5. Bố cục luận án
1.4.1.1Tầng hóa lớp biên
Lý thuyết và thực nghiệm chỉ ra rằng, hệ số ma sát đặc trưng cho lực cản ma sát nhớt trên bề mặt tàu với cùng một số Reynolds trong lớp biên tầng nhỏ hơn rất nhiều so với lớp biên rối. Phần lớn các công trình nghiên cứu giảm lực cản bằng phương pháp kéo dài lớp biên tầng đã đạt được kết quả đáng kể (trang 244 [5]).
Hình 1.6 Điều khiển lớp biên giảm lực cản tàu
Điều khiển lớp biên nhằm giảm lực cản
Giảm lực cản nhớt Giảm lực cản hình dáng Tầng hóa lớp biên Giảm ma sát rối Bề mặt dao động Cải thiện tuyến hình Hút hướng pháp Thổi hướng tiếp Điện Từ trường Tạo lớp chất lỏng có tính chất khác hoặc bọt khí Tăng độ béo profil vận tốc
hoặc tăng chiều dày lớp biên Tạo lớp phù bề mặt Bề mặt dao động Dao động áp suất Dao động áp suất Tăng độ béo profil vận tốc Giảm chiều dày
lớp biên Giảm chiều dày
lớp biên Phản ứng hóa học Màng sủi Làm mát Sủi bọt Thổi Giảm độ nhám Thổi chất lỏng cùng loại Điện từ trường Chất lỏng có tính chất thay
đổi theo chiều dày lớp biên Chất lỏng có tính chất không
đổi theo chiều dày lớp biên
Đưa chất lỏng có độ nhớt khác Làm nóng bề mặt Điện từ trường Hút Gradien áp suất âm Chất lỏng phi Newton Tạo lớp chất lỏng với tính chất khác Thổi khí Chất lỏng phi Newton Chất lỏng khác Tự nhiên Nhân tạo Hút theo khe Hút theo màng Hút phân bố
Khi số Reynolds lớn, dòng chảy bao quanh thân tàu là rối hoàn toàn nên có thể dùng phương pháp nhân tạo tầng hóa lớp biên, bằng cách tạo ra những hình dạng đặc biệt cho tàu thủy mà ở đó trên phần lớn chiều dài tàu có sự sụt giảm áp suất.
Tầng hóa lớp biên đạt được ngay cả khi thay đổi các tính chất của chất lỏng như thay đổi khối lượng riêng, đốt nóng hoặc làm lạnh bề mặt vật… làm thay đổi độ nhớt trong lớp biên, dẫn đến sự thay đổi cấu trúc của trường vận tốc và độ ổn định của lớp biên. Trong thực tế, tầng hóa lớp biên cho phép giảm lực cản hình dáng tàu, giảm và loại trừ tiếng ồn thủy động gây bởi hiện tượng mạch động áp suất.
Các yếu tố bất lợi khác của quá trình biến đổi lớp biên tầng sang rối, đó là sự rối ban đầu của nước biển. Theo các số liệu đo được, khi tàu chuyển động với vận tốc v = (10 ÷ 30) knot thì mức độ rối hoàn toàn từ (0,2 ÷ 0,5)%. Trên tàu khách và tàu hàng hiện đại, lớp biên rối xuất hiện ngay ở mép mũi tàu, do một số nguyên nhân như: số Reynolds lớn ( Re > 4.108), ảnh hưởng hình dáng mũi tàu, độ nhám tàu. Độ nhám vỏ tàu còn thúc đẩy quá trình rối trong lớp biên. Để giảm lực cản nhớt của tàu cần phải giảm độ nhám chung và độ nhám cục bộ, đặc biệt là độ nhám do việc quét sơn, phòng chống rêu hà bám và độ ăn mòn. Độ nhám vỏ tàu còn thúc đẩy quá trình rối trong lớp biên. Các chuyên gia nước ngoài cho rằng với độ nhám 0,25 mm và độ lượn sóng 0,75 mm trên chiều dài tàu 3 m đủ để làm rối hoàn toàn lớp biên của tàu. Một trong những phương pháp giảm lực cản cho tàu có chiều dài lớn là thay đổi dòng rối bằng dòng chảy tầng ngay cả khi số Re lớn.
