Đối với phương tiện thủy container SB hoạt động cách bờ 12 hải lý và vùng thủy nội địa, ảnh hưởng độ sâu tuyến luồng tác động đáng kểđến hiệu quả sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả trong q trình hoạt động thơng qua sự thay đổi sức cản toàn tàu
tai lieu, luan van63 of 98.
[86]. Tàu container sông pha biển phải được tối ưu phù hợp tính kinh tế trong vận tải,
nghĩa là lượng chiếm nước và trọng tải không được giảm quá nhiều. Tuy vậy, trọng tải lớn thì chiều sâu luồng lạch lại khó đáp ứng được. Do vậy, thiết kế hình dáng tàu container phù hợp tuyến luồng sông biển là sự lựa chọn hài hồ, vừa có thể hoạt động tại các vùng biển và vùng nước nông trong các cảng sông nội địa. Phương pháp Holtrop và các phương
pháp tính tốn sức cản khác hầu như khơng xét đến sự sụt giảm vận tốc khi có ảnh hưởng của độ sâu luồng lạch trên tuyến luồng hoạt động. Do đó, nội dung luận án sẽ tích hợp
ảnh hưởng của độ sâu luồng lạch vào hàm mục tiêu sức cản của tàu.
2.4.1 Ảnh hưởng của vận tốc tới hạn trên tuyến luồng đến sức cản tàu SB
Do bị hạn chế bởi độ sâu luồng lạch, dựa theo nguyên lý Bernoulli, sựgia tăng tốc
độ dòng chảy bao ở khu vực đáy tàu gây ra hiện tượng giảm áp suất, hiện tượng “squat”,
được mơ tả trong Hình 2.13. Đặc biệt, khi gia tăng vận tốc tàu thì bước sóng trở nên dài
hơn và cũng đáp ứng với sựthay đổi của phân bố áp suất xa hơn dưới mặt thống. Theo
đó, trường gradient áp suất lớn hơn, dẫn đến biên độ sóng tăng và sức cản sóng có dấu hiệu gia tăng rõ rệt. Từnăm 1934, các cơng trình nghiên cứu của Schlichting dựa trên kết quả thực nghiệm được áp dụng phổ biến khi xét đến sự sụt giảm vận tốc do ảnh hưởng của độ sâu luồng lạch. Phương pháp hiệu chỉnh Lackenby [87], mở rộng từ các cơng trình nghiên cứu của Schlichting, đểước tính ảnh hưởng của độ sâu luồng lạch và sự sụt giảm vận tốc tàu. Năm 1983, thực nghiệm mẫu phương tiện thủy chạy tuyến ven bờ biển, Müller
đã chỉ ra rằng phương pháp hiệu chỉnh Lackenby cho kết quả tốt đối với tỉ lệ H/T > 2.0. Ngồi ra, với vận tốc thấp, góc chúi động và chiều chìm khơng thay đổi so với độ sâu mực nước. Theo khuyến nghị của hiệp hội bể thử quốc tế ITTC 2014, công thức (2.11) về
hiệu chỉnh tốc độtàu cho vùng nước hạn chế dựa trên các nghiên cứu của Lackenby [84] được trình bày như sau.
∆𝑉𝑉
𝑉𝑉 = 0.1242�𝐴𝐴𝑀𝑀
𝐻𝐻2 −0.05�+ 1−(𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡ℎ (𝑔𝑔𝑔𝑔/𝑉𝑉2))1/2 (2-11) Trong đó:
𝐴𝐴𝑀𝑀: Diện tích sườn giữa tàu [m²], g: Gia tốc trọng trường [m/s²]
H: Độ sâu tuyến luồng [m], V: Vận tốc tàu [m/s], ΔV: độ sụt giảm tốc độ tàu [m/s]
47
Hình 2.13 Sự sụt giảm vận tốc trên tuyến luồng hạn chế
Theo nghiên cứu từcác cơng trình đã cơng bố đưa ra các kết luận cơ bản thể hiện mối liên quan giữa sức cản sóng đến Fnh [88], trình bày tại Hình 2.14. Đối với sức cản sóng, nghiên cứu tính tốn đã được thực hiện cho các nhóm tàu với độ sâu mực nước và vận tốc thiết kế khác nhau [89]. Với giả thuyết cốđịnh phần chìm và góc nghiêng dọc, hệ
số Fnh có xu hướng đồng nhất cho đến 0,6 - 0,7, đôi khi tăng hoặc giảm một chút và sức cản sóng đó tăng rất nhanh ở Fnh cao hơn. Trong các tính tốn thể hiện mối liên hệ giữa sức cản sóng và Fnh, khơng có sựthay đổi đáng kể khi Frh <0,6.
- Hệ số Fnh < 0.6, hệ thống sức cản sóng là khơng bị ảnh hưởng lớn bởi vùng nước nông. Tại mặt thống, hướng dịng chảy vẫn dọc theo dịng nướcvà phân bố áp suất cục bộ không khác nhau nhiều.
- Hệ số 0.6 < Fnh < 1.0 có thể hiện mối tương quan ảnh hưởng giữa vùng nước nơng và chiều cao sóng.
