R WM /D M = R WH /D H (3.2.5) Nghĩa là lực cản sóng đơn vị của mô hình và tàu thực bằng nhau khi Fr M = Fr H . Lựccảnsóngcủatàuchủ yếuphụ thuộcvàosốFrvàhìnhdángthântàu, R W 0 khiFrbéhoặclớn.ViệcgiảmsốFrkhôngphảilàgiảmlựccảnsóngtheo h ớngtích cực,tuynhiênnhiềutr ờnghợpkhigiảmsốFrcóthểđạt u thế về lực cản sóng và đ a chuyển động vàovùng tốc độ có lợi (H3.5). -Việcthay đổisốFrtheo h ớngcólợikhigiữ nguyêntốcđộ chuyển độngbằng cách thay đổi chiều dài tàu. -Việcgiảm độtngộthoặctriệttiêuhoàntoànlựccảnsóngkhi đ achuyển động vàosốFr>1,0,cácchếđộ nàylàchếđộ nổitĩnhbằngchếđộ l ớt(nổi động),haynói cách khác là vùng tàu cánh ngầm hoặc tàu đệm khí. -Dùng tàu ngầm: VớisốFr đã cho để giảmlựccảnsóngbằngcáchchọnhợplýcáckíchth ớcvàhệ số béo thân tàu. TăngL/Bvà = 3 V . Để giảm lực cản sóng ta dùng thiết bị giao thoa nh mũi quả lê, cánh, Nếuchọnkíchth ớcvàvịtrí hợplýcủamũiquả lê thì hệ sóngdobảnthânmũi quả lê sinh ra sẽ giao thoa có lợi với thân chính của tàu làm giảm lực cản sóng. Hình 3.6. Sơ đồ của các thiết bị giao thoa. a. mũi quả lê b. cánh mũi c.gót mạn Hình 3.7 giới thiệu lực cản d đơn vị của tàu có hoặc không có thiết bị giao thoa. 48 Hình 3.7. Lực cản d đơn vị của tàu. 1. không có mũi quả lê 2. có mũi quả lê 3. có cánh mũi . 43 Ch ơng3 Lựccảnsóng Khitàuchuyển độngtrênmặtthoángcủachấtlỏngtrọnglựcsẽsinhrasóng(sóng bản thân), sóng đó sinh ra lực cản sóng. Sóngsinhrakhitàuchuyển độnglàdotácdụngcủatrọnglựcvàsứccăngbềmặt củachấtlỏng.Trọnglựcđóngvaitrò. vế phải là tổng của lực cản sóng và hình dáng. Khi thử mô hình tàu ta nhận đ ợc: k1CCC FoW (3. 2 .1) Để xác địnhlựccảnsóngtheovếtthuỷđộnghọctacóthể sử dụngcôngthức (1. 5.5) Lựccảnsóngcũngcóthể. b o L+0,5)/]=-cos(2b o L/)nêndựavàocôngthức (3 .1. 2)tacóthể viết: 2 oKH 2 K 2 H Fr/bcosaa2aaa (3 .1. 3) -Nếuphacủacácsóngnganghệmũivàđuôitrùngnhauvàcos(b o /Fr 2 ) = -1 ,nghĩa là Fr 2 = b o /n,trong đó n =1, 3, 5,