Đề cương ôn tập lý thuyết tàu 2

Đây là toàn bộ những nội dung cần ôn thì của môn lý thuyết tàu 2. Tài liệu đã được biên soạn đầy đủ theo chương trình học dành cho sinh viên đang học tập và nghiên cứu về tàu thủy. Các bạn chỉ cần tải tài liệu về và học theo nội dung trong này

ĐỀ CƯƠNG ÔN TẬP LÝ THUYẾT TÀU 2

Câu 1: Phân tích sức cản tạo sóng khi tàu chạy trong môi trường nước yên lặng (wave making)

- Quan sát các tàu nổi chạy trên mặt nước có thể thấy các đợt sóng liên tục xuất hiện quanh tàu và sau tàu Hiện tượng tạo sóng còn quan sát thấy trong những trường hợp tàu bay sát mặt nước như tàu đệm khí Ngoài chuyển động do thân tàu, mặt nước sát tàu còn bị kích thích của tác động do phần mũi và phần lái tàu Sóng do 2 cực này tạo ra còn gọi là thứ cấp Sóng tổng hợp từ các thành phần vừa nêu tác động xung quanh thân tàu, phụ thuộc vào hình dáng và vận tốc tiến của tàu

- Trong hệ tọa độ quy chiếu gắn liền với thân tàu, tốc độ di chuyển của sóng không đổi và bằng 0 Điều này nói lên rằng, so với hệ tọa độ cố định trong không gian, tốc độ di chuyển của sóng đúng bằng tốc độ tiến của tàu Theo

lý thuyết sóng, chiều dài sóng xác định từ biểu thức:

2

1

gL L

Với các tàu chạy không nhanh Fn < 0,5

- Trong miền tốc độ thấp, hệ thống sóng tàu được hình thành chủ yếu dựa trên

cơ sở giao thoa của hệ thống sóng mũi và sóng đuôi tàu Biên độ sóng sinh

ra tính bằng công thức:



cos 2 2 2

ab b

a

a w    Trong đó φ là độ lệch pha giữa 2 sóng trên

- Nếu pha của sóng mũi và sóng đuôi trùng nhau, cos 2   1

b , biên độ sóng sẽ là

aw = a + b, trường hợp này, sức cản tạo sóng sẽ có giá trị nhỏ nhất

- Đỉnh sóng mũi thường nằm gần mũi tàu, chính xác hơn nữa, vị trí đỉnh sóng mũi chừng 1/4 chiều dài sóng

- Khoảng cách giữa đỉnh sóng đầu sau mũi như vừa nêu và đỉnh tiếp theo phải

là số lẻ của chiều dài sóng, còn khi 2 hệ thống sóng này triệt tiêu lẫn nhau thì

L – λ/4 phải là số chẵn Điều này có nghĩa là:

2 4

dS x n x U R

0 / 2

2 /

2 ) ,





Câu 2: Tính chuyển sức cản từ kết quả thử nghiệm mô hình sang tàu thực:

- Trong sức cản có 2 nhóm đóng vai trò chính là lực trọng trường và lực nhớt Hai nhóm này tuân theo định luật đồng dạng hình học là định luật Froude và Renolds Thỏa mãn đồng thời 2 định luật khác nhau, áp dụng 2 nhóm lực khác nhau là điều không thể thực hiện khi thử mô hình tàu

 do đó để xử lí các kết quả của việc thử mô hình tàu ta cần giả thiết về sự độc lập của các quá trình vật lý gây nên lực liên quan đến trọng trường và lực nhớt

- Theo giả thuyết này, lực cản toàn bộ của tàu (Rt) được coi là tập hợp của 2 nhóm lực riêng nhau, phụ thuộc vào Fn và Rn

- Hệ số lực cản toàn bộ tàu:

Fn Rn f  Fn f  Rn f

S v

R

5 ,

w m

t t

D

D

R ,   ,  3 , với k là tỉ lệ hình học giữa tàu mô hình và tàu thật

- Điều kiện đồng dạng hình học trong quá trình thử là: vt = k.vm

- Sức cản xoáy đc ghép chung với sức cản sóng gọi là sức cản dư:

Rr = Rw + Rp

- Hệ số sức cản dư đc tính theo cách chung, phụ thuộc số Fn:

S v C

R S v



- Trong khi đó sức cản ma sát tình bằng công thức: R F C F Rn   v2S

5,0)