Một số phương pháp tầng hóa lớp biên giảm lực cản tàu như sau : Phương pháp thấm hút
Theo nhận xét của chuyên gia nước ngoài, thấm hút là một trong những biện pháp hiệu quả nhất để tầng hóa lớp biên nhằm giảm lực cản tàu. Hút chất lỏng từ lớp biên bên trong vật qua các khe hoặc các lỗ hổng đặc biệt cho phép giảm bớt chiều dày lớp biên, đồng thời thay đổi dạng biểu đồ phân bố vận tốc khi hút, duy trì được chế độ chảy tầng đến số Reynolds lớn hơn so với trường hợp không có hiện tượng hút. Các chuyên gia người Anh [7] cho rằng, tầng hóa lớp biên thực hiện bằng cách hút chất lỏng trên bề mặt tàu có lượng chiếm nước khoảng vài nghìn tấn, ở Reynolds: Re 1,5.109 đã giảm lực cản nhớt tới 70%, trong khi công suất cần thiết để hút chiếm khoảng (10 ÷ 20)% công suất của các hệ thống khác trên tàu.
Chuyên gia người Mỹ [8] đã kết luận rằng, hút lớp biên là biện pháp hiệu quả nhất nhằm giảm lực cản tàu ngầm cao tốc và đã ứng dụng phương pháp này trong việc nâng cao tốc độ tàu ngầm (cho phép tàu ngầm đạt tốc độ lớn nhất 60 knot). Khắp
nước Mỹ đã tiến hành rộng rãi các nghiên cứu thử nghiệm này đối với ngư lôi và kết quả sơ bộ giảm lực cản toàn phần đến 50%. Các chuyên gia cũng đã kiến nghị rằng, việc ứng dụng phương pháp này vào thực tế là khó khăn. Nguyên nhân là do hiện tượng rác thải lọt vào miệng hút, hiện tượng đọng các hạt muối khoáng ở đầu miệng hút... Để giải quyến vấn đề này, các chuyên gia người Mỹ đưa ra yêu cầu đối với hệ thống hút cho tàu ngầm và ngư lôi phải có bề mặt nhẵn, không bị ăn mòn, thấm đều và độ sụt áp khi hút nước qua vỏ không lớn hơn (100 ÷150) mmH20. Ngoài ra cần phải dự phòng làm vệ sinh hệ thống hút cũng như một số biện pháp hữu hiệu chống hà bám, chống rung động tàu.
Tạo bọt khí, đệm khí (bôi trơn khí)
Lực cản sinh ra khi một vật thể chuyển động trong chất lỏng với tốc độ khác biệt. Để giảm lực cản ma sát người ta tạo ra một đệm mỏng cố định để ngăn cách dòng chảy với biên cứng bằng cách cấp (phun, thổi) khí liên tục qua bộ tạo khí vào lớp biên rối. Phương pháp này còn được gọi là khí hóa lớp biên hay bôi trơn bằng khí. Phương pháp này chi phí ít, có tính khả thi cao. Với sự phát triển của các công nghệ tạo bọt khí nhỏ, có thể giảm (20 ÷ 75)% lực cản ma sát, (10 ÷ 15)% lực cản toàn phần của tàu.
Việc nghiên cứu lý thuyết giảm lực cản vật khi phun khí vào lớp biên sát bề mặt vật vẫn còn nhiều hạn chế so với nghiên cứu thực nghiệm do tính phức tạp của lớp biên dày đặc bọt khí bao quanh vật. Về mặt lý thuyết, phương pháp phun khí vào lớp biên làm giảm lực cản ma sát là do tương quan giữa khối lượng riêng của nước và khối lượng riêng của không khí đến hàng nghìn lần (chưa tính đến tổn thất năng lượng tạo lớp khí bôi trơn).
