Theo quan điểm thủy động lực học, sức cản tàu là mục tiêu quan trọng trong bài toán thiết kế hình dáng vì ảnh hưởng đến chi phí khai thác và nhiên liệu tiêu thụ. Phân tích, tính toán sức cản toàn tàu là một trong những nhiệm vụ quan trọng trong giai đoạn thiết kế. Độ chính xác của kết quả sức cản phụ thuộc vào phương pháp tính, dữ liệu cung cấp và phạm vi áp dụng theo từng nhóm tàu, minh họa tại Hình 2.3.
Hình 2.3 Phân loại các cách tiếp cận tính toán sức cản tàu [67]
Đánh giá sức cản tàu thông qua mô hình thực nghiệm đã được đề xuất bởi các tác giả và các công trình công bố khác nhau. Tuy nhiên, William Froude (1868), người tiên phong trong công việc này, đề xuất rằng tổng lực cản của tàu RT bao gồm hai thành phần riêng biệt: sức cản ma sát và sức cản dư, bị chi phối bởi sức cản sóng [68]. Biểu thức Froude được trình bày trong công thức (2-1) như sau.
T F R
Trong đó:
- RFlà sức cản ma sát, thể hiện thành phần lực tiếp tuyến theo phương chuyển động của lưu chất, được hình thành do phản ứng giữa các phân tử nước lên diện tích mặt ướt vỏ tàu,
- RR là sức cản dư gồm sức cản hình dáng hoặc áp suất, là lực pháp tuyến theo phương vuông góc bề mặt vỏ tàu, phụthuộc hình dạng của vỏtàu và các hệ số béo hình học, thường được gọi là yếu tố hình dáng (1 + k); sức cản tạosóng, là một dạng lực cản có tác động lên tàu tại mặt thoáng, và phản ánh năng lượng cần thiết để đẩy nước ra khỏi
thân tàu và liên quan đếnphầnnănglượng giải phóng để tạo ra sóng.
Hệ số sức cản toàn tàu, theo khuyến nghị từ hiệp hội bể thử thế giới ITTC 1957 &
1978, được liệt kê trong công thức (2-2) như sau.
(1 )
TS FS F A w AAS
C =C +k + ∆C +C +C +C (2-2)
Trong đó
- CFSlà hệ số sức cản ma sát của tàu tính theo ITTC-1957 - k là hệ số hình dáng tàu, tính chọn theo từng loại tàu
- ∆CF là hệ số độ nhám cho phép của bề mặt vỏ tàu
- CAlà hệ số tương quan cho phép khi chuyển đổi giữa mô hình và tàu thật
- CWlà hệ số sức cản sóng,
- CAASlà hệ số sức cản không khí
Theo đó, ITTC xem xét thành phần sức cản là sức cản nhớt, như là một hàm số của Reynold (Rn) và các hệ số hình dáng, thành phần sức cản sóng như là một hàm số của Froude (Fn). Các mô hình tính toán này được tích hợp vào quy trình thực nghiệm thông qua các bể thử kéo được quy định bởi Hiệp hội bể thử quốc tế ITTC 1957 & 1978. Tương quan tàu thật - mô hình theo ITTC 57, cải tiến từ giả thuyết ban đầu của Hughes, cho rằng tỉ lệđồng dạng về hệ số hình dáng tàu độc lập với số Reynold. Hệ số sức cản nhớt tàu thật gần như tỷ lệ thuận với mô hình tàu theo cách xây dựng các đường hệ số ma sát của Grigson (1999) và Katsui (2005), thể hiện Hình 2.4.
Hình 2.4 Phân bố thành phần sức cản ma sát theo thực nghiệm, ITTC 1957 & 1978 Sức cản sóng được phát triển từ lý thuyết lát cắt phẳng (strip theory) của Michell với khái niệm “tàu mảnh” chạy với vận tốc đều V trên mặt nước không nén, không dính, không xoáy [69]. Nhiều phương pháp tính toán sức cản sóng được nghiên cứu và phát triển dựa trên tích phân Mitchell, bao gồm hàm Green từ nguồn di động do Havelock đề
xuất [70], hàm thế bậc 2 và bậc cao hơn thể hiện qua tích phân mặt và tích phân đường [71], [72]. Tuy nhiên, các nghiên cứu này chủ yếu dựa trên giả thuyết về hàm thếvà lưu
chất không nén, không dính, không xoáy. Tiếp theo, các nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình tàu tại các bể thử Taylor và Hamburg của Wigley, Weinblum, với tỉ lệ hình học B/D
và L/B xác định, đã so sánh và phân tích kết quả với cơ sở lý thuyết của sức cản sóng. Tổng quát, tích phân Michell dành cho hàm toán sức cản sóng được thể hiện trong công thức (2.3) như sau [73], [74]. ( ) 2 2 2 2 2 1 2 1 A g R I J d U ρ λ λ π λ ∞ = + − ∫ (2-3) Trong đó:
( ) 2 2 ( 2) , gz U cos x H I =∫∫ η x z eλ λgx U dxdz ( ) 2 2 ( 2) , gz U sin x H J =∫∫ η x z eλ λgx U dxdz
Trong lĩnh vực thủy động học, sức cản tàu thủy dựa trên lý thuyết lớp biên và cơ sở
lý thuyết sóng là vô cùng phức tạp, phụ thuộc vào các giả thuyết về hàm thế và các nguồn tạo sóng, vẫn đang tiếp tục được nghiên cứu và phát triển.
Ngoài ra, các thành phần sức cản bổ sung bao gồm độ nhám bề mặt vỏ tàu, không
khí, cơ cấu phụ được đề cập trong các nghiên cứu liên quan [75]. Với sốlượng và vị trí sắp xếp đa dạng các container trên tàu theo nhu cầu vận chuyển hàng hóa, tải trọng gió có tác dụng như lực cản lên hình dáng toàn tàu và có ảnh hưởng trong việc tính toán tiết kiệm chi phí cho hoạt động khai thác tàu. Việc đánh giá các thành phần sức cản bổ sung và ảnh
hưởng của hệ sốkhí động học lên sức cản không khí tàu container vẫn đang được nghiên cứu tính toán [76]. Trong luận án này, hàm mục tiêu sức cản tập trung vào thành phần ma sát và thành phần sức cản hình dáng liên quan đến dòng chảy bao quanh tàu.
(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});