[Chỉ dẫn kỹ thuật]
(1) Dạng sóng nhìn từ trên xuống
Phần 2 - Chương 4 [3] 28
Hình T.4.10.1 Nhìn bình diện sóng tàu
Cụ thể, nó gồm có 2 nhóm sóng. Một nhóm sóng lan toả theo hình Λ (chữ bát Trung quốc). Từ một điểm cách phía tr−ớc mũi tàu một chút. Nhóm sóng thứ hai ở phía sau tàu, có đỉnh sóng vuông góc với đ−ờng tàu chạy. Các sóng tr−ớc đ−ợc gọi là " Sóng phân kỳ", các sóng sau đ−ợc gọi là " Sóng ngang". Sóng phân kỳ đ−ợc tạo thành các đ−ờng cong lõm, càng gần đ−ờng tàu chạy, khoảng cách giữa các sóng càng nhỏ. Mặt khác, các sóng ngang có dạng gần nh− hình cung, khoảng cách giữa các sóng không thay đổi (nghĩa là không phụ thuộc vào khoảng cách từ đ−ờng tàu chạy). Trong n−ớc sâu, khu vực sóng tàu lan truyền đ−ợc giới hạn bên trong khu vực giới hạn bởi 2 đ−ờng mũi nhọn có góc ±19018' từ đ−ờng tàu chạy và bắt đầu từ gốc (nghĩa là điểm từ đó các đ−ờng mũi nhọn cách xa nhau) nằm đâu đó tr−ớc mũi tàu. Các sóng phân kỳ cắt ngang các sóng ngang ngay bên trong các đ−ớng mũi nhọn, ở đây chiều cao sóng lớn nhất. Độ dốc sóng đối với sóng nằm ngang nhỏ hơn độ dốc sóng đối với sóng phân kỳ. Có nghĩa là các sóng ngang th−ờng không thể bị ảnh máy bay phát hiện.
(2)Chiều dài sóng và chu kỳ sóng tàu.
Chiều dài sóng và chu kỳ sóng tàu đối với các sóng phân kỳ và sóng ngang khác nhau, loại sóng sau có chiều dài sóng và chu kỳ sóng đều dài hơn. Trong số các \sóng chu kỳ, chiều dài sóng và chu kỳ đều dài nhất đối với sóng đầu tiên và sau đó các sóng trở nên ngắn.
(a) Chiều dài sóng của sóng ngang có thể có đ−ợc bằng một lời giải bằng số từ ph−ơng trình sau, nó đ−ợc rút ra từ điều kiện là vận tốc của sóng ngang phải bằng vận tốc mà tàu chạy.
(với điều kiện (4.10.1)
trong đó:
Lt: Chiều dài của sóng ngang (m) h: Chiều sâu n−ớc (m)
V: Vận tôc tàu chạy (m/s)
Tuy nhiên cần nhớ rằng khi n−ớc đủ sâu chiều dài sóng của sóng ngang đ−ợc cho bởi ph−ơng trình sau:
(4.10.2) trong đó:
Lo = Chiều dài sóng của sóng ngang ở các nơi mà n−ớc đủ sâu (m) Vk = Tốc độ tàu chạy (kt); Vk = [1,946V] m/s
(b) Chu kỳ sóng ngang bằng với chu kỳ của các sóng phát triển không ngừng (progressive) với chiều dài sóng Lt (hoặc Lo) trong n−ớc có chiều sâu. Nó đ−ợc cho bởi ph−ơng trình (4.10.3) hoặc (4.10.4)
(c)
(4.10.3)
(4.10.4) trong đó :
T1 = chu kỳ của sóng ngang trong n−ớc có độ sâu h (s) T0 = chu kỳ của sóng ngang ở các nơi mà n−ớc đủ sâu (s)
(d) Chiều dài sóng và chu kỳ của các sóng phân kỳ đ−ợc cho bởi các ph−ơng trình (4.10.5) và (4.10.6), chúng đ−ợc rút ra từ điều kiện thành phần tốc độ của tàu theo h−ớng hành trình của sóng phân kỳ phải bằng vận tốc của sóng phân kỳ
Ld = Lt cos2θ (4.10.5)
Td = Tt cosθ (4.10.6)
trong đó :
Ld : chiều dài sóng của sóng phân kỳ đo đ−ợc theo h−ớng hành trình (m) Td : chu kỳ của sóng phân kỳ (s)
θ : góc giữa h−ớng hành trình của sóng phân kỳ và đ−ờng tầu chạy(o).