Các nghiên cứu thực nghiệm:
Kết quả thực nghiệm ở bể thử Washington [7] cho thấy: lực cản ma sát trên canô giảm khi canô chạy với vận tốc lớn: v = (30 ÷ 40) knot, công suất phun khí khoảng (1,5 ÷ 2) CV/tấn (lớn hơn công suất đẩy tàu).
McCormick và Bhattacharyya [9] đã ghi lại các thí nghiệm giảm lực cản tàu đầu tiên vào năm 1973 bằng phương pháp tạo bọt khí nhờ hiện tượng điện phân. Nhóm tác giả này tiến hành thực nghiệm với vật thể có chiều dài 91,5 cm được kéo trong bể thử với tốc độ di chuyển là 2,6 m/s và nhận thấy có sự ảnh hưởng của bọt khí tới giảm lực cản, đặc biệt là khi thử nghiệm với số Reynolds thấp.
Sau thử nghiệm tiên phong này, nhiều nhà khoa học đã tiếp tục nghiên cứu và thử nghiệm phun bọt khí với nhiều cách thức khác nhau. Không chỉ dừng lại ở nghiên
cứu lý thuyết và thử nghiệm trên mô hình, các nhà khoa học đã tiến hành thử nghiệm hệ thống phun bọt khí trên tàu thực: Bogdevich [10] năm 1977; Madavan [11] năm 1984; Merkle [12] năm 1986; Kato [13] năm 1994; Guin [14] năm 1996; Takahashi [15] năm 1997; Yamaguchi [16] năm 1998; Miyanaga [17] năm 1998; Watanabe [18] năm 1998; Yoshida [19] năm 1998; Tokunaga [20] năm 1998; Fukuda [21] năm 1999; Kodama [22]-[23] năm 1999-2000; Takahashi [24] năm 2001; Robert [25] năm 2003… Các nghiên cứu cho thấy lực cản ma sát giảm theo từng điều kiện phun khí tối ưu tương ứng. Phun khí ở khu vực mũi tàu có hiệu quả hơn so với phun khí khu vực đuôi tàu. Điều thú vị là hiệu quả giảm lực cản ma sát của dòng khí phun không tuyến tính với phần thể tích khí trong lớp biên.
Với thử nghiệm phun khí qua hàng lỗ phun có đường kính phun 1m trên diện tích phun 50x10 (cm) ở mô hình tàu đáy phẳng dài 40 m, rộng 60 cm lần lượt chuyển động trong bể thử với vận tốc v = 5 m/s và v = 7 m/s, Watanabe [18] cho thấy lực cản ma sát giảm tối đa 23% ở tàu có tốc độ cao hơn (tại v = 7 m/s). Đây là một dấu hiệu tốt khi áp dụng cho các tàu đáy phẳng cỡ lớn.
Fukuda [21] tiến hành thử nghiệm trên tàu mô hình dài 12 m ở tốc độ 6 m/s, cho lực cản ma sát giảm 75%. Họ cũng thử nghiệm tương tự với mô hình tàu chở dầu có chiều dài L = 7,267 m tại tốc độ v = 15 knot, Fr = 0,15 và kết quả giảm lực cản ma sát tới 75%. Tuy nhiên, lực cản tổng giảm khoảng 10%, bởi vì khí phun được áp dụng chỉ trên một phần của bề mặt đáy (chiếm khoảng 24% tổng bề mặt đáy). Các công nghệ giảm lực cản dựa trên cơ sở phun khí gồm có: xâm thực toàn phần, xâm thực một phần và phun khí tạo bọt nhỏ [37]. Sự xâm thực có thể giảm lực cản, bởi vì một bề mặt bị xâm thực trên thực tế là không có ma sát. Đối với xâm thực toàn phần, thì lực cản này nhỏ hơn, giảm ma sát chỉ xảy ra đối với số lượng xâm thực cực thấp (nhỏ hơn 6%). Đối với xâm thực một phần, không có bất lợi về lực cản và giảm lực cản đạt được ở các mức độ vừa phải. Dòng xâm thực một phần không có sự bất lợi về lực cản có thể tồn tại với sự bổ sung của các xung xâm thực do gradien áp suất xuôi theo dòng chảy của đuôi xâm thực. Từ các thử nghiệm trên mô hình với các cánh thiết kế đặc biệt trong bể thử ở Trường Đại học Minesota và ở trên biển với tàu trọng tải 100 tấn, đo được giảm lực cản (25÷30)% nhờ xâm thực một phần. Sự giảm lực cản ma sát tỷ lệ với diện tích bị xâm thực. Các chiều dài xâm thực và diện tích bị xâm thực phụ thuộc vào tốc độ chuyển động của vật thể. Ngược lại với xâm thực toàn phần, lực cản của các bọt khí giảm so với tốc độ dòng (kết quả tốt nhất thu được ở tốc độ dòng v = 4,7 m/s), tác động của nó phụ thuộc vào hướng bề mặt. Công nghệ này có thể áp dụng cho các tàu đáy phẳng tốc độ thấp. Tuy nhiên
trong thực tế khai thác tàu, việc phun khí tại đáy cần quan tâm lớn tới vị trí đặt thiết bị phun khí sao cho khí không lọt vào chân vịt.
