sức cản tàu nhiều thân (trong nước tĩnh)

Các đặc tính của tàu nhiều thân bao gồm sự tương tác lẫn nhau giữa các thân tàu , sự tương tác này ảnh hưởng mạnh nhất đến thành phần sức cản sinh sóng trong sức cản tổng.. Theo ITTC-78,

BÀI 3:

SỨC CẢN TÀU NHIỀU THÂN (TRONG NƯỚC TĨNH)

3.1 ĐẶC TÍNH SỨC CẢN CỦA TÀU NHIỀU THÂN

Do tính chất phức tạp của dòng chảy quanh thân tàu, sức cản tổng không thể tính chính xác chỉ bằng các phương pháp lý thuyết Thực nghiệm mô hình vẫn là nguồn dữ liệu đáng tin cậy nhất về sự làm việc của tàu Thử nghiệm mô hình kết hợp với các phương pháp lý thuyết cho phép thiết kế phương tiện thuỷ tối ưu theo các yêu cầu ràng buộc Thử nghiệm mô hình lý thuyết góp phần làm giảm chi phí thiết kế

Các đặc tính của tàu nhiều thân bao gồm sự tương tác lẫn nhau giữa các thân tàu ,

sự tương tác này ảnh hưởng mạnh nhất đến thành phần sức cản sinh sóng trong sức cản tổng Có thể giảm thành phần sức cản sinh sóng bằng cách: giảm lượng chiếm nước, kéo dài thân tàu, nâng cao thân tàu so với mặt đường nước, tạo nên sự giao thoa sóng mong

muốn Tuy nhiên, với tàu nhiều thân, thành phần sức cản nhớt - tỷ lệ với diện tích ướt

vỏ tàu - đóng vai trò quan trọng trong sức cản tổng Sức cản tổng của tàu nhiều thân

được tính như sau:

R = 0,5CTρVm

2

trong đó Sw là tổng diện tích ướt của tất cả các thân

Theo ITTC-78, hệ số sức cản tổng của tàu nhiều thân được tính theo biểu thức:

Chúng ta hãy xét lý thuyết tuyến tính của sức cản sinh sóng của tàu nhiều thân

“gầy” di chuyển trong chất lỏng lý tưởng Tàu có n thân bố trí đối xứng với mặt phẳng

trung tâm xoz, hình 1 Nếu n lẽ, mặt phẳng xoz (trục z hướng lên trên) trùng với mặt cắt

dọc giữa của thân trung tâm Tàu di chuyển dọc theo trục x với tốc độ không đổi Vm Thế năng tốc độ Φ trong hệ toạ độ oxyz có dạng:

trong đó φ(x,y,z) là thế tốc độ hình thành, thoả mãn phương trình Laplace

Các điều kiện bao gồm:

- Điều kiện áp suất không đổi ở mặt nước tự do và thành phần pháp tuyến của vận tốc bằng zero ở bề mặt vỏ tàu thể hiện qua các biểu thức:

ddx

ddx

d





Hình 1: Sơ đồ tổng quát và các định nghĩa đối với tàu 3 thân

- Điều kiện đối xứng của dòng chảy đối với mặt phẳng xoz (nếu tàu nhiều thân đối xứng đối với mặt phẳng này) là:

Trong công thức 3.5, µ là hệ số Raleigh của các lực tiêu tán, còn ν = g/Vm2

Thế năng φ có thể được tính theo biểu thức sau (Sretensky, 1977):

m(x,y,z))

z,y,x

mx (x,y,z)V

)z,y,x

Lyakhovisky (1974) đã rút ra một biểu thức hoàn chỉnh của φm

Véc tơ lực tổng hợp có thể xác định bằng cách tích phân qua tổng diện tích bề mặt thân tàu:

: véc tơ pháp tuyến ngoài của bề mặt thân tàu

Phương trình đối với bề mặt thân tàu đối xứng qua đường trung tâm là:

Nếu hàm f(x,z) đã biết, các thành phần pháp tuyến (véc tơ chỉ phương) là:

fd

1)x,ncos(

1)z,ncos(

z

fx

f1

dx

dV

với:

x

f2

V)z,x(

3

1 m

m i

x)

z,x(F4

3

1 m im

x)z,x(F4

Trường hợp i = m, biểu thức 3.19 biểu thị sức cản thân thứ i, và khi i ≠ m tương ứng với ảnh hưởng của thân thứ m đến sức cản sinh sóng của thân thứ i Thay biểu thức của thế năng φm vào 3.18 cho:

)JJII4)b2cos(

1)[

JI2JIV

g

4

R

2 2

1

2 2

1 2 1 2

2 1

2 1

2 2

2 2 2

m

2

w

(3.20)

Với:

dSx

fV

gxsin

cos.V

gzexp)

(

J

2 m S

2 2 m i

2 m

Các hàm Ii và Ji được tính có kể đến ảnh hưởng của khoảng hở dọc a

Sức cản sinh sóng của tàu hai thân được rút ra từ phương trình 3.20 với I 2 = J 2

1[JIV

g8R

2

2 2

1

2 1

2 1 2 m

) J I V

g 4 R

2 2 2 2 2 2 m

R1 : Sức cản sinh sóng của thân giữa;

R2 : Sức cản sinh sóng của catamaran tạo nên từ các thân ngoài của trimaran

R12: Sức cản bổ sung do tương tác giữa thân trung tâm và các thân bên

Các công thức trên có thể được mở rộng cho số lượng thân bất kỳ

3.1.2 Các mô hình đơn giản

Các công thức rút ra trong 3.1.1 cho phép xác định sức cản sinh sóng của trimaran với sự phân bố lượng chiếm nước bất kỳ trong chúng Các vấn đề thực tế quan trọng cần lưu ý khi sử dụng lý thuyết tuyến tính là:

 Ảnh hưởng của sự bố trí các thân tàu (nghĩa là các khoảng hở dọc và ngang) đến sức cản sinh sóng của trimaran

 Ảnh hưởng của sự phân bố lượng chiếm nước trong các thân giữa và thân bên cạnh đối với sức cản sinh sóng;

 Phân tích so sánh sức cản sinh sóng đối với tàu một thân, hai thân và 3 thân

Ba vấn đề này được phân tích bởi Lyakhovisky [1976] đối với tàu 3 thân với bề

mặt thân tàu có thể biểu diễn dưới dạng giải tích Bề mặt thân tàu được lý tưởng hoá

như là tích của các đa thức, ấy là:

2 B k

11 k 2

1 B

2 B k

2 2 2

6 m

2 2

L

L4)ii(L

L2iLg

VB64

2 k

2 1 k

dDNM

2 k

2 2 k

dDNM

2 2 2 1

2 k

2 1 k

11

d)1Fn

b2cos(

DNM

2 2

2 1

k k 2 1 k

12

d)Fn

1b

cos(

)Fnacos(

DNNMM

ℓ = 0 khi k = 1; 2

2 i

2 i 2

i

i

Fn2sinFn2Fn2cos

2 L Fn 2 1

2 di

2 i

2 2 i

LFnexp1LFn

6LFn

3LFnL

FnexpL

2 2

di

4 i

4 3

di

6 i

6

di

2 i

2 4

di

8 i

2 1





Ở đây LBi và Ldi là các tỉ số L/B và L/d đối với thân thứ i theo thứ tự đó

Fni là hệ số Froude đối với thân thứ i

Các công thức 3.20 và 3.28 có thể được biểu thị:

với:

Rw2: Sức cản sinh sóng của thân giữa

Rw1: Sức cản sinh sóng của thân bên cạnh

∆Rwc : Thành phần sức cản do sự tương tác của các thân bên (vì vậy được gọi là hiệu ứng catamaran)

∆Rwt : Thành phần do sự tương tác lẫn nhau giữa thân giữa và các thân bên (còn gọi

2 m

w w

SV

R2

Cw = Cw1 + ∆Cwc + ∆Cwt : với trimaran có các thân giống nhau (3.42)

trong đó Cw1, ∆Cwc, ∆Cwt là các hệ số sức cản sinh sóng của một thân riêng biệt, thành phần hiệu ứng catamaran và thành phần hiệu ứng trimaran theo thứ tự đó