Theo lý thuyết Kelvin về sự phát sinh ra sóng ở các nơi mà n−ớc đủ sâu, góc của hành trình θ của sóng phân kỳ có thể có đ−ợc nh− đã cho trong Hình T.4.10.2, nh− một hàm số của vị trí nơi đang nghiên cứu đối với tàu. Tuy nhiên, nhớ rằng đối với các tàu thực tế, giá trị tối thiểu của θ nói chung khoảng 400, và θ th−ờng bằng khoảng 500 - 550 đối với điểm trên một sóng phân kỳ nào đó tại đó chiều cao sóng là cực đại. Cũng nhớ rằng, nh− đã minh hoạ trên hình vẽ, góc θ chỉ vị trí của điểm nguồn Q từ đó sóng phân kỳ đã đ−ợc sinh ra; α là góc giữa đ−ờng mũi nhọn và đ−ờng tàu chạy
Hình T.4.10.2 H−ớng và chu kỳ sóng tại các nơi n−ớc đủ sâu (3) ảnh h−ởng của sóng tàu khi vào nơi n−ớc nông
Vị trí t−ơng đối của điểm quan sát x/s
G ó c g iữa h − ớng hành trình c ủa sóng phân kỳ và đ − ờng c hạy tàu θ Tỷ lệ c ủa chu kỳ sóng p hân kỳ s o với chu kỳ só ng ngang T d /To
Phần 2 - Chương 4 [3] 30
Nh− đối với các sóng nói chung, sóng tàu bị ảnh h−ởng bởi chiều sâu n−ớc và các tính chất của chúng thay đổi khi chiều sâu n−ớc giảm so với chiều dài sóng tàu. ảnh h−ởng của việc sóng vào nơi n−ớc nông đến sóng tàu có thể bỏ qua nếu thoả mãn điều kiện sau:
(4.10.7)
Chiều sâu n−ớc tới hạn trên mức đó sóng tàu có thể đ−ợc xem nh− sóng n−ớc sâu đ−ợc tính bằng ph−ơng trình (4.10.7), nh− liệt kê trong Bảng T.4.10.1. Có thể xem thấy trong bảng này, sóng do tàu sinh ra trong các điều kiện bình th−ờng nói chung có thể đ−ợc xem nh− sóng n−ớc sâu. Các tình huống mà chúng phải đ−ợc xem là sóng n−ớc nông gồm có các tr−ờng hợp sau: một phà cao tốc chạy qua vùng n−ớc t−ơng đối nông, một xuồng máy chạy qua vùng n−ớc nông và sóng tàu truyền lan trong vùng n−ớc nông. Nhớ rằng sóng tàu trong n−ớc nông có một chiều dài sóng dài hơn và chu kỳ dài hơn so với chiều dài sóng và chu kỳ của sóng tàu sinh ra bởi tàu chạy trong n−ớc sâu với cùng tốc độ
Bảng T.4.10.1 Các điều kiện theo đó sóng tàu có thể đ−ợc xem là sóng n−ớc sâu
(4) Chiều cao sóng tàu
Uỷ ban nghiên cứu sóng tàu của Hội ngăn ngừa tai hoạ hàng hải Nhật Bản kiến nghị ph−ơng trình sau đây cho ta cách −ớc tính sơ l−ợc chiều cao sóng tàu:
(4.10.8)
trong đó :
Ho : chiều cao sóng đặc tr−ng của sóng tàu (m), hoặc chiều cao sóng tối đa quan sát đ−ợc ở một khoảng cách 100m cách đ−ờng tàu chạy khi một tàu chở đầy tải chạy với tốc độ của nó
Ls : Chiều dài tàu (m)
Vk : Tốc độ đầy tải (kt) EHPW : công suất tạo sóng (w) Công suất tạo sóng EHPW đ−ợc tính nh− sau :
(4.10.9) (4.10.10) (4.10.11) (4.10.12) (4.10.13) trong đó :
SHPm = công suất liên tục tối đa của trục (w)
ρo = dung trọng n−ớc biển (kg/ m3) ρo = 1030 (kg/m3) Vo = tốc độ tàu chạy đầy tải (m/s) ; Vo = 0,514 Vk CF : hệ số cản ma sát
V : hệ số độ nhớt động học của n−ớc (m2/s); V ≠ 1,2 . 10-6 (m2/s) ∇ : độ choán n−ớc đầy tải của tàu (m3)
Tốc độ tàu Độ n−ớc sâu Chu kỳ sóng ngang
Ph−ơng trình (4.10.8) có đ−ợc bằng cách giả định rằng năng l−ợng tiêu thụ qua lực cản do sóng thì bằng năng l−ợng truyền của sóng tàu, còn các giá trị của các hệ số đã đ−ợc xác định bằng trung bình các dữ liệu lấy từ các thử nghiệm bể lai dăt tàu. Chiều cao sóng đặc tr−ng Ho thay đổi theo từng tàu, nh−ng với tàu cỡ trung bình và lớn nó ở khoảng 1,0 ~ 2,0m. Tàu kéo chạy hết tốc độ tạo ra sóng t−ơng đối lớn
