Lựa chọn các công thức tính sức cản phù hợp với tàu cá cỡ nhỏ ở Việt Nam

Một số nhận xét về phương pháp tính sức cản tàu cá bằng các công thức tính gần đúng.. Tính sức cản bằng phương pháp tính tay theo công thức Võ Văn Trác đối với tàu mẫu số 1 Tàu 250-2.. T

MỤC LỤC

Trang

MỤC LỤC i

DANH MỤC BẢNG .iii

DANH MỤC HÌNH v

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ 3

1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 3

1.2 ĐẶC ĐIỂM TÀU CÁ CỠ NHỎ 4

1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI VÀ VẤN ĐỀ ĐẶT RA 4

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trong nước 4

1.3.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 4

1.4 MỤC TIÊU, PHƯƠNG PHÁP, GIỚI HẠN VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 5

1.4.1 Mục tiêu của đề tài 5

1.4.2 Phương pháp nghiên cứu 5

1.4.3 Giới hạn đề tài 5

1.4.4 Nội dung nghiên cứu 5

CHUƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6

2.1 SỨC CẢN VỎ TÀU 6

2.1.1 Khái niệm chung về sức cản 6

2.1.2 Các thành phần sức cản 7

2.1.2.1 Sức cản ma sát 7

2.1.2.2 Sức cản áp suất 10

2.1.2.3 Các thành phần sức cản phụ khác 13

2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH SỨC CẢN 13

2.2.1 Phương pháp giải tích 13

2.2.2 Phương pháp thử nghiệm mô hình 14

2.2.3 Phương pháp thử kéo tàu thật 14

2.2.4 Phương pháp thử tốc độ 15

2.2.5 Phương pháp tính gần đúng 15

2.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH GẦN ĐÚNG SỨC CẢN TÀU CÁ 15

2.3.1 Công thức Võ Văn Trác 15

2.3.2 Công thức Oortsmesena 28

2.3.3 Công thức Viện thiết kế Leningrad 35

2.3.4 Công thức Kamuko 35

2.3.5 Công thức Yanmar 43

CHƯƠNG 3 LẬP TRÌNH – PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN SỨC CẢN TÀU ĐÁNH CÁ THEO MỘT SỐ CÔNG THỨC GẦN ĐÚNG THÔNG DỤNG 44

3.1 LỰA CHỌN VÀ GIỚI THIỆU NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH 44

3.2 XÂY DỰNG SƠ ĐỒ THUẬT TOÁN CHO CHƯƠNG TRÌNH 45

3.2.1 Xây dựng sơ đồ thuật toán cho các phương pháp tính 45

3.2.2 Bảng tính toán các phương pháp và sơ đồ thuật toán 45

3.3 THIẾT KẾ GIAO DIỆN VÀ VIẾT CODE CHO CHƯƠNG TRÌNH 55

3.3.1 Thiết kế giao diện 55

3.3.2 Viết cod cho chương trình (Trình bày phần mục lục) 60

3.4 KIỂM TRA TÍNH CHÍNH XÁC CỦA CHƯƠNG TRÌNH 60

3.4.1 Mẫu tàu khảo sát đã thử nghiệm để kiểm tra độ chính xác của chương trình 60

3.4.2 Kết quả do chương trình chạy ra và kết quả tính tay 62

3.4.2.1 Các phương pháp tính theo công thức Võ Văn Trác 62

3.4.2.2 Các phương pháp tính theo công thức Viện thiết kế Leningrad 67

3.4.2.3 Công thức Kamuko 70

3.5 PHÂN TÍCH - LỰA CHỌN ĐÁNH GIÁ CÁC CÔNG THỨC TÍNH SỨC CẢN 71

3.5.1 So sánh kết quả khi tính các công thức khác nhau 71

3.5.2 Một số nhận xét về phương pháp tính sức cản tàu cá bằng các công thức tính gần đúng 72

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 73

4.1 KẾT LUẬN 73

4.2 ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Ảnh hưởng của độ cong của bề mặt vỏ tàu theo tỷ số L/B 10

Bảng 2.2 Phạm vi sử dụng công thức Võ Văn Trác 15

Bảng 2.3 Hệ số lực cản phụ 29

Bảng 2.4 Giá trị hệ số Ci 30

Bảng 3.1 Bảng tính sức cản theo công thức của Võ Văn Trác 45

Bảng 3.2 Tính sức cản theo công thức Ootsmersena 48

Bảng 3.3 Bảng tính sức cản theo công thức của Viện thiết kế Leningrad 50

Bảng 3.4 Bảng tính sức cản theo công thức Kao-Mu-Ko 52

Bảng 3.5 Bảng tính sức cản theo công thức Yanmar 54

Bảng 3.6 Các thông số của tàu dùng cho thử nghiệm Error! Bookmark not defined Bảng 3.7 Bảng kết quả thử mô hình với các công thức tính khác nhau 60

Bảng 3.8 Tính sức cản bằng phương pháp tính tay theo công thức Võ Văn Trác đối với tàu mẫu số 1 (Tàu 250-2) 62

