THUYẾT TRÌNH báo cóa THÍ NGHIỆM của FROUDE

THUYẾT TRÌNH báo cóa THÍ NGHIỆM của FROUDE THUYẾT TRÌNH báo cóa THÍ NGHIỆM của FROUDE THUYẾT TRÌNH báo cóa THÍ NGHIỆM của FROUDE THUYẾT TRÌNH báo cóa THÍ NGHIỆM của FROUDE THUYẾT TRÌNH báo cóa THÍ NGHIỆM của FROUDE

Báo cáo thí nghiệm của Froude

1/ Willam Froude.

 Là kĩ sư người Anh đã có ảnh

hưởng to lớn trong việc phát triển

một phương pháp thử mô hình chạy

trong nước và đề ra các phương

pháp chuyển các kết quả đó cho

tàu thực

William Froude ( 1810 – 1879)

2/ Thí nghiệm của Froude

 Thử nghiệm kéo tấm phẳng xác định sức cản ma sát

- Để tìm hiểu bản chất hiện tượng và tìm công thức tính sức cản ma sát, từ năm 1870, Froude đã thực nghiệm kéo các tấm phẳng dài 0,3 – 15 m và dày 5mm nằm sâu trong bể thử và nhận được kết quả sau:

 Khi kéo tấm phẳng trong lòng chất lỏng lý tưởng ( tức chất lỏng không

có độ nhớt ), các phần tử chất lỏng lướt qua mà không dính lại bề mặt tấm phẳng nên các lớp nước quanh bề mặt tấm phẳng có tốc độ không đổi, bẳng tốc độ kéo tấm phẳng

 Khi kéo tấm phẳng trong chất lỏng thực ( có độ nhớt ) nhận thấy, do ảnh hưởng của độ nhớt nên các phần tử trong lớp chất lỏng chảy sát tấm phẳng bị dính vào tấm phẳng, làm cho tốc độ lớp chất lỏng sát bề mặt tấm phẳng bằng 0, còn tốc độ các lớp chất lỏng kế tiếp, nằm theo

phương vuông góc tấm phẳng tăng dần đến bằng giá trị tốc độ

 Công thức tổng quát tính sứt cản ma sát của tấm phẳng:

Trong đó: - khối lượng riêng của chất lỏng

V – vận tốc chuyển động của tấm phẳng

S – diện tích bề mặt tấm phẳng

- Hệ số sức cản ma sát

S

V C

2

2

ρ

=

ρ

ms

C

Công thức tính hệ số sức cản ma sát của tấm phẳng phụ thuộc giá trị số Froude

• Khi Re ≤ 2×10³ : dòng chất lỏng trong khu vực lớp biên ở chế độ chảy tầng

• Khi Re ≤ 2×10³ : dòng chất lỏng trong khu vực lớp biên ở chế độ chảy rối

•Hoặc theo công thức của hội nghị quốc tế các bể thử lần thứ VIII (ITTC – 1957)

Ở các giá trị Re lớn, hai công thức trên cho kết quả gần giống nhau

e

ms

R

C = 1 , 328

38 , 2

) lg(

455 ,

0

e

ms

R

C =

2

) 2 Re (lg

075 ,

0

−

=

ms

C

 Sức cản ma sát của vỏ tàu

• Sức cản ma sát của tàu đượ tính từ sức cản ma sát của tấm phẳng có tính đến độ cong và độ nhám của bề mặt vỏ tàu so với tấm phẳng theo công thức tổng quát:

S

V C

2

2

ρ

=

Trong đó: V – tốc độ tàu

S – diện tích mặt ướt của vỏ tàu

Cmstàu – hệ số sức cản ma sát của tàu tính theo công thức:

Cmstptd – hệ số sức cản ma sát của tấm phẳng tương đương với tàu, tức là tấm phẳng

có chiều dài và diện tích ướt bằng chiều dài và diện tích ướt của tàu, chuyển động trong cùng chất lỏng với tốc độ bằng tốc độ tàu.