- Vậy sức cản toàn bộ tàu: Rt = Rr + RF

Câu 3: Trình bày sức cản nhớt

- Quan sát dòng chảy qunah thân tàu có thể phân biệt 3 vùng mang tính chất khác nhau:

o Vùng I: Nằm trong miền tác động đặc biệt của dòng gọi là lớp

biên Tính chất của lớp này phụ thuộc vào độ nhớt của nhớt và độ rối của dòng Sức cản nhớt phụ thuộc vào tính chất của lớp này

o Vùng II: Nằm sau thân tàu đánh dấu giới hạn của lớp biên

o Vùng III: Nằm ngoài khu vực ảnh hưởng của lớp biên, mang tính

chất cuả dòng thế Lớp biên luôn gây ảnh hưởng tới dòng thế bên ngoài nó dặc biệt khu vực sau tàu, đồng thời làm thay đổi sức cản áp suất và sức cản ma sát

- Công thức tính sức cản:        

s s

x

x V V ds p p ds V

R 

- Sự thể hiện ảnh hưởng độ nhớt chất lỏng đến ma sát vỏ tàu thông qua chủ yếu bằng lớp biên Các phần tử nước trong dòng chảy sát vỏ tàu có xu hướng bám dính vào vỏ tàu còn tốc độ dòng chảy sát ngay vỏ tàu luôn bằng 0 Tốc

độ này tăng dần lên ở những khoảng cách xa dần vỏ tàu

- Sự tăng tốc độ từ 0 đến vận tốc dòng thế phân bố ko giống nhau trên các mặt cắt ngang qua tàu Có 2 dạng dòng chảy của lớp biên là dòng chảy tầng và dòng chảy rối Trong dòng chảy tầng biểu đồ vận tốc tăng chậm, ngược lại

sự thay đổi trong dòng chày rối nhìn thấy rõ ràng hơn

- Sức cản hình thành do quá trình tách biên, xoáy nước, như vừa đề cập phụ thuộc ko chỉ vận tốc tàu mà còn phụ thuộc hình dáng thân tàu, phần chìm trong nước, vì vậy mà nhiều nhà nghiên cứu gọi thành phần này là sức cản hình dáng, hay còn gọi là sức cản xoáy

Câu 4: Ảnh hưởng của số Rn, Fr đến sức cản tàu:

Fn v 

- Số Froude được coi là vận tốc tương đối của tàu, có thể làm chuẩn khi phân loại tàu theo vận tốc tiến Cách phân loại sau đây được xem là hợp lý cho tàu nổi

o Tàu nổi, tốc độ không cao:

▪ DH là đường kính thủy lực của ống (đường kính bên trong nếu ống tròn) (m)

▪ Q là lưu lượng dòng chảy (m3/s)

▪ A là diện tích tiết diện ống (m2)

▪ v là vận tốc trung bình của chất lỏng (m/s)

▪ μ là độ nhớt động lực học của chất lỏng (Pa·s = N·s/m2 = kg/(m*s))

o Dòng chảy trong máng mở:

o Với dòng chảy ở một bề mặt mở, bán kính thủy lực phải được xác định Đây là khu vực tiết diện của máng được chia ra bởi chu vi ướt Với một máng hình bán nguyệt, nó là nửa bán kính Với máng hình chữ nhật, bán kính thuỷ lực là khu vực tiết diện bị chia bởi chu vi ướt

Có tài liệu sử dụng thứ nguyên đặc trưng là bốn lần bán kính thuỷ lực,

vì nó sẽ cho giá trị Rn của sự xâm nhập của sự rối giống với dòng chảy trong ống, trong khi một số tài liệu sử dụng bán kính thuỷ lực là thang độ dài đặc trưng với kết quả là có giá trị Rn khác với giá trị của dòng chảy rối

Câu 5: Trình bày ảnh hưởng của LCB (hoành độ tâm nổi) đến sức cản của tàu:

- Hoành độ tâm nổi (LCB) là đại lượng đặc trưng cho phân bố lượng chiếm nước dọc tàu, ảnh hưởng rất lớn đến sức cản tàu chạy chậm và tàu chạy với vận tốc trung bình

- Dịch chuyển tâm nổi về phía trước tàu làm cho sức cản sóng tăng lên song lại giảm sức cản hình dáng (sức cản xoáy) Ngược lại đưa tâm nổi lùi về sau tàu lại giảm sức cản sóng Đặt tâm nổi đúng vị trí có thể làm cho sức cản tàu đạt nhỏ nhất