- Hệ số Fnh > 1.0, đường đặc tính sức cản sóng sẽ tăng nhanh và dốc hơn.
Hình 2.14 Quan hệ sức cản sóng Rw / độ sâu khơng hạn chế Rw_deep và Fnh [89]
tai lieu, luan van65 of 98.
Hình 2.15 Quan hệ giữa hệ số Fn – hệ số sức cản dưtheo độ sâu [90]
Hệ số Fnh là thông số quan trọng ảnh hưởng đến các thành phần sức cản, đặc biệt là thành phần sức cản sóng khi tàu hoạt động ở chếđộ cao tốc. Tại vận tốc thấp, góc chúi
động và chiều chìm thay đổi khơng đáng kể theo độ sâu mực nước, do đó tàu container SB chỉ xem xét ảnh hưởng bởi dòng chảy nhớt bao quanh thân tàu trong nghiên cứu này.
2.4.2 Ảnh hưởng độ sâu luồng lạch và hình dáng tàu đến sức cản tàu SB
Năm 2018, Kulczyk đề xuất hệ số sức cản ma sát có xét đến độ sâu luồng lạch được
tính tốn theo độ sâu tuyến luồng, chiều chìm và vận tốc tàu [91]. Hệ số ma sát trong nghiên cứu này được giới hạn cho mẫu tàu hàng và nhóm xà lan, khơng xét đến ảnh hưởng của các thơng số hình dáng tàu theo cơng thức (2-12).
( )3 ( )2
5 3 2 2
6.541 10 log 1.466 10 log 1.13 10 log 3.195 10
F h h h C = − × − Rn + × − Rn − × − Rn + × − (2-12) Trong đó: ( ) h V H T Rn ν ⋅ − =
ν : độ nhớt động học của lưu chất, V: vận tốc thiết kế tàu H – T : khoảng cách giữa 2 tấm phẳng giả thuyết
Các ảnh hưởng của vùng nước nông đến sức cản nhớt được thể hiện như một sự gia
tăng tương đối của hệ số sức cản nhớt. Cách tiếp cận này được chấp nhận, như một giải
49
pháp thay thế bên cạnh phương pháp Lackenby cổ điển, dưới tên gọi “điều chỉnh vùng
nước nông theo Raven” theo công bố từ Hiệp hội bể thử thế giới [92].
1.79 1 0.57 V V deep T C C H − = + (2-13)
Trên thực tế, việc tính tốn chính xác giá trị sức cản tồn tàu bao gồm thành phần nhớt, tạo sóng và các phần lồi thân tàu là nhiệm vụ cực kỳ phức tạp trên phương diện lý thuyết và thực nghiệm, đặc biệt là xét đến ảnh hưởng của độ sâu luồng lạch. Các thơng số
hình dáng tàu ảnh hưởng đến độ sâu luồng lạch bao gồm mớn nước thiết kế T, độ sâu tuyến luồng H và diện tích sườn giữa AM.
Đối với mẫu tàu container chạy chậm và Fnh nhỏ, ảnh hưởng của vận tốc giới hạn thông qua sức cản sóng như đã trình bày sẽ thay đổi khơng đáng kể. Độ sâu hạn chế của tuyến luồng, làm ảnh hưởng đến dòng chảy nhớt bao quanh thân tàu, là yếu tố quan trọng
ảnh hưởng đến hình dáng và sức cản tàu container chạy tuyến SB. Hướng dòng chảy khác nhau tại các khu vực mũi, lái và giữa tàu, dựa trên các thơng sốhình dáng như mớn nước thiết kếT, độ sâu tuyến luồng H và diện tích sườn giữa AM, làm thay đổi tính chất phân bố áp suất. Điều này có nghĩa là hệ số hình dáng tàu ảnh hưởng đến trường gradient áp suất, cụ thể là có thể gây ra hiện tượng tách dịng chảy. Thành phần hệ số hình dáng xét
đến ảnh hường đến độ sâu luồng lạch được trình bày trong các nghiên cứu của Millward khi tính tốn sức cản nhớt [93]. Dựa vào thực nghiệm tàu mẫu, Millward thiết lập mối quan hệ giữa mớn nước và độ sâu luồng lạch đến sựgia tăng hệ số sức cản hình dáng k, theo cơng thức (2-14) như sau.
( )1.72 0.644 T k H ∆ = (2-14) Trong đó: T: chiều chìm tàu H: độ sâu tuyến luồng
Dựa trên thực nghiệm tại bể thử kéo DST (Development Centre for Ship Technology and Transport Systems - Duisburg, Đức) và các cơng trình nghiên cứu
tai lieu, luan van67 of 98.
trước đây của Milward, Kamar bổ sung các hệ sốhình dáng và kích thước cơ bản tàu hệ số sức cản hình dáng k theo ảnh hưởng của luồng lạch [94]. ( )1.845 80.967 x T k C H ∆ = (2-15) Trong đó: Hệ số x B BT B C C L L
= thể hiện mối liên hệ với thơng số hình dáng tàu