Tác động của dạng 3 thân đối với hệ số sức cản tổng có thể được xác định bởi hệ số Kw,

đó là tỉ số giữa sức cản sinh sóng tổng với tổng sức cản của 3 thân riêng rẽ Do:

nên Kw có dạng:

1 w 2

w

wt wc

w

R2R

RR

1K

Hình 3: Các thành phần của hệ số sức cản sinh sóng của trimaran

Các công thức ở phần trước cho phép tính sức cản sinh sóng của trimaran với các thân giống nhau hoặc các thân có dạng như thể hiện trong phương trình 3.27 Kết quả thực

nghiệm cho trên các hình 2, 3 và 4 cho phép xác định các hệ số sức cản sinh sóng trong

một số trường hợp riêng Các hệ số sức cản sinh sóng được thể hiện trên các đường cong

hình 2 đối với các khoảng hở dọc a và chiều sâu đường nước h khác nhau Khe hở dọc có

hiệu ứng ưa thích đối với bất kỳ mớn nước nào ở tốc độ trên tới hạn Các tính toán được thực hiện với hệ số Fn <0,75 khi thành phần sinh sóng chiếm tỷ lệ đáng kể trong khối sức cản Với các hệ số Froude cao hơn, thành phần này và khoảng hở dọc đóng vai trò kém quan trọng hơn (hình 2) Đáng chú ý sự tăng khe hở dọc sẽ loại hiện tượng “bướu” trong sức cản sinh sóng ứng với số Froude Fn ≈0,5 Trên cơ sở công thức 3.42, sự tham gia của từng thành phần đối với sức cản sinh sóng được cho trên hình 3 Với một khoảng hở dọc khác zero, hiệu ứng “trimaran” đóng vai trò nổi trội trong việc giảm sức cản Nhưng sự thay đổi khoảng hở ngang trong phạm vi thực tế có tác động đáng kể đến sức cản trong

nước sâu và nước cạn, hình 4

Ảnh hưởng của các thành phần sức cản sinh sóng có thể được thể hiện chi tiết trên

hình 5 và 6 Rõ ràng hiệu ứng catamaran (thành phần ∆Cwc) làm tăng sức cản tổng, đặc biệt ở tốc độ tới hạn Hiệu ứng trimaran có ảnh hưởng không tốt khi khoảng hở dọc nhỏ và

có ảnh hưởng tốt với các giá trị khoảng hở dọc cao

Hình 5: Ảnh hưởng của khoảng hở dọc đến hệ số sức cản sinh sóng của trimaran có

1,0

b  trong nước cạn h/L=0.15; đường liền: C wt ; đường vạch:∆C wc ;

đường chấm vạch: C w1

Hình 6: Ảnh hưởng của khoảng hở dọc đến hệ số sức cản sinh sóng của trimaran có

1,0

b  trong nước cạn h/L=0.05; đường liền: C wt ; đường vạch:∆C wc ;

đường chấm vạch: C w1

Hình 7: Sự giao thoa giữa các thân của trimaran khi: a 0,4;b 0,1; B 1 /B 2 =1,0

Ảnh hưởng của tỉ số L2/L1 (L2 là chiều dài thân giữa; L1 là chiều dài thân bên cạnh)

đến sức cản sinh sóng cho trên hình 7 thông qua hệ số Kw trong phương trình 3.44 Việc tính toán được thực hiện đối với nước sâu ở các tỉ số L2/L1 khác nhau Các chiều dài thân bằng nhau có sức cản sinh sóng thấp nhất Sử dụng sự kết hợp hợp lý giữa số Froude và hình dạng thân, có thể đạt được giá trị của Kw < 1

Với các trimaran có các thân giống nhau sẽ có tính cạnh tranh cao đối với số Froude ≤ 0,5 Dữ kiện này giúp người thiết kế có thể xác định thiết kế bố trí chung tàu ba thân từ bố trí chung của tàu một thân và hai thân có các thân giống nhau được thiết kế đối với tốc độ trên tới hạn ở số Froude ≥ 0,6 Đặc điểm của các hàm ∆Cwc và ∆Cwt giúp cho người thiết kế có thể nghiên cứu chi tiết đặ tính của thành phần sức cản sinh sóng trong phạm vi tốc độ tới hạn và trên tới hạn của các catamaran cao tốc theo sự thay đổi bố trí chung các thân của chúng (các thân có thể di chuyển được)