- Vị trí tối ưu của tâm nổi phụ thuộc chủ yếu vào vận tốc và hệ số đầy lăng trụ thân tàu Một số tỉ lệ kích thước chính thân tàu gây ảnh hưởng đến việc xác định vị trí tối ưu tâm nổi

- Vị trí tâm nổi trong mọi trường hợp phải được xét trong quan hệ với hệ số đầy thân tàu

Câu 6: Trình bày biện pháp giảm sức cản nhớt? Nêu ảnh hưởng của độ nhám bề mặt đến sức cản tàu

1 Biện pháp giảm sức cản nhớt:

- Bề mặt vỏ tàu phải đảm bảo nhẵn, giảm độ nhám bề mặt vỏ tàu Áp dụng đúng quy trình công nghệ đóng tàu và sử dụng các loại sơn phù hợp để sơn tàu

- Bảo dưỡng tàu đúng thời hạn,

- Thiết kế tàu có hình dạng thoát nước

- Thiết kế tàu hợp lý, sao cho điểm tách lớp biên được lùi sâu về phía đuôi tàu

- …

2 Ảnh hưởng của độ nhám bề mặt đến sức cản tàu:

- Độ nhám, lồi lõm bề mặt vỏ tàu ảnh hưởng đến sức cản trạng thái lồi lõm chung gần như bao gồm toàn bộ bề mặt phần ngâm nước do những nguyên nhân:

o Bề mặt tôn bao ko phẳng và phủ lớp sơn ko đều, do yếu tố vật liệu

o Tôn bao gợn sóng do công nghệ đóng và sửa chữa tàu

- Trạng thái lồi lõm cục bộ như tính toán, đường hàn, lỗ khoét…

- Ảnh hưởng của bề mặt nhám dạng hạt đối với sức cản phụ thuộc tỷ số 𝑘𝑠

𝐿 với trị số Re, trong đó 𝐿 là độ dày của lớp lát cơ bản

- Đặc trưng của tôn bao gợn sóng là biên độ và chiều dài sóng  Gợn sóng gây tăng sức cản áp suất và cũng làm cho dòng chảy tách nhanh Gia số của

hệ số sức cản áp suất do tôn bao gợn sóng có thể tính theo công thức:

∆Cp  0,2(𝟐𝒂 )𝟐 𝑺

𝑺

- Trong đó, 𝑺 là phần bề mặt bị gợn sóng của diện tích mặt ướt thân tàu S nếu thỏa mãn điều kiện:

o Sức cản do ma sát giữa nước với nước quanh vũng, cả gia tăng áp suất

ở thành sau của vũng gần điểm xoáy

o Thay đổi sức cản ma sát ở vùng ngoài vũng gây giảm ảnh hưởng lớp giới hạn

o Tăng sức cản áp suất do ảnh hưởng dòng chảy bên ngoài từ phía của hõm có xoáy

- Sức cản của vũng và các lỗ khoét có thể làm giảm bằng cách cấu tạo hình dáng mép sau của hõm

Câu 7: Trình bày 1 phương pháp tính sức cản

Tính sức cản tàu bằng phương pháp Taylor

- Phương pháp Taylor dùng cho tàu chạy chậm và trung bình, phạm vi vận tốc

từ V/ L0,32,0; Tỉ lệ B/T nằm trong giới hạn 2,25 – 3,0 và 3,75; Hệ số đầy lăng trụ thân tàu từ 0,48 – 0,8

- Trước khi tính sức cản tàu cần chuẩn bị các thông số hỗ trợ gồm:

o Các thông số cơ bản của tàu

o Rr : Sức cản dư Ta tra đồ thị Taylor với 2 trường hợp B/T = 2,25 và B/T = 3,75 Sau đó nội suy ra giá trị B/T của tàu đang tính

o Rf : Sức cản ma sát Tính theo công thức: R f   SV2 C f

5 ,

075 , 0

Câu 8: Trình bày các chế độ làm việc của phần cánh

- Trong thực tế chân vịt ko làm việc trog môi trường tưởng tượng mà trong nước, và sau mỗi vong quay nó chỉ tiến được bước h nhỏ hơn bước hình học

H mà theo lý thuyết nó có thể đạt đc trong môi trường chất rắn

- Quãng đường h gọi là bước tiến thật của chân vịt tàu Tốc độ tịnh tiến thật:

- Từ khoảng cách rất xa về phía trước chân vịt tàu nước chảy đến gần mặt làm việc với vận tốc bằng vận tốc tịnh tiến của tàu Đường dòng trong ống trụ tưởng tượng bao chân vịt lúc này song song với nhau Đến gần mặt làm việc

chân vịt, vận tốc theo hướng trục tăng dần Sau mặt làm việc vận tốc này

tiếp tục tăng, đường dòng bó sát nhau hơn đồng thời bị xoắn theo chiều quay chân vịt

- Các thành phần tốc độ trên cánh phát sinh trong khi chánh quay trong nước (theo hình dưới đây) Tại mặt cắt cánh theo mặt trụ, bán kính r tốc độ dọc

trục của dòng nước đến chân vịt là Vp còn tốc độ vòng là 2πrn Các thành

phần nảy sinh trong khi chân vịt làm việc gồm 𝑣1 trùng với hướng của Vp, tốc độ vòng 𝑣𝑡1 trùng với chiều quay chân vịt, và do vậy ngược với tốc độ

vòng dòng chảy bao chân vịt Tổng hình học của các thành phần gọi là tốc

độ tương đối của nước đến phần tử cánh 𝑣𝑖 Độ lớn tốc độ này phụ thuộc vào hình dáng profil cánh và là hàm của góc tấn 

- Lực nâng tác dụng vuông góc với hướng của vận tốc 𝐯𝐢 còn lực cản tác động ngược chiều với 𝐯𝐢

- Các hệ số lực nâng và lực cản của 1 dạng cánh là hàm của góc tấn Góc tấn

mà tại đó 𝐂𝐋 trở thành D đc gọi là góc của lực nâng, ký hiệu bằng 𝟎 Trong

thực tế tính toán, thay vì góc αo, ta sử dụng góc tấn αi tính từ hướng tác động của dòng chảy với vận tốc vi đến đường lực nâng L = 0, tính theo công thức:

αi = α + αo

o Trong điều kiện thử tàu tại bến, vận tốc tiến của tàu và chân vịt đều bằng 0 và J=𝑉𝑝

𝑛𝐷 = 0, giá trị K𝑇, K𝑄 đạt lớn nhất vì lúc này góc 𝐢 và lực tác động đạt maximum, hiệu suất = 0 Khi tăng vận tốc tương đối

J, góc 𝑖 tăng và hâu quả làm cho i giảm, dẫn đến hệ số lực nâng CLgiảm, từ đó giảm các hệ số K𝑇, K𝑄

o Đến 1 giới hạn nhất định của J=J1 sẽ xảy ra hiện tượng K𝑇=0 trong khi K𝑄 khác 0, dẫn đến hiệu suất = 0 và lực đẩy ko còn khi đó momen quay còn lớn hơn 0

o Khi 𝐢 = 𝟎, tại phần tử cánh ko thấy xuất hiện lực nâng dL Chân vịt trong trường hợp này làm việc ở chế độ ko tạo lực nâng

o Khi J đạt bằng giá trị J2 nhất định, hệ số K𝑄 = 0 còn K𝑇 < 0 Góc 𝐢nhỏ hơn 0 làm cho lực nâng cũng quay chiều tác động chân vịt tại chế

độ này quay tự do còn dL<0 Qua khỏi giới hạn J2 hệ số K𝑄<0 và do vậy giá trị của dQ<0

o Trong phạm vi 0<J<J1 chân vịt tàu làm nhiệm vụ của máy đẩy tàu, tạo lực đẩy lớn hơn 0, đưa tàu lên phía trước Khi vượt qua J2 chân vịt tàu

sẽ làm việc như tuabin tạo momen quay Còn trong phạm vi J1<J<J2chân vịt ko đóng vai trò máy đẩy và cũng ko phải tuabin

Câu 9: Lý thuyết bảo toàn động lượng trong cơ sở lý thuyết của chân vịt?

- Nguyên lý làm việc của máy đẩy tàu dạng chân vịt nói chung dựa trên lý thuyết bảo toàn động lượng do Rankine đề xuất (1865), sau đó Froude phát triển thêm (1887) Nhà khoa học hàng ko lớn người Nga đã tiếp tục hoàn chỉnh lý thuyết này Theo các tác giả, máy đẩy đc đặt trong lòng chất lỏng lý tưởng, khi hoạt động ko chịu chi phối của lực cản trong lý thuyết này, hình dáng, hình học, kích thước của chân vịt, cấu hình của máy đẩy ko có vai trò

gì trong khi tính toán đặc tính cơ học hình tượng đc hình dung thành chân vịt

là 1 đĩa tròn đường kính D đặt vuông góc hướng chảy của dòng chất lỏng lý tưởng, chiều dày tấm đĩa vô cùng mỏng, hoặc nói dễ hiểu hơn chiều dày gần

bằng 0 Số cánh của chân vịt dạng này đc coi là ko hạn chế có nghĩa Z  

Có mặt của đĩa lý tưởng trong dòng chảy làm biến đổi cơ tính dòng chảy Vận tốc dòng hướng trục sau đĩa tăng vì có bước nhảy áp suất trong dòng khi