Bảng 3.9 Tính sức cản bằng phương pháp tính tay theo công thức Võ Văn Trác đối với tàu mẫu số 2 (Tàu 250-1) 63

Bảng 3.10 So sánh kết quả các phương pháp theo công thức Võ Văn Trác đối với tàu mẫu 250-2 66

Bảng 3.11 So sánh kết quả các phương pháp theo công thức Võ Văn Trác đối với tàu mẫu 250-1 66

Bảng 3.12 Tính sức cản bằng phương pháp tính tay theo công thức Viện thiết kế Leningrad đối với tàu mẫu số 1 (Tàu 250-2) 67

Bảng 3.13 Tính sức cản bằng phương pháp tính tay theo công thức Viện Thiết kế Leningrad đối với tàu mẫu số 2 (Tàu 250-1) 68

Bảng 3.14 So sánh kết quả các phương pháp theo công thức Viện thiết kế Leningrad đối với tàu mẫu 250 -2 69

Bảng 3.15 So sánh kết quả các phương pháp theo công thức Viện thiết kế Leningrad đối với tàu màu mẫu 250 -1 70

Bảng 3.16 Bảng so sánh các phương pháp theo công thức Kamuko đối với tàu mẫu 250-2 70

Bảng 3.17 Bảng so sánh các phương pháp theo công thức Kamuko đối với tàu mẫu 250-1 70 Bảng 3.18 So sánh kết quả sức cản tổng hợp theo các công thức đối với tàu mẫu

250 -1 71 Bảng 3.19 So sánh kết quả sức cản tổng hợp theo các công thức đối với tàu mẫu 250-2 71

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 Mô hình lực của môi trường nuớc tác dụng lên tàu đang chuyển động 7

Hình 2.2 Ba vùng chính xung quanh bề mặt vỏ tàu 8

Hình 2.3 Thử nghiệm kéo tấm phẳng trong dòng chất lỏng lý tuởng 8

Hình 2.4 Thử nghiệm kéo tấm phẳng trong dòng chất lỏng thực 9

Hình 2.5 Hiện tượng lưu tuyến của dòng chất lỏng xung quanh bề mặt vỏ tàu 11

Hình 2.6 Sức cản hình dạng 11

Hình 2.7 Các hệ thống sóng xung quanh tàu khi chuyển động 12

Hình 3.1 Giao diện của chương trình phần mềm 55

Hình 3.2 Giới thiệu phần mềm 55

Hình 3.3 Nhập dữ liệu đầu vào 56

Hình 3.4 Các phương pháp tính có trong chương trình 56

Hình 3.5 Tính sức cản theo công thức Võ Văn Trác 57

Hình 3.6 Tra đồ thị thực nghiệm theo công thức Võ Văn Trác 57

Hình 3.7 Tính sức cản theo công thức Oortsmersena 58

Hình 3.8 Tính sức cản theo công thức của Viện thiết kế Leningrad 58

Hình 3.9 Tính sức cản theo công thức Kamuko 59

Hình 3.10 Tính sức cản theo công thức Yanmar 59

Hình 3.12 Tính sức cản cho tàu mẫu 250-1 65

Hình 3.13 Tính sức cản theo công thức Viện thiết kế Leningrad đối với tàu mẫu 250-2 68

Hình 3.14: Tính sức cản theo công thức Viện thiết kế Leningrad đối với tàu mẫu 250-1 69

Hình 4.1 Mối quan hệ giữa hệ số thể tích chiếm nước CB và sức cản R khi áp dụng công thức Võ Văn Trác khi thay đổi thể tích chiếm nước 73

LỜI NÓI ĐẦU

Việt Nam có vùng biển rộng trên 1 triệu km2, lớn gấp 3 lần diện tích đất liền, nằm trong số 10 nước trên thế giới có chỉ số cao nhất về chiều dài bờ biển với 3.260km trên cả 3 hướng Đông, Nam và Tây Nam, trung bình khoảng 100 km2 đất liền có 1 km bờ biển (cao gấp 6 lần của thế giới); với trên 30 cảng biển, 114 cửa sông, 47 vũng, vịnh và khoảng 3000 hòn đảo lớn, nhỏ, 2 quần đảo Hoàng Sa và Trường Sa Điều này tạo nên nguồn tài nguyên thủy hải sản phong phú, đa dạng với trữ lượng và quy mô thuộc loại lớn, cho phép phát triển lĩnh vực kinh tế biển quan trọng là đánh bắt thủy hải sản

Vì vậy ngành khai thác thủy sản thì việc phát triển đội tàu khai thác là một trong những yêu cầu hàng đầu Hiện nay việc đóng mới tàu cá ở nước ta được tổ chức đều khắp các địa phương có nghề cá Các loại tàu đánh cá vỏ gỗ chủ yếu được được đóng theo kinh nghiệm dân gian, nên hầu như không tính toán hoặc thiết kế

mà đóng theo mẫu của từng địa phương, phụ thuộc vào kinh nghiệm và sở thích của ngư dân