Nói chung, ảnh hưởng của giao thoa giữa các thân tàu đến sức cản sinh sóng là đáng kể ở các chế độ tốc độ đặc trưng cho chuyển động rẽ nước toàn phần và quá độ

Ở các tốc độ cao hơn (FnV > 1,5) ảnh hưởng này ít hơn

3.1.4 Sức cản nhớt

Đặc tính của thành phần sức cản nhớt, RV, có thể phân tích bằng cách chia sức cản tổng thành các thành phần sinh sóng và nhớt như trình bày trong 3.1.1 Giả sử quá trình truyền sóng, về mặt vật lý, không phụ thuộc vào độ nhớt của nước trong khi sức cản sóng

là như nhau ở tốc độ đang xét Do vậy, sức cản nhớt có dạng:

w

2 m V

2

VC

Giả sử số thân tàu không quá 3, có thể xem diện tích ướt như là hàm của phân bố lượng chiếm nước giữa các thân và các thông số bố trí khác của tàu Kovalev và Shatzman [1968] đề nghị một công thức gần đúng để tính diện tích ướt, chính xác trong phạm vi rộng của các thông số Với một thân đơn, diện tích ướt tính theo biểu thức sau:

với:

* 1 f1() : hệ số không thứ nguyên, chỉ phụ thuộc chiều dài tương đối  L/V1/3 ,

* ω2 = f2(B/d): hệ số không thứ nguyên, chỉ phụ thuộc vào tỉ số B/d

Các giá trị của diện tích ướt riêng S w Sw /V2/3 được cho trên hình 8 theo  và B/d

Hình 8: Diện tích ướt riêng

Với tàu 3 thân, diện tích ướt riêng tính theo biểu thức:

1 2

1 w 2

w w

V2V

S2SS

3 1

2 1 1 3

1 w

3 w

21

3312.SS

1 w

2 w 1

V

V2

1

;S

S2

1

)1(

126,1S

1 w

wC 1 , 26 S

Với tàu 3 thân giống nhau hoàn toàn, (1=β1=0,5), công thức 3.52 có thể viết lại như sau:

1 w

wT

)1(

1SS

Nhân tố Sw1 trong các công thức 3.52, 3.53 và 3.54 là diện tích ướt riêng của thân

bên, và có thể được xác định bởi biểu thức 3.48 hoặc hình 8

Trong phạm vi các kích thước thực tế, sự chuyển tiếp từ tàu một thân sang tàu nhiều thân luôn liên quan tới sự tăng diện tích ướt Tàu 3 thân với thân giữa và các thân bên khác nhau có diện tích ướt riêng thấp hơn so với catamaran có hai thân khác nhau

Các dữ liệu về diện tích ướt và thành phần sức cản sinh sóng (phần 3.1.3) cho phép người thiết kế tính được sức cản tổng và khả năng hoạt động của tàu

3.1.5 Hiệu ứng thuỷ động (thực nghiệm)

Hiệu ứng thuỷ động của tàu nhiều thân được xác định bởi sự phân bố lượng chiếm nước giữa các thân, sự bố trí của chúng và các kích thước cơ bản Hiệu ứng này bao gồm

sự thay đổi của các thành phần sức cản nhớt và sức cản sinh sóng Với tàu có FnV < 1,5, thành phần sinh sóng có ảnh hưởng lớn nhất

Hiệu ứng trimaran, được xác định theo lý thuyết trong phần 3.1.3, được kiểm chứng qua thử nghiệm mô hình, trong đó, bên cạnh hiệu ứng trimaran, người ta còn phát hiện sự loại trừ hiện tượng "bướu sóng” Hệ số sức cản sinh sóng (lý thuyết) và hệ số sức cản dư

(thực nghiệm) trên hình 9 dùng với trimaran có các thân giống nhau

Hình 9: Sự phụ thuộc của hệ số sức cản sóng C w (tính toán) và hệ số sức cản dư C R