đi qua mặt làm việc này

- Nếu ta ký hiệu Vp là vận tốc của dòng ở khoảng cách xa trước mặt làm việc của chân vịt ; p𝑡 là áp lực trong dòng điều hòa; p1và p2 là áp lực trong dòng

đo tại vị trí sát trước đĩa và sát sau đĩa; Vs là vận tốc tại mặt làm việc

- Phương trình Bernoulli cho đoạn dòng chảy từ vị trí xa trước đĩa đến mặt sát trước đĩa :

𝟐) Trong đó: 𝑨𝒑: diện tích mặt đĩa làm việc của máy đẩy ; : mật độ chất lỏng

- Nếu ký hiệu m là khối lượng chất lỏng chảy qua mặt làm việc trong 1 đơn vị thời gian Biểu thức động lượng của nó trong dòng chảy từ vị trí xa trước và sau mặt đĩa: T = m (*)

- Công suất do máy đẩy tạo ra bằng: 𝑷𝟏 = T.Vp

- Trong khi đó có thể đưa khối lượng chất lỏng m từ trạng thái đứng yên đến chuyển động với vận tốc  cần thiết phải cung cấp năng lượng với lượng

Câu 10: Trình bày hiện tượng xâm thực cánh chân vịt

- Xâm thực cánh và củ chân vịt gây ra nhiều hậu quả không hay cho hoạt động chân vịt và ngay cả an toàn của chân vịt Trong thực tế đã gặp những trường hợp chân vịt bị phá hủy do xâm thực

- Biểu hiện ban đầu dễ nhận thấy nhất là sủi bọt, theo đó bong bóng chứa đầy hơi nước và khí trong lúc áp suất tuyệt đối hạ thấp hơn áp suất bão hòa thoát

2 1 1

2

V p

o V1, p1 : Vận tốc và áp suất tại điểm trên cánh

o po : Áp suất tĩnh tại mức nước Hs, trong dòng, xa trước cánh

- Từ phương trình trên có thể viết:

 2 2

1 1

- Ta có điều kiện sủi bọt:

V

- Điều kiện sủi bọt được viết gọn như sau:  K

2 Sủi bọt chân vịt

- Chân vịt gồm củ và các cánh, bởi vậy trong quá trình làm việc trong nước,

cả cánh và củ chân vịt đều có khả năng bị xâm thực Như đã miêu tả trên, các cánh có khả năng bị xâm thực giống như hiện tượng xâm thực xảy ra

trên profil, trong điều kiện số sủi bọt nhỏ hơn hệ số loãng

- Thiết kế chân vịt cần tránh hiện tượng trên Trong trường hợp này sẽ có nhiều hiện tượng xấu xuất hiện ảnh hưởng đến đặc tính thủy động học của chân vịt Thời gian đầu của quá trình sủi bọt này, khi có vùng bong bóng chiếm không rộng trên cánh, đặc tính thủy động lực chưa bị thay đổi nhiều, nhưng khi quá trình sủi bọt đã lây lan khắp mặt hút của cánh, lực đẩy và

momen quay của cánh giảm rõ rệt, hiệu suất chân vịt giảm trông thấy

- Sủi bọt chân vịt đem đến nhiều tác hại không mong muốn cho tàu như làm

tăng độ ồn và là nguyên nhân làm hư chân vịt tàu do xâm thực

- Các bong bóng chưa đầy hơi khí tách khỏi bề mặt cánh luôn gây ra tiếng kêu

là do có sự thay đổi áp suất cục bộ trong bong bóng Vì những bong bóng này thoát ra khỏi vùng áp suất thấp cục bộ để rơi vào miền áp suất cao bọc bị

ngưng tụ đột ngột

- Đồng hành với sự ngưng tụ trên đây là sự va đập tập trung của nước quanh bong bóng, hệ quả của nó là làm xuất hiện vùng áp suất cao trong lòng bong bóng Với việc “bùng nổ” những quả bom không khí này khi áp suất tăng