Do đó bài toán đặt ra với tàu có các thông số hình học như vậy thì tàu cần máy có công suất bao nhiêu là phù hợp, hay nói rộng hơn là chọn tổ hợp thiết bị đẩy

là bao nhiêu thì đem lợi hiệu suất làm việc là tốt nhất Để giải quyết được vấn đề đặt

ra đó thì ta cần giải được bài toán về sức cản của tàu, nhưng trong bài toán về sức cản có rất nhiều vấn đề, tuy nhiên việc lựa chọn công thức nào dùng để tính toán sức cản cho ra kết quả gần với thực tế nhất là hết sức quan trọng

Trước tình hình đó tôi đã được nhà trường giao cho thực hiện đề tài: “Lựa chọn các công thức tính sức cản phù hợp với tàu cá cỡ nhỏ ở Việt Nam” Được

sự hướng dẫn tận tình của thầy PGS.TS Trần Gia Thái, thầy chủ nhiệm Ks Trần Đình Tứ cùng với sự động viên giúp đỡ của các thầy trong bộ môn Kỹ Thuật Tàu Thủy thuộc Khoa Kỹ Thuật Giao Thông, tôi đã hoàn thành tất cả nội dung đề tài

Nội dung đề tài gồm bốn phần:

Chương 1: Đặt vấn đề

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Lập trình – phân tích, lựa chọn sức cản tàu đánh cá theo một số công thức gần đúng thông dụng

Chương 4: Thảo luận và đề xuất ý kiến

Em xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy và các bạn đã động viên giúp đỡ

em trong quá trình thực hiện đề tài, đặc biệt em xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Trần Gia Thái đã giúp đỡ em một cách tận tình trong thời gian thực hiện đề tài

Nha Trang, ngày tháng7 năm 2013

CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Trong thiết kế tàu, việc tính sức cản tàu thủy có vai trò hết sức quan trọng nhằm xác định tổ hợp thiết bị đẩy như chọn máy chính, chân vịt hay các thiết bị động lực Ngoài ra còn để lựa chọn được đặc điểm hình học, đường hình đảm bảo lực cản nhỏ nhất ở tốc độ đã cho

Trên thực tế hiện nay có nhiều phương pháp tính như phương pháp giải tích, phương pháp thử nghiệm mô hình, phương pháp thử kéo tàu thật, phương pháp phân tích kết quả thử tốc độ và phương pháp tính theo công thức gần đúng Trong điều kiện kinh tế nước ta hiện nay, việc xây dựng bể thử mô hình hay thử nghiệm tàu thực là rất khó khăn, các công thức tính sức cản theo phương pháp giải tích vẫn còn đang được thiết lập Trong khi đó các công thức gần đúng hầu hết được xây dựng từ kết quả thử mô hình hoặc từ số liệu thống kê từ các tàu nước ngoài, mặt khác tàu đánh cá lại có sự thay đổi rất lớn về mặt hình dáng nên khi áp dụng rất khó đánh giá mức độ chính xác của từng công thức Vì vậy, việc xây dựng lựa chọn công thức tính gần đúng sức cản tàu đánh cá của Việt Nam để từ đó lựa chọn được công thức tối ưu, phù hợp với tàu đánh cá là cần thiết Tránh cho người thiết kế phải mất công sức vào việc tính toán để so sánh các phương án và có thể tính toán sức cản sát hơn với thực tế nhằm giảm thiểu những tổn hao không cần thiết

Tuy nhiên, việc xác định sức cản lại gặp phải rất nhiều khó khăn, trong đó có bài toán là ứng với mỗi chủng loại tàu thì có những công thức và cách tính khác nhau, cụ thể ví dụ tính toán sức cản cho tàu cá thì hiện nay sẽ sử dụng các công thức tính như Oortsmesena, Võ Văn Trác, Doust, Kamuko, Yanmar, Taggarta, Petrov, Viện thiết kế Leningrad Mặt khác trong các công thức tính đó sẽ cho ra các kết quả tính khác nhau, vì vậy yêu cầu đặt ra phải tìm làm sao được trong các công thức đó công thức nào có kết quả gần với thức tế nhất

Tóm lại, từ những yêu cầu và vấn đề phân tích ở phần tổng quan trên tôi đã thực hiện đề tài lựa chọn các công thức tính sức cản phù hợp với tàu cá cỡ nhỏ ở Việt Nam

và được bảo vệ bởi ống bao trục làm bằng đồng thau và tàu cá cỡ nhỏ thường sử dụng 1 chân vịt

Dưới đây là các bản vẻ đường hình, bố trí chung, kết cấu của loại tàu cá cỡ nhỏ hiện nay ở Việt Nam

1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Hiện nay trong nước cũng có nhiều công trình nghiên cứu, đề tài tính toán sức cản cho tàu cá như: Đặng Văn Duyệt (2006) đồ án tốt nghiệp “Xây dựng công thức tính sức cản tàu cá Việt Nam bằng phương pháp phân tích hồi quy theo số liệu thực nghiệm của FAO”; Lưu Đình Hải (2006) đồ án tốt nghiệp “ Lập trình tính toán sức cản tàu đánh cá theo một số công thức gần đúng thông dụng ”; Tạp chí khoa học – Công nghệ Thuỷ Sản số 03-04/2006, 03/2011… PGS.TS Nguyễn Quang Minh,