(thực nghiệm) theo hệ số Fround của trimaran khi b 0,1

3.2 SỨC CẢN VÀ LỰC ĐẨY CỦA CATAMARAN VÀ TRIMARAN

3.2.1 Thử nghiệm kéo mô hình tàu nhiều thân

Việc thử nghiệm mô hình tàu nhiều thân có một số nét riêng Do lực đẩy đặt cùng mức với trục đẩy, thử nghiệm kéo được thực hiện dưới dạng "cái nĩa" nhằm cho phép mô hình di chuyển tự do Với mô hình tàu hai thân có các thân giống nhau và đối xứng qua đường trung tâm của tàu, có thể chọn phương pháp test bằng cách đo sức cản của một thân trong khi thân còn lại cũng lơ lửng tự do ở cùng độ sâu và độ nghiêng dọc Phương pháp này không đúng nếu các vỏ dịch chuyển tương đối với nhau theo chiều dọc

Khi kéo trong bề thử trọng lực, tốc độ đều của mô hình phụ thuộc vào gia tốc ban

đầu của nó Điều này minh hoạ trong hình 10, trong đó đường cong 1 tương ứng với gia

tốc vượt quá, và đường cong 2 ứng với gia tốc chưa đủ Sự mơ hồ này là do các hiện tượng sóng khác nhau giữa các thân, đặc trưng bởi hệ số Froude "ngang" trên cơ sở khoảng cách nhỏ nhất giữa các thân, c:

gc/V

Fnc  m

Hình 10: Ghi tốc độ của mô hình catamaran trong bể kéo trọng lực:

1- Gia tốc vượt quá 2- Gia tốc chưa đủ, V m1 > V m2

Trong trường hợp gia tốc chưa đủ, sự tăng tốc dần từ Fnc = 0,8 đến Fnc = 1,0 dẫn đến sự tăng rõ rệt sóng ngang có biên độ đáng kể được hình thành gần điểm giao nhau của các sóng rẽ ra từ mũi tàu Tại Fnc =1,0 sóng mũi chuyển thành bước nhảy thuỷ lực làm cho

mô hình có nghiêng dọc về mũi và sức cản của nó tăng lên đáng kể Sau giá trị Fnc > 1,2

sẽ trở lại sóng bình thường

Ở một mức gia tốc vượt quá, đặc tính sóng của chuyển động đều khác nhau đáng

kể Ở Fnc = 1,0 đến Fnc ≈ 1,2; mức nước giữa các thân giảm, và mô hình bị nghiêng dọc

về phía lái Chuyển động của chất lỏng êm hơn và sức cản giảm xuống Trong phạm vi tốc

độ này, trường tốc độ gần chân vịt thay đổi đột ngột Ở Fnc = 1,05, hệ số dòng theo trở thành âm đối với các catamaran có L/B1 = 4,7 Điều này có thể do có sự tách dòng chảy biên giữa các thân Kết quả của sự giao thoa sóng phức tạp dẫn đến dòng theo, hệ số hút của catamaran phụ thuộc vào số Froude Ở gia tốc cao ban đầu, thử nghiệm mô hình bằng cách kéo ở tốc độ không đổi sẽ tạo nên đường cong sức cản với những điểm giảm cục bộ

trong phạm vi của số froude từ 0,8 – 1,2 như trên hình 11 Cũng như với tàu thực, dạng

giảm sức cản này có thể nhận ra ở vùng nước tĩnh và công suất cao Tình huống này

không giống trong thực tế, nhưng hiện tượng cần được lưu ý khi lên kế hoạch và thực hiện thử nghiệm mô hình

Hình 11: Vùng tách nhánh của đường cong sức cản - tốc độ

Các catamaran mạn phẳng có phổ sóng biên độ thấp với góc vào xấp xỉ bằng một nửa khi so sánh với thân thông thường Hệ sóng này tạo nên sự rối ở phía sau lái tàu Độ nghiêng dọc và mớn nước của catamaran cao tốc với mạn ngoài phẳng phụ thuộc vào hình dạng và vị trí của cầu nối Hiện tượng phun mạnh, được tạo nên do sự giao nhau của các sóng rẽ ra từ mũi tàu, gây ra lực thẳng đứng tác động lên đáy cầu nối Lực này gây ra sự nhấp nhổm của tàu và hơi giảm mớn nước

