150 MT MDO DMA Additional Features: Bowthruster
CHƯƠNG 2: SỨC CẢN TÀU THỦY
2.1 Khái niệm cơ sở
Sức cản quyết định đến lực đẩy yêu cầu dành cho thiết bị chân vịt. Như
vậy sựđẩy được giải quyết bởi cung cấp lực đẩy và tương tác giữa thiết bị đẩy và dòng chảy quanh thân vỏ tàu.
Khi một vật chuyển động trong một chất lỏng nó chịu các lực đối nghịch với chiều chuyển động. Khi con tàu chuyển động trong nước và không khí nó chịu cả lực cản của nước và không khí. Khối lượng nước và không khí có thể tự chuyển động bởi các dòng đối với nước và không khí do gió đẩy đi. Thông thường các cái đó sẽ có giá trị và hướng khác nhau. Sức cản được nghiên cứu ban đầu trong môi trường nước lặng, không có gió. Dung sai cho phép riêng được dành cho chuyển động của gió và khoảng cách hiệu chỉnh dành cho chuyển động của nước. Trừ khi gió quá to, sức cản của nước sẽ có
ảnh hưởng chính đến việc xác định tốc độđạt được. DÒNG CHẤT LỎNG.
Động học chất lỏng cổ điển cho thấy hướng dòng chảy qua một vật thể
qua hình dưới.
Khi chất lỏng chuyển động qua vật thể, khoảng không gian của dòng chảy thay đổi và tốc độ của dòng chảy cũng thay đổi do lượng chất lỏng trong dòng chảy luôn không đổi. Định lý Béc nu ly cho thấy có các thay đổi tương
ứng về mặt áp suất. Đối với một dòng chảy cho trước, nếu p, ρ, v và h lần lượt là áp suất, mật độ riêng, tốc độ và chiều cao cột áp, khi đó
2
2
p v
gh const
ρ+ + =
Với chất lỏng lý tưởng (không có độ nhớt), thì khi vật thể chuyển động ngập trong chất lỏng này sẽ thấy không xuất hiện sức cản. Mặc dầu chất lỏng bị biến đổi theo biên dạng của vật thể, nhưng nó sẽ trở lại trạng thái ban đầu của nó sau khi vật thểđã chuyển động qua. Sẽ có các lực cục bộ tác động lên chất lỏng nhưng chúng tự triệt tiêu nhau khi tác động vào toàn bộ phần vật thể. Các lực cục bộ này xuất hiện là do thay đổi tốc độ dòng chảy dẫn đến áp suất thay đổi.
Khi nghiên cứu động học chất lỏng, phát triển một số tham số không kích thước rất là hữu ích với cái đặc trưng cho dòng chảy và lực. Những cái này dựa trên cơ sở các đặc tính của chất lỏng. Các đặc tính vật lý thuộc về
nghiên cứu sức cản là mật độ riêng, ρ, độ nhớt µ, và áp suất tĩnh của chất lỏng p. Khi đặt R là sức cản, V là tốc độ và L là chiều dài đặc trưng, việc phân tích thứ nguyên đưa tới việc biểu diễn sức cản như sau:
Các đơn vị liên quan tới phương trình này có thể là tất cả các cái biểu diễn theo đại lượng cơ bản của thời gian T, khối lượng M và chiều dài L. Do
đó đối với trường hợp sức cản là lực sẽ có thứ nguyên là ML/T2, ρ có thứ
nguyên là M/L3 và vv…
2.2 Các thành phần sức cản:
Một cách đơn giản chúng ta có thể nói sức cản bao gồm các thành phần sau:
-Sức cản ma sát RF:
Nước có độ nhớt và các trạng thái tương tự là sự tương tự của hình học và sự không đổi của số Reynon. Do có độ nhớt, các phần tử liền kề với vỏ tàu mà nó dính vào sẽ chuyển động tại tốc độ của tàu. Tại khoảng cách nào đó cách xa vỏ tàu, nước đứng yên. Sẽ tồn tại một gradient tốc độ mà thành phần lớn nhất của tốc độ thuộc về phần tử nằm sát với vỏ tàu. Thể tích nước chuyển
động cùng với vật thể được gọi là lớp biên. Độ dày của lớp biên thường được xác định như là khoảng cách từ vỏ tàu tại đó tốc độ nước bằng 1 phần trăm so với tốc độ của tàu.