“Bài toán xác định sức cản trong thiết kế tàu đánh cá và phương pháp tổ chức thực nghiệm” tạp chí KHCN Thuỷ Sản

1.3.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Trên thế giới có rất nhiều những tài liệu, đề tài nghiên cứu nói về vấn đề sức cản BarhamH., Lee, R., Application of Waterjet Propulsion to High-Performance Boats, Hovercraft and Hydrofoil 1976…, đồng thời cũng có nhiều những phần mềm tính như Autoship, Navcad…Tuy nhiên bài toán tính sức cản tàu là một bài toán

khó, phức tạp, do phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: vận tốc tàu, môi trường hoạt động, đặc điểm hình học vỏ tàu… Chính vì đặc điểm này nên các nhà khoa học luôn

đi tìm cách nghiên cứu và xác định nó

1.4 MỤC TIÊU, PHƯƠNG PHÁP, GIỚI HẠN VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1.4.1 Mục tiêu của đề tài

Phân tích, đánh giá, so sánh lựa chọn các công thức tính sức cản, để rồi đưa ra một công thức phù hợp với tàu cá cỡ nhỏ ở Việt Nam nhất

1.4.2 Phương pháp nghiên cứu

Đây là bài toán yêu cầu trước tiên cần phải nghiên cứu xác định các công thức tính sức cản tàu cá hiện nay Sau đó sử dụng ngôn ngữ tin học để lập trình cho các công thức đó Tiếp theo sử dụng một tàu mẫu cụ thể để kiểm tra độ chính xác của chương trình Sau đó so sánh, phân tích kết quả, đánh giá sự sai lệch với tàu mẫu khảo sát để rút được công thức tính sức cản nào là phù hợp nhất

1.4.3 Giới hạn đề tài

Các công thức tính gần đúng sức cản được sử dụng khá nhiều, trong đề tài này em sử dụng các công thức như công thức Võ Văn Trác, công thức công thức Yanmar, công thức Kamuko, công thức Oortsmersena, Viện thiết kế Leningrad để tính cho tàu cá ở Việt Nam

1.4.4 Nội dung nghiên cứu

Với đề tài nghiên cứu và hướng giải quyết đã được nêu trong mục tổng quan,

đề tài bao gồm những nội dung như sau:

Chương 1: Đặt vấn đề

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Lập trình – phân tích, so sánh sức cản tàu đánh cá theo một số công thức gần đúng thông dụng

Chương 4: Thảo luận và đề xuất ý kiến

CHUƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 SỨC CẢN VỎ TÀU [1]

2.1.1 Khái niệm chung về sức cản

Khi tàu chuyển động trên mặt nước, thân tàu phải tiếp xúc với môi trường bao quanh nó nghĩa là thân tàu chịu tác dụng của phản lực không khí và nước Mặt ướt của vỏ tàu tiếp xúc với nước, phần trên mớn nước tiếp xúc với không khí và bề mặt này chịu tác dụng của các lực ở môi trường gây ra, và một số lực cản phụ do các thiết bị như chân vịt, bánh lái… sinh ra các lực dòng trái chiều với chuyển động của thân tàu Tổng của các lực cản nói trên theo hướng chuyển động tàu được gọi chung lực cản tàu thủy R xác định theo biểu thức tổng quát:

R = Rn + Rkk + Rph (2.1)

Trong đó:

Rn : sức cản của môi trường nước

Rkk : sức cản của môi trường không khí

Rph : thành phần sức cản phụ do các thiết bị như chân vịt, bánh lái v v gây ra

Sức cản môi trường nước có vai trò, ý nghĩa quan trọng và ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ cũng như các tính năng khác của tàu khi chuyển động

Khi khảo sát phân tố diện tích dS trên bề mặt vỏ tàu phần chìm dưới nước(gọi

là diện tích mặt ướt S) sẽ nhận thấy diện tích S chịu tác dụng của hai lưc: lực tiếp tuyến τdS và lực pháp tuyến pdS

Lực tiếp tuyến dS  Lực ma sát Rms = 

S

dS x)

,cos(

 (2.2)

Lực pháp tuyến pdS  Lực áp suất Rp = 

S

dS s p

pcos( , ) (2.3)

Rn = Rm + Rp = 

S

dS x)

,cos(

S

dS s p

pcos( , ) (2.4)

Rn = Rms + Rhd + Rss (2.5)

[1] Chương 7 Lực cản tàu thủy, Lý thuyết tàu thủy, PGS.TS Trần Gia Thái

Hình 2.1 Mô hình lực của môi trường nuớc tác dụng lên tàu đang chuyển động 2.1.2 Các thành phần sức cản

Sức cản toàn phần của tàu được tổng quát hình dung các thành phần sức cản như sau:

R = Rms + RP + Rph = Rms + ( Rhd + Rss ) + ( Rpl + Rkk + Rph /s ) (2.6) Trong đó:

Sức cản ma sát xuất hiện do độ nhớt chất lỏng gây ra giữa lớp chất lỏng với

bề mặt vỏ tàu và qua các lớp chất lỏng với nhau

Theo lý thuyết cơ học chất lỏng xung quanh bề mặt vật thể được chia làm 3 vùng chính

Vùng I - vùng lớp biên: vùng này chịu ảnh hưởng chủ yếu của độ nhớt và độ rối dòng Các đặc điểm về sự thay đổi lực cản nhớt chủ yếu phụ thuộc vào các hiện tượng cơ – lý xảy ra trong lớp biên

Vùng II – vùng sau lớp biên nằm về phía sau đuôi tàu

Vùng III – vùng ngoài lớp biên: tại vùng này bỏ ảnh hưởng của độ nhớt và

có thể xem như là vùng chất lỏng thế

Hình 2.2 Ba vùng chính xung quanh bề mặt vỏ tàu

Sức cản ma sát của tàu được tính từ sức cản ma sát của tấm phẳng có tính đến độ cong và độ nhám của bề mặt vỏ tàu so với tấm phẳng

Để tìm hiểu bản chất và tìm ra công thức tính sức cản ma sát, từ năm 1870 Froude đã thực nghiệm kéo các tấm phẳng dài 0,3 – 15 m, rộng 0,5 m và dày 5mm nằm sâu trong bể thử đã thu được kết quả:

 Khi kéo tấm phẳng trong dòng chất lỏng lý tưởng (tức chất lỏng không có độ nhớt), các phần tử chất lỏng lướt qua mà không dính lại bề mặt tấm phẳng nên các lớp nước xung quanh bề mặt tấm phẳng có tốc độ không đổi, bằng tốc độ kéo tấm phẳng

 Khi kéo tấm phẳng trong chất lỏng thực (có độ nhớt) nhận thấy, do ảnh hưởng của độ nhớt nên các phần tử trong chất lỏng chảy sát tấm phẳng, làm cho tốc độ lớp chất lỏng sát bề mặt tấm phẳng bằng không, còn tốc độ lớp chất lỏng bề mặt kế tiếp, nằm theo phương vuông góc với tấm phẳng tăng dần tới giá trị bằng giá trị tốc độ Vo

Hình 2.3 Thử nghiệm kéo tấm phẳng trong dòng chất lỏng lý tuởng

Vùng ngoài lớp biên

Hình 2.4 Thử nghiệm kéo tấm phẳng trong dòng chất lỏng thực

Dòng chất lỏng trong lớp biên có thể ở chế độ chảy tầng hay chảy rối, phụ

V : vận tốc chuyển của tấm phẳng(m/s)

S : diện tích bề mặt tấm phẳng (m2)

CF : hệ số sức cản ma sát

 : độ nhớt chất lỏng(m2/s) Công thức tính hệ số sức cản ma sát của tấm phẳng phụ thuộc giá trị số

-Khi Re > 2 x 105

dòng chất lỏng trong khu vực lớp biên ở chế độ chảy rối

CF =

58 2

lg(Re)

455 0

075 0

S - diện tích mặt ướt của vỏ tàu

CF - hệ số sức cản ma sát của tàu tính theo công thức :

CF = kCFtptđ + Cbm (2.13)

CFtptđ - hệ số sức cản ma sát của tấm phẳng tương đương với tàu tức là tấm phẳng

có chiều dài và diện tích ướt bằng chiều dài và diện tích ướt của tàu chuyển động trong cùng chất lỏng với tốc độ bằng tốc độ tàu

k - hệ số tính đến ảnh hưởng của độ cong của bề mặt vỏ tàu so với tấm phẳng có giá trị nằm trong khoảng (1,02 – 1,08), xác định phụ thuộc tỷ số L/B

Bảng 2.1 Ảnh hưởng của độ cong của bề mặt vỏ tàu theo tỷ số L/B

Cbm - hệ số tính đến ảnh hưỏng của bề mặt vỏ tàu, thường có giá trị nằm trong khoảng (0,0003 – 0.0008) phụ thuộc vật liệu vỏ tàu, điều kiện làm việc … Đối với các loại tàu như, tàu vỏ thép, vỏ gỗ, tàu xi măng lưới thép, tàu xuồng nhỏ có thể lựa chọn các giá trị nằng trong khoảng: Cbm = 0,0003 - 0,0006

2.1.2.2 Sức cản áp suất

 Hiện tượng lưu tuyến: Là hiện tượng phân bố lại áp lực và tốc độ dòng chảy quanh bề mặt vỏ tàu