Cần lưu ý rằng do chân vịt trong thử nghiệm mô hình có tải trọng thuỷ động lớn hơn so với thực tế, ảnh hưởng của chân vịt đến nghiêng dọc và mớn nước của mô hình mạnh hơn so với tàu thực

3.2.2 Nghiên cứu thực nghiệm về catamaran biển

Tài liệu đầu tiên về ảnh hưởng của giao thoa sóng đến sức cản của catamaran được công bố bởi V.P Kostenco [1926] Ý kiến của ông về việc giảm sức cản dựa trên giả thiết sóng bên trong các thân tàu tương tự như sóng trong một kênh mương Kostenco đề nghị mạn ngoài của thân tàu phẳng, yêu cầu này nhằm ngăn ngừa hình thành hệ thống sóng bên ngoài Viện nghiên cứu Gorki đã thử nghiệm một loạt mô hình catamaran Các mô hình này có chiều dài tương đối nhỏ và sức cản của chúng có thể so sánh được với sức cản của

bộ phận tạo dòng rối Vì lý do này, độ chính xác chưa đủ và kết quả là đánh giá không đúng sức cản của catamaran Các thử nghiệm tương đối chính xác hơn ở Viện nghiên cứu

đóng tàu Krylov cho thấy với cùng lượng chiếm nước, chiều dài và tốc độ, catamaran có

sức cản lớn hơn đáng kể so với tàu một thân Bên cạnh đó còn phát hiện ảnh hưởng

mạnh của khoảng hở ngang đến cường độ và vị trí tác động của sức cản dư

Các mô hình catamaran với phạm vi tỉ số L/B rộng đã được thử nghiệm trong những năm 1960-1970 trong bể thử của viện Công nghiệp đánh bắt cá Kaliningrad Kết

quả cho thấy ảnh hưởng của khoảng hở ngang và số Froude khác nhau đối với những tỉ số L/B nhỏ và lớn Tuy nhiên điều kiện tối ưu của sức cản dư là nằm trong cùng phạm vi của khoảng hở ngang và số Froude Với số Froude thấp, sức cản tăng cùng với việc giảm

khoảng hở ngang Ở Fn = 0,26 – 0,28 khoảng hở ngang không ảnh hưởng đến sức cản

Với Fn ≈ 0,3 catamaran có thể tốt hơn hoặc xấu hơn so với tàu một thân Cũng như hệ số lực đẩy, hệ số dòng theo hơi cao đối với catamaran có chân vịt thông thường, nhưng hầu như giống nhau với catamaran có chân vịt nằm trong ống phụt nếu so với tàu một thân Sự giảm lực đẩy có xu hướng tăng cùng với sự giảm khoảng hở ngang (đối với cả hai loại thiết bị đẩy)

Các nước phương Tây bắt đầu nghiên cứu về catamaran vào cuối những năm 1950, đáng chú ý nhất là ở học viện MIT Lần đầu tiên họ đã phát hiện rằng sự kết hợp hợp lý của khoảng hở ngang và số Froud sẽ làm cho sức cản của catamaran nhỏ hơn sức cản sơ

bộ của hai thân riêng rẽ của chúng di chuyển tách biệt nhau Khoảng hở tối ưu tăng cùng với sự tăng số Froude từ 0,25 – 0,45, và giảm với số Froude từ 0,55 đến 1,0, và không thay đổi nhiều ở số Froude ≈ 0,5 Ở số Froude thấp, Fn < 0,35; khe hở tối ưu bằng khoảng 30-50% chiều dài thân tàu

Ảnh hưởng của khoảng hở ngang đã được nghiên cứu trong quá trình thử nghiệm

mô hình catamaran Vùng ưa thích nằm trong phạm vi: b1/L = 0,15 – 0,223 và Fn < 0,35 Trên cơ sở dữ liệu của Taylor đối với tàu thông thường, so sánh với tàu một thân cho thấy công suất yêu cầu sẽ thấp hơn đối với catamaran có Fn = 0,35-0,38