Sức cản của vỏ tàu liên quan tới Reynon do sự nghiên cứu mà ông ta tiến hành về dòng chảy qua ống. Ông ta chỉ ra rằng có hai loại dòng chảy cơ
bản là chảy tầng, tại đó mỗi phần tử chất lỏng chảy theo chính dòng của nó không sự thay đổi lượng giữa các lớp liền kề, và chảy rối, tại đó hướng dòng chảy ổn định sẽ bị phá vỡ liên tục. Số Reynon là con số cho biết giới hạn đâu là chảy tầng đâu là chảy rối.
Reynon đã cho thấy các định luật sức cản tác động lên hai loại chuyển
động sẽ khác nhau. Hơn nữa, nếu thật chú ý đảm bảo là chất lỏng chảy vào miệng ống là rất đều và dòng chảy bắt đầu là chảy tầng nhưng tại một khoảng cách nào đó dọc ống dòng chảy biến thành chảy rối. Điều này xảy ra tại tốc độ
giới hạn phụ thuộc vào đường kính của ống và độ nhớt của chất lỏng. Đối với các đường kính khác nhau d, giá trị tốc độ giới hạn VC , độ nhớt động lực học ν
. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
tốc độ cao hơn dòng chảy là hoàn toàn chảy rối thì sức cản sẽ tỷ lệ với tốc độ
có số mũ khoảng 1.723.
Công trình của Reynon liên quan tới các ống dẫn nhưng thực chất, các kết luận đều phù hợp với tàu thủy. Việc tính toán được tiến hành đối với dòng chảy tầng qua bề tấm phẳng có chiều dài L và mặt cắt ướt S, dẫn tới công thức
được phát triển của Blassius là Hệ sốđộ cản riêng = 0.5 2 1.327 1 2 f f R VL C SV ν ρ − = =
Khi vẽ giá trị của Cf đối với số Reynon cùng với kết quả dành cho dòng chảy tầng qua tấm phẳng ta có hình vẽ trên.
Ngoài các kết luận của Reynon, người ta còn thấy khi số Reynon cao hơn thì sức cản cũng cao hơn. Số Reynon giới hạn tại đó dòng chảy tầng bị phá vỡ phụ thuộc vào độ nhẵn của bề mặt và sự chảy rối ban đầu thể hiện trong chất lỏng. Đối với tấm phẳng nhẵn, sự kiện xảy ra khi số Reynon bằng 3 x 105 tới 3 x 106 . Ở chế độ chảy rối, lớp biên vẫn tồn tại nhưng trong trường hợp này, cạnh các thành phần ma sát phân tử còn có tương tác do sự dịch chuyển momen của các khối chất lỏng giữa các lớp kề bên. Sự dịch chuyển từ loại dòng chảy này sang dòng chảy khác là vấn đề của sựổn định dòng chảy. Tại số
Reynon thấp, sự rối loạn không có và dòng chảy là ổn định. Tại giá trị giới hạn dòng chảy trở nên không ổn định và sự rối loạn tăng sẽ tạo ra chảy rối. Số
Reynon đối với tấm phẳng là hàm sốđược cho bởi quan hệ dưới đây. Giá trị Reynon giới hạn = VL
ν
Giá trị Reynon giới hạn của tấm phẳng cũng là khoảng 106.
Ta cũng thấy thay tấm phẳng là mặt cong thì ở mặt cong có xuất hiện gradient áp suất và điều này có một ảnh hưởng lớn tới việc chuyển dịch. Nơi áp suất giảm đi thì dịch chuyển bị trễ lại. Độ dày lớp biên chảy rối được tính theo:
( ) 0.20.37 L 0.37 L x R L δ − =
Thậm chí trong dòng chảy rối, các phần tử chất lỏng tiếp xúc với bề mặt tĩnh tương đối so với bề mặt. Có sự tồn tại rất mỏng lớp biên phụ chảy tầng ở đó. Mặc dầu mỏng, nó lại rất quan trọng khi vật thể nhẵn nếu độ nhám không vượt quá lớp biên phụ này. Vật thể như vậy được gọi là vật nhẵn thủy lực học.