Hình 2.5 Hiện tượng lưu tuyến của dòng chất lỏng xung quanh bề mặt vỏ tàu

Ở các khu vực mũi và đuôi, do tiết diện ngang các dòng chảy tăng nên tốc độ dòng chảy giảm và áp lực dòng chảy tăng (định luật Becnuly) Tại phần giữa tàu, do các chất lỏng bị ép lên nhau làm giảm tiết diện ngang nên chảy giảm xuống tốc độ dòng chảy lại tăng và áp lực trong dòng chảy giảm xuống Kết quả của sự phân bố lại áp lực và tốc độ trong dòng chất lỏng quanh bề mặt vỏ tàu là nguyên nhân gây ra sức cản áp suất gồm sức cản hình dạng và sức cản sinh sóng

bị giảm nhanh và đến một lúc nào đó, dưới tác dụng của sự tăng áp lực trong dòng chất lỏng sẽ làm xuất hiện một dòng chất lỏng chảy ngược sát bề mặt vỏ tàu, tạo ra

vùng xoáy sau đuôi tàu, làm giảm sáp lực phía sau đuôi tàu giảm tạo ra một lực cản, được gọi là sức cản hình dạng của tàu Đối với những tàu có độ dãn dài lớn (L/B ≥ 6), lớp biên sẽ tách khỏi bề mặt tàu rất êm nên thường ít gây ra sự tạo xoáy, do đó sức cản hình dạng đối với tàu như thế là rất nhỏ Vì vậy có thể giảm sức cản hình dạng bằng cách tăng tỷ số L/B, chọn hình dạng tốt, lựa chọn chiều dài và độ nhọn vòm đuôi tàu một cách hợp lý

Sức cản sinh sóng

Sức cản sinh sóng xuất hiện cũng do sự phân bố lại áp lực và áp lực chất lỏng chảy dọc bề mặt vỏ tàu, gây ra các hệ thống sóng xung quanh tàu khi chuyển động

Hình 2.7 Các hệ thống sóng xung quanh tàu khi chuyển động

- Sóng lan toả: gồm các sóng có tuyến chạy ngắn, chạy song song kế tiếp nhau và nằm đối xứng trên đường thẳng và tạo với mặt phẳng dọc giữa tàu góc  =

18 ÷ 20o Mặt trước của các sóng lan toả tạo với mặt phẳng dọc giữa tàu một góc 

= 2 = 36 ÷ 40o Khi chuyển động, sóng lan toả mũi và đuôi lan truyền độc lập nhau và cường độ sóng lan toả phía mũi lớn hơn và càng cách xa vị trí xuất phát thì chiều cao sóng lan toả sẽ giảm dần

- Sóng ngang: gồm các sóng chạy vuông góc phân bố trong phạm vi góc  sóng lan tỏa Càng xa vị trí xuất phát, chiều dài sóng ngang tăng, chiều cao giảm nên năng lượng lượng không đổi

Khi tàu chạy ở tốc độ thấp thường chỉ thấy sóng lan toả và do sóng lan toả là sóng ngắn, năng lượng nhỏ nên sức cản sinh sóng nhỏ Nhưng khi tốc độ tàu tăng sóng ngang là chủ yếu do chiều dài sóng tăng tỷ lệ bình phương vận tốc tàu, còn sóng lan toả trở nên mờ nhạt hơn Do hệ thống sóng ngang có năng lượng lớn nên sức cản sinh sóng trong trường hợp này lớn Nếu hệ thống sóng ngang mũi chồng lên đáy các sóng ngang đuôi sẽ làm giảm sức cản sóng Nếu đỉnh các sóng ngang

mũi chồng lên đáy các sóng ngang đuôi sẽ làm giảm sức cản sóng, giảm góc vào nước của mũi tàu và phân bố lại thể tích chiếm nước dọc theo chiều dài tàu bằng cách di chuyển sườn giữa về phía đuôi để di chuyển tâm nổi về phía đuôi

2.1.2.3 Các thành phần sức cản phụ khác

Lực cản phụ bao gồm các thành phần lực cản xuất hiện do các phần lồi trên tàu gây ra, lực cản của sóng biển đối với chuyển động của tàu và một số thành phần lực cản phụ khác

- Lực cản của các phần lồi

Các phần lồi nằm duới nuớc của tàu như chân vịt, bánh lái, ống bao, giá đỡ v v… Khi chuyển động sẽ làm tămg thêm lực cản của môi trường nước đối với chuyển động của tàu Tuy nhiên, do các phần lồi thuờng được đặt ở khá sâu dưới mặt nước nên khi tàu chuyển động, chúng không gây ra sự tạo sóng trên mặt thoáng nuớc nên lực cản sinh sóng đa phần rất nhỏ, do đó có thể xem lực cản của các phần lồi chỉ bao gồm lực ma sát và lực cản hình dáng

- Lực cản không khí

Lực cản không khí đối với phần thân tàu trên mặt nuớc gồm hai phần chính

là lực ma sát và lực cản hình dáng, trong khi đó lực cản hình dáng thường có giá trị lớn hơn nhiều vì lực cản của không khí khi tàu chuyển động đuợc gây ra chủ yếu do

sụ phá vỡ của các xoáy không khí do dòng không khí chảy vòng xung quanh phấn thân tàu nằm phía trên mặt nuớc lực cản không khí phụ thuộc chủ yếu vào hình dáng của phần kiến trúc thượng tầng của tàu, trong khi đó khi không gió, lực cản không khí bằng khoảng (1,5 – 3)% giá trị lực cản toàn phần nhưng khi có gió, lực cản không khí có thể lớn hơn đến 10% giá trị lực cản toàn phần của tàu