Hình 12: Sức cản kéo của mô hình catamaran với đường hình thân dạng chữ S,

1: một thân; 2: 2 b 0,327 ; 3: 2 b 0,24

Khi nghiên cứu catamaran chở hàng dài 210m với cả hai trường hợp hai thân đối xứng và không đối xứng, sức cản của mô hình catamaran được so sánh với sức cản của từng thân riêng rẽ Người ta thấy rằng sau khi vượt quá tốc độ giới hạn xác định, công suất hiệu dụng của catamaran nhỏ hơn hai lần công suất cả một thân riêng rẽ Nhóm mô hình catamaran với mặt cắt ngang dạng chữ U và chữ S được thử nghiệm bởi Vollheim, người

đã từng nghiên cứu ảnh hưởng của hệ số khối, nghiêng dọc và khoảng hở ngang đến sức cản ở phạm vi Fn từ 0,2 đến 0,36 Mô hình dạng chữ S với 2b0,3120,39 và CB = 0,65

có giao thoa sóng mong muốn ở Fn = 0,295 – 0,325, và CB = 0,71 với phạm vi Fn = 0,315

– 0,60, xem hình 12 Mô hình dạng chữ U không có giao thoa sóng mong muốn và có

bước nhảy bướu, hình 13 Cũng như đối với các nhân tố lực đẩy, không có ảnh hưởng của

khoảng hở ngang đến hệ số dòng theo trong khi ảnh hưởng đến sự giảm lực đẩy chỉ tìm thấy đối với số Fn > 0,25 – 0,3

Hình 13: Sức cản kéo của mô hình catamaran tuyến hình chữ U:

1: một thân; 2: 2 b 0,39 ; 3: 2 b 0,24

Hình 14: Phổ góc sóng đối với giao thoa mong muốn: 1- tàu một thân; 2- tàu hai thân

Sức cản sóng của catamaran được nghiên cứu ở Phòng thí nghiệm vật lý quốc gia Anh quốc nhờ sử dụng kỹ thuật phân tích biên dạng sóng Giai đoạn đầu, mô hình với tuyến hình có thể biểu diễn dưới dạng giải tích được nghiên cứu kỹ ở số Fn = 0,236 – 0,256 và khe hở tương đối b0,20,8 Trong khu vực giao thoa sóng mong muốn, catamaran có sức cản sóng thấp hơn 20 – 30% Trong khoảng b0,20,4, phạm vi số froude tối ưu là Fn = 0,22-0,26 và 0,3-0,36 Giai đoạn tiếp theo nghiên cứu mô hình với dạng vỏ truyền thống Kết quả cho thấy sức cản sinh sóng của một thân của catamaran tạo thành ít nhất 60% sức cản của tàu một thân, trong khi giá trị đó đối với mô hình dạng giải tích chỉ là 40% Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy sự giảm sức cản sinh sóng là do sự suy

giảm của sóng phân kỳ Ảnh hưởng của các loại sóng khác nhau cho trong hình 14 và 15

đối với chiều dài và khoảng hở tương đối tối ưu và không tối ưu

Hình 15: Phổ góc sóng với giao thoa không mong muốn; 1: tàu một thân; 2: tàu hai thân

3.2.3 Catamaran có độ thon nhỏ

Thiết kế loại này dựa trên các đặc tính sau:

 Với cùng tốc độ, chiều dài và lượng chiếm nước, catamaran có khả năng đẩy cao hơn tàu một thân; hoặc với cùng tốc độ và sức chở, catamaran cần công suất nhỏ hơn tàu một thân

 Sức cản của catamaran và hiệu suất chân vịt phụ thuộc vào khoảng hở ngang, tính không đối xứng, tỉ số kích thước cơ bản và dạng thân

 Sức cản của catamaran thường lớn hơn sức cản của tổng hai thân riêng rẽ của nó, ngoại trừ đối với một vài phạm vi của Fn và tỉ số khoảng hở

