BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

---------------

PHẠM THỊ THANH HƢƠNG

NGHIÊN CỨU GIẢM LỰC CẢN NHỚT CỦA TÀU THỦY
BẰNG PHƢƠNG PHÁP TẠO BỌT KHÍ

CHUYÊN NGÀNH: CƠ HỌC CHẤT LỎNG
MÃ SỐ: 62.44.22.01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC CHẤT LỎNG

HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
1.GS.TSKH. NGND VŨ DUY QUANG
2.TS LÊ THANH TÙNG

HÀ NỘI 2013


Luận án Tiến sĩ Cơ học chất lỏng

i

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án tiến sĩ với đề tài: “Nghiên cứu
giảm lực cản nhớt của tàu thủy bằng phương pháp tạo bọt khí ” tác giả đã nhận
được nhiều sự giúp đỡ từ các tổ chức và cá nhân.

nhớt của tàu thủy bằng phương pháp tạo bọt khí” đều do tôi tự thực hiện hoặc
đồng thực hiện dưới sự hướng dẫn của tập thể cán bộ hướng dẫn GS.TSKH.NGND
Vũ Duy Quang và TS. Lê Thanh Tùng.
Để hoàn thành luận án này, tôi chỉ dùng những tài liệu đã ghi trong mục tài liệu
tham khảo, không sao chép kết quả của bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác.

Tác giả

Phạm Thị Thanh Hương


Luận án Tiến sĩ Cơ học chất lỏng

iii

MỤC LỤC
TRANG
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
vii
DANH MỤC CÁC BẢNG
ix
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
x
MỞ ĐẦU
1
1.
Lý do nghiên cứu, mục đích đề tài
1
2.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

1.1.4
Phương pháp giải hệ phương trình lớp biên
8
1.1.4.1 Phương pháp giải tích
8
1.1.4.2 Phương pháp tích phân
8
1.1.4.3 Tính toán số
8
1.2
Lực cản của vật chuyển động trong chất lỏng
9
1.2.1
Khái niệm lực cản
9
1.2.2
Thành phần lực cản của vật ngập chuyển động trong
10
chất lỏng
1.3
Lực cản tàu thủy
10
1.3.1
Khái niệm lực cản tàu thủy
10
1.3.2
Thành phần lực cản tàu và nguyên nhân xuất hiện
11
1.4
Phương pháp giảm lực cản tàu và một số công trình

Lực cản nhớt của tàu
Lực cản sóng của tàu
Lực cản không khí của tàu
Lực cản của tàu chuyển động trên sóng
Lực cản tàu tính gần đúng theo thực nghiệm
Phương pháp tính lực cản toàn phần theo công suất
kéo tàu
Phương pháp tính lực cản dư hoặc lực cản sóng
Phương pháp tính chuyển đồng dạng từ tàu mẫu
Một số yếu tố ảnh hưởng đến giảm lực cản tàu
Hình dáng thân tàu
Hình dáng thân tàu biển
Hình dạng thân tàu nội địa và tàu pha sông biển
Hệ số béo tàu
Độ nhám thân tàu
Độ nhám chung
Độ nhám cục bộ
Ảnh hưởng của lớp rêu, hà bám vào vỏ thân tàu
Ảnh hưởng của lớp biên bao quanh tàu
Ảnh hưởng của lớp khí phun vào lớp biên đáy tàu

24
24
24
26
28
28
31
32
33

Giảm lực cản sóng

3.1
3.1.1
3.1.2
3.1.2.1
3.1.2.2
3.1.2.3
3.1.2.4
3.1.3
3.1.3.1

Tổng quan phương pháp số
Khái quát chung
Hệ phương trình
Phương trình liên tục
Phương trình bảo toàn động lượng
Phương trình bảo toàn năng lượng
Dạng tổng quát của các phương trình bảo toàn
Các phương pháp số
Phương pháp điểm kỳ dị

33
34
34
34
35
35
36
36

3.2.5.1
3.2.5.2
3.2.5.3
3.2.5.4
3.2.5.5
3.2.5.6
CHƢƠNG

Phương pháp vi phân hữu hạn (FDM)
Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)
Phương pháp thể tích hữu hạn (FVM)
Phương pháp phần tử biên (BEM)
Phương pháp phổ (SEM)
Mô phỏng số (CFD)
Mô phỏng dòng chảy bao quanh thân tàu và tính toán
lực cản tàu bằng phương pháp CFD
Cấu trúc phần mềm
Các phương trình tổng quát
Phương thức giải
Các bước giải bài toán trên FLUENT
Trình tự mô phỏng dòng chảy bao quanh thân tàu và
đo lực cản tàu
Khởi động và xây dựng mô hình hình học của tàu
Lựa chọn phương pháp – mẫu dòng rối
Miền tính toán – Điều kiện biên
Cấu trúc lưới
Quy định về độ chính xác, vòng lặp
Kết quả mô phỏng