2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH SỨC CẢN

Hiện nay số các công trình nghiên cứu về sức cản vỏ tàu rất nhiều Mỗi một phương pháp tính đều có ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng riêng và chỉ đúng cho trường hợp chuẩn

2.2.1 Phương pháp giải tích

Phương pháp giải tích thường được xây dựng trên cơ sở lý thuyết của cơ chất lỏng để xác định một cách chính xác những thành phần lực cản có trong lực cản tổng hợp của tàu Tuy nhiên hiện mới chỉ có công thức giải tích tính chính xác

thành phần lực cản ma sát của tàu, còn việc thiết lập công thức giải tích tính các thành phần lực cản khác còn gặp nhiều khó khăn nên cho đến hiện nay phương pháp vẫn chưa được áp dụng rộng rãi

2.2.2 Phương pháp thử nghiệm mô hình

Phương pháp thử mô hình là phương pháp chính để xác định lực cản tàu được

sử dụng phổ biến ở nhiều nước có nền kinh tế, khoa học kỹ thuật phát triển Tuy nhiên việc xây dựng bể thử rất phức tạp và tốn kém nên chỉ có một số nước trên thế giới thực hiện được Để xác định được sức cản vỏ tàu bằng phương pháp thử mô hình người ta tiến hành các phần cơ bản sau:

- Chế tạo mô hình thu nhỏ của tàu thực

- Thử nghiệm kéo mô hình trong bể thử để xác định sức cản của mô hình

đã chế tạo

- Chuyển kết quả của mô hình sang tàu thực theo tỷ lệ đồng dạng

Chế tạo mô hình thu nhỏ của tàu thực là một công việc đơn giản với khoa học

kỹ thuật như ngày nay Nhưng mô hình hoá các tính năng hàng hải của tàu phải dựa vào định luật đồng dạng trong nghiên cứu sức cản vỏ tàu và phải dựa vào những yêu cầu đồng dạng của lý thuyết cơ chất lỏng Khi thử mô hình không thể đồng thời đảm bảo được cùng một lúc yêu cầu đồng dạng của cơ học chất lỏng mà chỉ đảm bảo được từng phần Tương tự về mặt kỹ thuật chỉ đảm bảo đồng dạng từng phần về hiện tượng và lực môi trường sóng Do đó việc tính sức cản bằng phương pháp thử

mô hình trong bể thử là rất phức tạp và tốn kém Tuy nhiên nó lại đạt được độ chính xác rất cao, nên có thể sử dụng trong việc xây dựng các công thức gần đúng hoặc các đồ thị thực nghiệm

2.2.3 Phương pháp thử kéo tàu thật

Phương pháp kéo tàu thật được xây dựng trên cơ sở xác định lực cản của tàu thiết kế bằng cách tổ chức thử nghiệm kéo các tàu thật trong thực tế Phương pháp này rất tốn kém về thời gian, tiền bạc và công sức nên thường được sử dụng để kiểm tra vá đánh giá độ chính xác của các phương pháp tính khác, nhất là phương pháp thử nghiệm mô hình

2.2.4 Phương pháp thử tốc độ

Phương pháp thử tốc độ xây dựng trên cơ sở phân tích kết quả thử tốc độ tàu thật Phương pháp này cho kết quả ít chính xác do sự xuất hiện nhiều hiện tượng phức tạp cạnh tàu khi chân vịt hoạt động nên ít được áp dụng, chủ yếu nhằm mục đích cung cấp các số liệu thực nghiệm để so sánh với các phương pháp khác

2.2.5 Phương pháp tính gần đúng

Phương pháp này xác định sức cản tàu dựa trên cơ sở tổng kết các kết quả nhận được khi thử hàng loạt mô hình có hình dáng biến đổi một cách hệ thống, hay dựa trên kết quả tàu thật các kết quả này thường được tổng kết lại thành các công thức gần đúng hay các đồ thị để xác định sức cản một cách nhanh chóng Vì vậy phương pháp này có độ chính xác không cao, phụ thuộc chủ yếu vào sự khác nhau của đường hình tàu đang xét, với đường hình tàu dùng để thử nghiệm mô hình Tuy nhiên, do đơn giản và dễ sử dụng nên phương pháp này được áp dụng rộng rãi, nhất là trong giai đoạn tính sơ bộ, chưa cần độ chính xác cao hay khi không có điều kiện thử mô hình Hiện nay có khá nhiều công thức tính với độ chính xác và phạm vi ứng dụng khác nhau Tùy thuộc vào từng loại tàu, tàu cá , tàu vận tải…và vùng hoạt động để có thể lựa chọn ra phương án phù hợp nhất có thể

2.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH GẦN ĐÚNG SỨC CẢN TÀU CÁ

2.3.1 Công thức Võ Văn Trác

Công thức tính sức cản gần đúng của Võ Văn Trác được tổng hợp trên cơ sở kết quả thử nghiệm mô hình 32 mẫu tàu cá của Việt Nam Phạm vi áp dụng công thức này là những tàu cá có thông số nằm trong phạm vi cho trong bảng 2.3.1 như sau:

Theo công thức của Võ Văn Trác thì sức cản vỏ tàu có tính đến ảnh hưởng của sức cản ma sát và sức cản dư:

RF - Sức cản ma sát được xác định theo sức cản của tấm phẳng

Trong đó R F biểu thị sự ảnh hưởng của của độ nhám và phần lồi thân tàu Nó

được tính theo công thức tính sức cản ma sát của tấm phẳng, có tính đến độ cong và

độ nhám của bề mặt vỏ tàu so với tấm phẳng theo công thức tổng quát:

S - là diện tích mặt ướt của vỏ tàu

Theo công thức này thì diện tích mặt ướt vỏ tàu được tính theo công thức sau:

L

Các thông số L, B, T, δ như sau:

L - Chiều dài thiết kế (m)

Tính hệ số sức cản ma sát tấm phẳng phụ thuộc giá trị số Reynolde

( theo công thức 2.9 và 2.10)

Hệ số sức cản ma sát tấm phẳng tính theo công thức của Hội nghị quốc tế các

bể thử lần VIII(ITTC – 1957) ∑∆ξt - Tổng các hệ số lực cản phụ sinh ra bởi độ nhám, tính ăn lái, gió và các phần nhô Các hệ số này có thể lấy theo bảng 2.1

Rd - Sức cản dư xác định theo đồ thị thực nghiệm, phụ thuộc vào các thông

số của tàu gồm tỷ số các kích thuớc chính L/B, B/T, giá trị số Froude và hệ số lăng trụ dọc tàu φ như sau:

( , , ,)

B

Fr T

f D

L B

R d

 (2.18)

Đồ thị xác định lực cản dư chỉ được tính cho hai trường hợp là B/T = 2,5 và B/T = 4,0 trong trường hợp tàu có các tỷ số B/T khác có thể sử dụng phương pháp nội suy tuyến tính: Gọi giá trị

D

d R

tra được trên đồ thị thực nghiệm Võ Văn Trác

tra được trên đồ thị thực nghiệm Võ Văn

tra được trên đồ thị thực nghiệm Võ

5 , 2 (2.19)

Các đồ thị thực nghiệm của Võ Văn Trác Việc tính toán được trình bày cụ thể theo bảng 3.1

2.3.2 Công thức Oortsmesena

Dựa trên những số liệu thống kê về lực cản, Oortsmersena đã soạn ra công

thức gần đúng tính lực cản của các loại tàu kéo và tàu cá Khác với phần lớn các

công thức tính lực cản tàu dựa trên các số liệu thống kê để đưa ra các công thức

kinh nghiệm mà không có sự chứng minh lý thuyết, công thức Oortsmesena dựa

trên việc xem xét sức cản vỏ tàu bằng tổng sức cản của tấm phẳng và sức cản dư

R = Rms + Rdư (2.20)

Trong đó: R - Sức cản toàn bộ vỏ tàu, (kG)

Rms - Sức cản ma sát, (kG)

Rdư - Sức cản dư được xác định từ các thông số thực nghiệm, (kG)

 Tính sức cản ma sát: Lực cản ma sát được tính dựa trên lý thuyết tấm phẳng

của Froude

Rms =

2

1 Cms ρ V2 S (2.21)

Cmstp - Hệ số ma sát tấm phẳng tương đương Do dòng nước bao quanh vỏ

tàu là dòng chảy rối nên hệ số ma sát tấm phẳng tương đương Cmstp được xác

định theo công thức:

)2Re(lg

075,0

D - Trọng lượng chiếm nước

LD = 2

1(Lpp + Ltk )- Chiều dài tương ứng lượng chiếm nước D

Lpp – Chiều dài hai trụ xác định từ bản vẽ kết cấu của tàu thiết kế Xác định sức cản Rdư

Rdư = (C1f1 + C2f2 + C3f3 + C4f4).D (2.26)

LD = 2

1(Lpp + Ltk )- Chiều dài tương ứng lượng chiếm nước D

Lpp – Chiều dài hai trụ là khoảng cách giữa trụ mũi và trụ lái xác định

từ bản vẽ kết cấu của tàu thiết kế

Xác định sức cản Rdư

Rdư = (C1f1 + C2f2 + C3f3 + C4f4).D (2.27) Trong đó:

f 1 = e

2

9



m Fr

g – Gia tốc trọng trường, g= 9,81(m/s2)

Ltk - Chiều dài thiết kế, (m )

Ci (i= 1, 2, 3, 4) được tính theo công thức sau:

Ci = [di,0 + di,1.Lcb + di,2.Lcb

2 + di,3.φ + di,4.φ2 + di,5

Để đơn giản trong việc tính toán các hệ số Ci Được tra từ đồ thị

Hệ số di,j ;i, j= 0,1,2,3,….11 được xác định theo bảng 2.4

CB L

Đồ thị hàm f2

Đồ thị hàm f3

Đồ thị hàm f4