Chiều cao sóng đ−ợc xem là suy giảm theo S-1/3, ở đây S là khoảng cách từ điểm quan sát tới đ−ờng tàu chạy. Cũng xem nh− chiều cao sóng tỷ lệ với lập ph−ơng của tốc độ chạy tàu. Theo đó :
(4.10.14)
trong đó :
Hmax : chiều cao tối đa của sóng tàu tại một điểm quan sát chọn bất kỳ (m) S : Khoảng cách từ điểm quan sát tới đ−ờng tàu chạy (m)
Vk : tốc độ tàu chạy thực tế (kt)
Ph−ơng trình (4.10.14) không thể áp dụng đ−ợc nếu S quá nhỏ; cụ thể, giá trị tối thiểu gần đúng của S để có thể áp dụng đ−ợc ph−ơng trình (4.10.14) là chiều dài tàu Ls hoặc 100m, lấy số nào nhỏ hơn
Giới hạn trên của chiều cao sóng tàu xẩy ra khi tiêu chuẩn sóng vỡ thoả mãn: tiêu chuẩn này đ−ợc biểu thị là độ dốc Hmax/L của sóng phân kỳ cao nhất bằng 0,14. Nếu góc giữa h−ớng sóng và đ−ờng chạy của tàu đ−ợc giả định bằng θ = 500 tại điểm trên một sóng phân kỳ ở đó chiều cao sóng trở thành lớn nhất, giới hạn trên của chiều cao sóng tại một điểm bất kỳ đã cho nào đ−ợc tính theo ph−ơng trình (4.10.15). Tuy nhiên, ở đây cũng giả định các điều kiện đối với sóng n−ớc sâu đ−ợc thoả mãn
(4.10.15)
trong đó :
Hgiới hạn : giới hạn trên của chiều cao sóng tàu đ−ợc xác định bằng các điều kiện sóng vỡ (m)
(5) Sự lan truyền của sóng tàu
a. Trong hai nhóm sóng tàu, sóng ngang truyền theo h−ớng của đ−ờng tàu chạy, và tiếp tục lan truyền ngay cả nếu tàu thay đổi hành trình hoặc dừng lại. Trong tr−ờng hợp này, các sóng có tính chất điển hình của sóng ổn định (với chu kỳ cho bởi ph−ơng trình (4.10.3) và chúng lan truyền với vận tốc nhóm, chịu các biến dạng nh− khúc xạ v.v... Takeuchi và Nanasawa cho một ví dụ của các biến dạng nh− vậy. Tuy nhiên, ghi nhớ rằng khi sóng lan truyền, chiều dài đỉnh sóng trải ra (đỉnh sóng dài hơn) và ngay khi n−ớc có chiều sâu đồng đều, chiều cao sóng suy giảm theo một tỷ lệ nghịch với căn bậc hai của đoạn đ−ờng đi đ−ợc.
b. H−ớng lan truyền của một sóng phân kỳ thay đổi từ điểm này tới điểm khác trên đỉnh sóng. Theo lý thuyết phát sinh ra sóng của Kelvin, góc giữa h−ớng lan truyền và đ−ờng tàu chạy là θ = 35,30 tại mép ngoài của một sóng phân kỳ. Khi ta chuyển động vào trong dọc theo đỉnh sóng, giá trị của θ tiến gần đến 900. Sóng đầu tiên?
c. Tới một điểm nào đó có góc θ = 35,30, trong khi θ dần dần lớn hơn đối với các sóng tiếp theo. Sự thay đổi không gian trong h−ớng lan truyền của sóng phân kỳ có thể −ớc tính theo Hình T.4.10.2
d. Vận tốc lan truyền của một sóng phân kỳ tại một điểm nào đó trên đỉnh sóng là vận tốc nhóm t−ơng ứng với chu kỳ Td ở điểm đó (xem ph−ơng trình (4.10.6)). Trong minh hoạ của hình T.4.10.2 , thời gian cần cho một sóng thành phần lan truyền với vận tốc nhóm từ điểm Q tại nguồn sóng tới điểm P thì bằng thời gian cần cho tàu chạy với vận tốc V từ điểm Q tới điểm O. Vì mỗi hình dạng sóng lan truyền với vận tốc sóng (vận tốc pha) các sóng có vẻ nh− v−ợt qua khỏi đ−ờng mũi nhọn và tan biến sóng này sau sóng kia ở mép ngoài của sóng phân kỳ.
(6) Sự phát sinh các sóng riêng lẻ
Khi một tàu chạy qua vùng n−ớc nông, các sóng riêng lẻ đ−ợc sinh ra phía tr−ớc tàu nếu tốc độ chạy của tàu Vk (m/s) tiến tới gh. Xung quanh các cửa sông, có khả năng các tàu nhỏ bị ảnh h−ởng bởi các sóng riêng lẻ nh−