Trên cơ sở những kết luận này, seri tàu catamaran được thiết kế với hai thân đối xứng và mặt cắt ngang có dạng chữ V Tuyến hình thân tàu được chọn khá giống với dạng

tàu cá cỡ vừa và cỡ nhỏ điển hình, với mẫu tàu cho trên hình 16 Nhưng kích thước cơ bản

và các tỉ số của chúng thay đổi trong phạm vi rộng, hình 17, là đại diện cho hầu hết

catamaran được biết đến thời điểm này Tỉ số B1/d thay đổi theo sự thay đổi của chiều

chìm d Vì vậy, cần tính đến sự thay đổi của hệ số khối CB theo chiều chìm Để giảm ảnh hưởng này, đuôi tàu kiểu tuần dương hạm thường được chọn hơn đuôi tàu kiểu transom

Hình 16: Tuyến hình của mô hình thử nghiệm

Hình 17: Phạm vi các thông số của mô hình trong các thử nghiệm khác nhau: I-Catamaran được chế tạo từ những năm 1970 II- Seri Taylor- Gertler

III -Seri tàu hàng chạy nhanh IV - Seri tàu chở hàng rời.V -Seri tàu cá

Seri thử nghiệm bao gồm hai nhóm mô hình (bảng 1): nhóm một với sự thay đổi của tỉ số L/B (mô hình 1, 2 và 3), và nhóm hai với sự thay đổi của CB (mô hình 3, 5 và 6) Thử kéo mô hình được thực hiện ở các tốc độ ứng với Fn = 0,45 và với các khoảng hở

5,02,0L

3.90 4.01 4.05

0.823 0.871 1.044

4.66 4.80 5.28

3.63 3.73 4.06

2.62 2.53 2.25

5.33 5.27 5.12

0.482 0.477 0.505

0.578 0.572 0.550

0.833 0.835 0.855 0.822

4.18 4.20 4.00

2 7746 0.750 5.0

0.333 0.405 0.455

3.99 4.03 4.06

0.502 0.679 0.811

3.80 4.42 4.85

5.32 5.37 5.40

2.25 1.85 1.65

6.03 5.75 5.57

0.504 0.555 0.585

0.605 0.643 0.665

0.883 0.863 0.880 0.819

5.01 5.59 4.36

3 7740 0.535 7.0

0.240 0.325 0.410

3.95 4.04 4.08

0.238 0.380 0.540

2.70 3.54 4.35

7.40 7.55 7.63

2.23 1.64 1.30

7.02 6.75 6.53

0.470 0.540 0.603

0.565 0.618 0.672

0.833 0.873 0.897 0.820

6.37 5.57 5.02

4 7860 0.415 9.0

0.185 0.250 0.320

3.85 3.91 3.97

0.171 0.266 0.373

2.18 2.73 3.33

9.28 9.43 9.57

2.25 1.67 1.30

7.08 6.57 6.45

0.578 0.657 0.708

0.655 0.713 0.765

0.884 0.920 0.925 0.820

6.95 6.07 5.53

5 7812 0.535 7.0

0.240 0.325 0.410

3.95 4.03 4.08

0.282 0.439 0.604

2.73 3.45 4.15

7.40 7.53 7.63

2.23 1.64 1.30

6.35 5.98 5.83

0.557 0.627 0.677

0.670 0.718 0.755

0.833 0.873 0.897 0.820

6.00 5.30 4.82

6 7861 0.535 7.0

0.240 0.325 0.410

3.98 4.04 4.08

0.328 0.498 0.674

2.93 3.65 4.33

7.43 7.55 7.63

2.23 1.64 1.30

6.18 5.78 5.62

0.643 0.708 0.752

0.772 0.810 0.838

0.833 0.873 0.897 0.820

5.77 5.10 4.65

7 7863 0.532 7.0

0.240 0.325 0.410

3.95 4.02 4.05

0.240 0.392 0.560

2.59 3.31 4.01

7.43 7.56 7.61

2.23 1.64 1.30

6.65 6.20 5.90

0.475 0.560 0.633

0.678 0.720 0.760

0.700 0.780 0.760 0.820

6.38 5.48 4.90

Sức cản mô hình trong thử nghiệm kéo cũng như lực đẩy và mômen xoắn trong các thử nghiệm mô hình tự hành được đo trên một thân khi thân thứ hai treo tự do Kết quả được giới thiệu dưới dạng hệ số sức cản dư không thứ nguyên CR theo số Froude, như sau:

F 2

F T

v

R2C