Các nghiên cứu lý thuyết:
Merkle và Deutsh [27] nhận thấy có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến giảm lực cản khi dùng phương pháp tạo bọt như: tốc độ dòng khí phun, tốc độ dòng chảy, kích thước bọt, sức nổi và hình dạng bề mặt ... Kích thước lỗ phun khí là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến lực cản ma sát khi bóng khí được phun thông qua lỗ hoặc khe. Kích thước bóng khí được quyết định chủ yếu bởi tốc độ dòng chảy và tốc độ luồng khí. Trong những năm gầy đây, khám phá bản chất giảm lực cản của vật bằng phương pháp tạo bọt khí đã được nhiều nhà nghiên cứu tiến hành dưới dạng mô hình giải tích: Madavan [28] năm 1985; Marie [29] năm 1987; Kim và Cleaver [30] năm 1995; Meng và Uhlman [31] năm 1998; Xu [32] năm 2002, Kunz [33] năm 2003… Họ đã chỉ ra rằng, giảm lực cản là do sự thay đổi khối lượng riêng và sự thay đổi mức độ rối. Meng và Uhlman đề xuất rằng sự phân tách bọt khí là cấu trúc cơ bản đáng tin cậy để giảm mức độ rối trong lớp biên rối đầy bọt khí.
Một phát triển mới về các nghiên cứu giảm lực cản bằng phương pháp tạo bọt khí là việc áp dụng mô phỏng số trực tiếp cho các bài toán có dòng bọt khí, được một số nhà khoa học thực hiện trong thời gian gần đây: Kanai và Miyata [34] năm 2001, Kawamura và Kodama [35] năm 2002, Ferrante và Elghobashi [36] năm 2004… Kanai và Miyata đã giải thích bản chất của sự giảm lực cản là do bọt khí hạn chế sự hình thành xoáy sát bề mặt vật, dẫn đến triệt tiêu hoàn toàn rối và giảm năng lượng rối. Kawamura và Kodama không có kết quả khả quan về giảm lực cản đối với số Reynolds thấp và kích thước bọt khí lớn. Ferrante và Elghobashi thu được kết quả giảm lực cản đáng kể đối với các phần bọt khí có thể tích rất nhỏ. Tuy nhiên, bản chất giảm lực cản khi dùng phương pháp tạo bọt khí vẫn cần thiết nghiên cứu sâu. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Phương pháp Từ thủy động
Nghiên cứu thực nghiệm năm 1960 [38] đã đưa ra sơ đồ cấu tạo từ trường khi sử dụng hiệu ứng từ thủy động, tạo ra một dòng điện tương tác với từ trường (cường độ từ trường 1,5.105
Gauss), tác động lên lớp biên nhằm tầng hóa lớp biên, giảm lực cản tàu ngầm có chiều dài 100 m.