k – hệ số tính đến ảnh hưởng của độ cong của bề mặt vỏ tàu so với tấm phẳng có giá trị nằm trong khoảng 1,02 – 1,08, xác định phụ thuộc tỷ số L/B

bm mstptd

∆Cbm – hệ số tính đến ảnh hưởng của độ nhám bề mặt vỏ tàu, thường có giá trị nằm trong phạm vi khoảng (0,0003 – 0,0008) phụ thuộc vật liệu

vỏ tàu, điều kiện làm việc…Có thể sử dụng các sô liệu tham khảo như sau:

o Tàu vỏ thép ∆Cbm = 0,0003 – 0,0006

o Tàu vỏ gỗ ∆Cbm = 0,0003 – 0,0006

o Tàu xi măng lưới thép ∆Cbm = 0,0003 – 0,0006

o Tàu xuồng nhỏ ∆Cbm = 0,0003 – 0,0006

3/ Số Reynolds

 Số Re đặc trưng cho tỉ lệ giữa lực quán tính và lực nhớt

 Trước hết tìm hiểu thế nào là lực nhớt? Đó là ma sát trong của môi

trường Nói dễ hiểu thế này, nếu chia môi trường thành các lớp mỏng (giống như các tờ giấy của một quyển sách) thì khi có sự khác nhau về vận tốc trong các lớp sẽ sinh ra ma sát giữa chúng (giống như 2 tấm gỗ trượt trên nhau) Đặc trưng cho lực ma sát này chính là hệ số ma sát động lực học Trng các môi trường khác nhau thì hệ số này có một giá trị khác nhau

 Trong hệ phương trình Navier-Stocks, khi dùng các biến không thứ

nguyên, dựa vào số Re người ta có thể loại bỏ các phần tử đóng vai trò không đáng kể để làm giản đơn hệ phương trình

 Công thức cho số Re như sau:

Trong đó: - là khối lượng riêng của môi trường

V – vận tốc dòng chảy

L – kích thương đặc trưng cho vật thể

µ - hệ số nhớt động lực học của môi trường

µ

ρ LV

R e =

ρ

 Mỗi dòng chảy đều có giá trị tới hạn của Re, đặc trưng cho tính chất

dòng chảy:

chảy đều hay rối? Nếu Re nhỏ hơn giá trị này thì dòng chảy là đều, còn vượt ngưỡng này (thậm chí là lân cận) thì dòng chảy bắt đầu chuyển sang chảy rối phức tạp

Số Reynold cũng là tiêu chuẩn để chúng ta khảo sát những vật thể đồng dạng Chẳng hạn để khảo sát một vật thể to, chúng ta làm mô hình

đồng dạng và chọn chế độ về vận tốc, độ nhớt, v.v… miễn sao nó có giá trị Re giống như của vật thể thật

4/Số Froude (Fr)

 Số Froude (Phờ-rao-đơ) đặc trưng cho tỉ số giữa lực quán tính và trọng lực đối với dòng chảy Công thức của nó như sau:

Trong đó : v – là vận tốc dòng chảy ( hoặc vận tốc chuyển động của vật thể

g – là gia tốc trọng trường

L – là kích thước đặt trưng của vật ( hoặc dòng chảy ) gL

v Fr

2

=

 Trong lĩnh vực chế tạo tàu thuyền, người ta dùng số Froude ở dạng khác:

Nghĩa là nếu chúng ta làm một mô hình với tỉ lệ 1:100, thì vận tốc thử

nghiệm cho mô hình chỉ bằng 1/10 lần vận tốc thực tế

gL v

Fr ship =

5/ Mối quan hệ:

 Mối quan hệ giữa các số Reynolds của mô hình và tàu để thỏa mãn định luật đồng dạng Froude Tỉ lệ mô hình là a

 Số Reynolds của tàu được biểu diễn:

Và của mô hình:

Quan hệ giữa tốc độ tàu và mô hình phù hợp luật đồng dạng Froude được biểu diễn bằng công thức :

'

Re

v

vL

=

'

'

' '

Re

v

L

v

=

a v

v = '

 Từ luật đồng dạng hình học của tàu và mô hình chúng ta có hệ thức giữa chiều dài của chúng:

 Cuối cùng thay hai hệ thức thành công thức tính của tàu, chúng ta có:

 Từ công thức tính của mô hình chúng ta có tích :

a L

L = '

v

a a

L

v v

a aL

' '

' ' L Re v

 Và sau khi thay công thức của tàu, chúng ta có hệ thức cần tìm:

biến cải ở dạng:

Nếu tỉ trọng và nhiệt độ trong bể thử và môi trường như nhau nghĩa là v = v’, thì hệ thức:

v

a a

v'

' .

Re

Re =

2

3 '

' Re

Re

a v

v

=

2

3 '

Re

Re

a

=