Bản thân tuyến hình con tàu không phải là một vật thể cân đối lý tưởng vì nhiều lý do khác nhau do đó phần chìm dưới nước của con tàu chịu các áp lực khác nhau và bố trí cũng không hoàn toàn đối xứng do đó sức cản ma sát tính như sau:
-Sức cản ma sát RF của tàu phụ thuộc vào diện tích mặt ướt của tàu và hệ số sức cản ma sát riêng CF. Sự tăng sức cản ma sát gắn liền với sự phát triển của tảo biển , hà bám trên vỏ tàu ( Growth of algea, sea grass and barnacle )
Khi tàu được chân vịt đẩy trong môi trường nước, sức cản ma sát tăng tỷ
lệ với bình phương tốc độ tàu.
Sức cản ma sát là phần sức cản lớn nhất và thường chiếm 70.-90 % sức cản toàn bộ của con tàu đối với tàu tốc độ thấp (tàu dầu hoặc tàu hàng rời ) hoặc nhỏ hơn 40 % ở loại tàu cao tốc ( tàu container hoặc tàu khách ).
Sức cản ma sát tính theo công thức
.
F F
R =C K
-Sức cản tạo sóng RD:
Vật thể chuyển động trên bề mặt nước khá phẳng cũng tạo sự thay đổi trường áp suất mà trường đó tự hợp là thành sóng do áp suất tại bề mặt là không đổi và bằng áp suất của khí quyển. Từ quan sát này khi vật thể chuyển dịch tại tốc độổn định, hướng sóng có vẻ duy trì tương tự như nhau và chuyển
động cùng với vật thể. Với con tàu, năng lượng tạo và duy trì sóng do hệđộng lực đẩy tàu cung cấp. Nói khác đi, sóng tạo ra một lực kéo lùi tàu lại và tàu muốn chuyển động phải có hệ lực đẩy thắng được lực kéo lùi đó nếu không tàu không muốn chạy chậm lại. Lực kéo lùi đó được gọi là sức cản tạo sóng.
Phần vật thể nhúng gần bề mặt cũng tạo ra sóng. Theo cách này, tàu ngầm có thể tránh được điều này. Sóng, và sức cản liên quan tới nó, tăng vềđộ
lớn nhanh chóng với sự tăng của chiều chìm vật thể cho tới khi chúng có thể được bỏ qua tại một chiều chìm hơn nửa chiều dài của tàu.
Hướng của sóng.
Bản chất của hệ thống sóng tạo bởi tàu tương tự với cái mà Kelvin mô tảđối với điểm áp suất chuyển động. Kelvin cho thấy là hướng sóng có hai đặc
đường tâm tại góc vuông. Góc của sóng xiên so với đường tâm là khoảng nhỏ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
hơn 200, theo hình dưới
Hướng tương tự khá rõ nếu quan sát một tàu chuyển động trong nước phẳng từ trên nhìn xuống. Sóng xiên xuất hiện ổn định tại mọi phần của vật thể
trên phần mạn. Sóng chuyển dịch cùng với tàu nên chiều dài của sóng ngang phải tương ứng với tốc độ này, có chiều dài vào khoảng 2πV2/g.
Trường áp suất quanh tàu có thể xấp xỉ trường áp lực chuyển động gần với phần lườn phía mũi tàu và trưòng hút chuyển động ở gần với phần đuôi tàu. Cả hai trường áp lực phía trước và phía sau tạo nên hệ thống sóng của chính chúng như thấy trong hình dưới đây:
Trường phía sau là trường hút tạo lằn hõm gần với đuôi thay vì các đỉnh nhô được tạo tại mũi tàu. Góc của sóng xiên so với đường tâm sẽ không chính xác như là trường sóng của Kelvin. Chiều cao đỉnh sóng cực đại của sóng xiên nằm trên đường tại một góc nghiêng so với đường tâm và các độ cao max của
đỉnh sóng cục bộ tại góc khoảng hai lần góc so với đường tâm. Phần đuôi tạo sóng ít rõ ràng hơn, phần vì chúng yếu hơn, nhưng chủ yếu là do chúng bị can thiệp từ hệ thống mũi tàu.