Công trình nghiên cứu lý thuyết năm 1958 [39], các phương trình của Poccoy đã chỉ ra từ trường vuông góc vật làm tầng hóa lớp biên, giảm lực cản của vật khi mức độ rối ban đầu của nước biển ở số Re = 11.103. Tuy nhiên, việc áp dụng này chưa khả thi, sự cần thiết phải tạo ra các phương pháp làm tăng dộ dẫn chất lỏng….
Tạo lớp phủ đàn hồi
Việc sử dụng lớp vật liệu đàn hồi phủ lên bề mặt vật để kéo dài đoạn chuyển tiếp từ chảy tầng sang chảy rối trong lớp biên nhằm giảm lực cản tàu xuất phát từ nghiên cứu quá trình bơi của cá heo. Cá heo là tay bơi lặn cừ khôi ở biển cả với tốc độ lên tới 15 m/s, nó có thể bỏ xa các loại tàu thuỷ, tàu lặn thông thường. Khi giải phẫu cá heo, các nhà khoa học phát hiện bề mặt da của nó chia làm 3 lớp: màng ngoài làm bằng chất sừng nhẵn rất mỏng, rồi đến biểu bì và chân bì. Trên chân bì mọc ra vô số mấu ruột rỗng, tựa như những ống tròn nhỏ "cắm" trong lớp biểu bì màu đen. Những ống này đàn hồi rất tốt. Khi vận tốc bơi tăng lên đột ngột, cá heo tự điều chỉnh để trên lớp da xuất hiện các "nếp nhăn vận tốc" làm dập tắt sóng xoáy ngay trên lớp da cá heo. Mô phỏng cấu trúc da cá heo, các nhà khoa học đã chế tạo ra một loại cao su tự nhiên trơn nhẵn, giàu tính đàn hồi, gồm một lớp vỏ lót bên trong, một màng mỏng chống thấm bên ngoài bề mặt và có vô số ống ruột rỗng nhỏ. Xâm thực giữa màng chống thấm bên ngoài và lớp vỏ bên trong được điền bởi lớp chất lỏng đàn hồi có độ nhớt cao.
Thông tin về phương pháp này đã xuất hiện từ những năm 1955-1957 [40], [41]. Lớp phủ kiểu cột bao gồm lớp vỏ mỏng đàn hồi nhẵn tựa trên cột cao su được dán lên bề mặt vỏ tàu. Không gian giữa lớp vỏ cao su và vỏ tàu được điền đầy chất lỏng đàn hồi silicol. Lớp phủ này có khả năng làm giảm dao động vận tốc và áp suất và có khả năng tầng hóa lớp biên. Các chuyên gia đã xây dựng lý thuyết gần đúng về lớp phủ đàn hồi và công bố các kết quả thực nghiệm [42]. Các thực nghiệm được tiến hành trên vật thể tròn xoay có chiều dài 2,4 m; đường kính 6,35 cm và chuyển động với vận tốc 35 knot. Việc phân tích các dữ liệu đó cho phép kết luận rằng: ở số Reynolds lớn nhất (Re =1,5.107) trong thực nghiệm thì lực ma sát giảm đến 60%. Các kết quả đó được giải thích do tầng hóa lớp biên. Họ đã phát hiện 2 hiện tượng rất thú vị. Thứ nhất: hiệu quả của các tấm phủ đàn hồi phụ thuộc theo mùa: mùa hè thì lớp biên bị rối sớm hơn do độ rối ban đầu của nước biển tăng, còn mùa thu đông là điều kiện lý tưởng để tầng hóa lớp biên. Thứ hai: hiệu quả các lớp phủ không ổn định theo thời gian, chỉ sau 1 năm là lớp phủ mất hoàn toàn. Do vậy họ đã đề xuất một kết cấu lớp phủ kiểu sườn. Kết cấu lớp phủ được mô tả như hình (1.7 và 1.8). Thử nghiệm trên 12 mô hình với lớp phủ kiểu sườn ở vận tốc 32 knot, chiều dày vách ngăn và độ cứng lớp phủ thay đổi có hệ thống, độ nhớt chất lỏng là 10.000 cSt. Qua phân tích các dữ liệu nhận được cho thấy, khi giảm độ cứng cao su thì hiệu quả