Các ảnh hưởng can thiệp
Bên cạnh các sóng tạo bởi mũi và đuôi các phần khác cũng có thể tạo ra sóng bởi sự không liên tục dọc theo chiều dài tàu. Tuy nhiên bản chất của ảnh
thống sóng mũi và đuôi. Các sóng ngang từ mũi lan tương đối ra phía sau so với tàu, sẽ giảm chiều cao. Khi chúng tới nơi các sóng đuôi tạo nên, chúng tương tác với các sóng này. Nếu đỉnh nhô của hai hệ thống trùng khớp nhau, sóng tạo thành sẽ có độ lớn cao hơn do cả hai phần năng lượng liên hợp lại. Nếu đỉnh của một ngọn sóng trùng với phần hõm của cái kia, năng lượng cộng lại sẽ nhỏ đi. Thực tế hệ thống sóng phía mũi làm thay đổi trưòng áp suất quanh phần đuôi nên các sóng nó tạo nên bị thay đổi đi. Cả hai hệ thống sóng tăng chiều dài sóng như vậy sẽ có cùng độ dài. Khi tốc độ tàu tăng, chiều dài sóng tăng một số lần là lúc khi các đỉnh sóng kết hợp và sẽ giảm một số lần khi
đỉnh và phần hõm trùng nhau. Tàu chịu nhiều hay ít sức cản sóng phụ thuộc liệu hai giá trị sóng có cộng với nhau hay là triệt tiêu bộ phận từng cái với nhau. Điều này dẫn tới một dãy các phần lồi và lõm trên đường cong sức cản, so với đường cong tăng một cách đều, khi tăng tốc độ. Điều này được thấy trong hình sau.
Ảnh hưởng này được thấy theo thí nghiệm của Froude qua thử các models có chiều dài của phần thân giữa song song thay đổi nhưng giữ nguyên phần đầu và đuôi. Hình kế tiếp minh hoạ một số kết quả ban đầu này. Sức cản còn lại được lấy là tổng sức cản đo nhỏ hơn sức cản ma sát vỏ.
Bây giờ khoảng cách giũa hai hệ thống áp suất xấp xỉ là 0.9 L. Do đó tình trạng đỉnh hoẵc đáy hõm từ hệ thống mũi sẽ trùng với sóng đuôi đầu tiên là L:
2/ 0.9 /
V L g N= π
Các phần hõm sẽ trùng khớp khi N là số nguyên lẻ và đối với giá trị
Sức cản dư bao gồm sức cản sóng và sức cản xoáy cuộn. Sức cản sóng biểu thị phần tổn thất năng lượng do sóng được tạo nên bởi sựđẩy của con tàu trong môi trường nước. Sức cản xoáy cuộn là sự ám chỉ tổn thất năng lượng gây bởi sự phân dòng chảy được tạo nên bởi xoáy cuộn nhất là tại vùng đuôi của tàu.
Sức cản sóng tỷ lệ với bình phương tốc độ nhưng sẽ tăng nhanh hơn khi tốc độ tăng cao hơn. Về nguyên tắc hàng rào tốc độ là một thực tế phải chấp nhận, để thấy rằng việc tăng công suất đẩy cao hơn nữa không có kết quảở tốc
độ cao khi mà tất cả công suất sẽ được biến thành năng lượng sóng. Sức cản dư thường chiếm 10-15 % tổng sức cản ở tàu thấp tốc và 40-60 % tổng sức cản ở tàu cao tốc.
Một cách ngẫu nhiên người ta thấy rằng nước cạn cũng có ảnh hưởng lớn tới sức cản dư khi lượng nước bị choán chỗ dưới thân tàu rất khó khăn trong việc dịch chuyển về phía sau.