4. NGHIÊN CỨU LỰC CẢN TÀU BẰNG THỰC NGHIỆM

Xe kéo mô hình và các thiết bị gắn trên xe kéo
Thiết bị tạo và khử sóng trong bể thử mô hình
Thiết bị đo trong thử nghiệm

v

43
45
45
49
49
49
54
54
55
56
56
57
58
60
60
61
63
63
72
72
72
72
73
73

4.4.3
4.4.3.1
4.4.3.2
4.4.4
4.4.5
4.4.5.1
4.4.5.2
4.4.5.3
4.4.6

Thiết bị kết nối máy tính
Hệ thống điều khiển trung tâm
Phần mềm CATMAN đo lực cản tàu
Trình tự thử nghiệm đo lực cản tàu
Thực nghiệm phun khí vào lớp biên đáy tàu giảm lực
cản tàu
Mô hình và thiết bị thử nghiệm
Kết nối thiết bị thử nghiệm
Quá trình thử nghiệm đo lực cản tàu
Thực nghiệm tính lực cản tàu chuyển động trên nước
tĩnh
Thực nghiệm tính lực cản tàu chuyển động trên sóng
So sánh kết quả lực cản tàu theo tính toán số và thực
nghiệm
Đánh giá công suất kéo tàu trong thử nghiệm
Công suất kéo của tàu tính theo lý thuyết
Công suất kéo của tàu trong thử nghiệm
Đánh giá hiệu quả áp dụng phun khí vào lớp biên đáy
tàu trong thử nghiệm
Thảo luận kết quả thực nghiệm

TÊN GỌI

KÝ HIỆU
CHỮ VIẾT TẮT

ĐƠN
VỊ

L; LH; LM

m

B
H
T


m
m
m
m

2
3
4
5

Chiều dài tàu, chiều dài tàu thực, chiều dài tàu
mô hình
Chiều rộng tàu


m

10
11

Chiều cao bình phương trung bình của mô nhám
thân tàu
Công suất kéo tàu
Diện tích mặt cắt ướt tàu

EPS (PS,PE)

W
m2

12

Diện tích mặt cắt ướt thân tàu trơn

13

Góc vào nước (góc tới) của cánh

14

17

Hệ số béo thể tích của tàu (Hệ số thể tích lượng
chiếm nước)


CFo

25

Hệ số lực cản nhớt

CV

15
16


0

 (CB)
 (CWP)
 (CM)

C, Cx
CH, CM
Cy

Cf

m

m2
độ



Hệ số hải quân
Hệ số hình dáng (kể đến ảnh hưởng độ cong và
hình dáng thân tàu)
Hệ số ảnh hưởng độ cong bề mặt thân tàu
Hệ số ảnh hưởng hình dáng thân tàu
Hệ số nhớt động học của chất lỏng

CE

35
36
37

Cd
k
kF
kVP
m2/s

39

Hệ số nhớt động học của chất lỏng quanh tàu
thực
Hệ số nhớt động học của chất lỏng trong bể thử


H
M


Lực cản toàn phần

Q, QA

lít/phút
N

45

Lực nâng

Ry

46

Số xâm thực

47

Số Froude và các biến thể của nó

48
49

Số Reynolds và các biến thể của nó
Trọng lượng tàu

50

Thể tích ngâm nước của tàu


3
3

N


Fr, FrV, FrH,
FrB
Re, Re*, Re**


N



m3

LM
1

LH 33

m2
m/s
m/s
m/s
m/s



Bảng 2.5

Giá trị hệ số bổ sung k E trong khai thác tàu biển

30

Bảng 3.1

Thông số cơ bản tàu mô hình MHNCS 2008-015

58

Và thông số cơ bản buồng phun khí 3 ngăn riêng biệt
Bảng 4.1

Thông số cơ bản của tàu thực và tàu mô hình
Và thông số cơ bản buồng phun khí 3 ngăn riêng biệt

85


Luận án Tiến sĩ Cơ học chất lỏng

x

DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
Hình 1.1
Hình 1.2
Hình 1.3
Hình 1.4

Lực tác dụng lên vật ngập chuyển động trong chất lỏng
Hệ toạ độ khảo sát chuyển động của tàu
Điều khiển lớp biên giảm lực cản tàu
Kết cấu lớp phủ kiểu cột
Kết cấu lớp phủ kiểu sườn
Tàu BERGE ARZEW với lớp sơn phủ
Sơ đồ của các thiết bị giao thoa giảm lực cản sóng
Sơ đồ luồng khí bao quanh khi tàu chuyển động trong điều
kiện có gió
Lưới thể tích hữu han 2D có cấu trúc
Lưới thể tích hữu hạn 3D không cấu trúc
Cấu trúc mô phỏng số CFD
Cấu trúc bộ phần mềm ANSYS FLUENT
Mô hình 3D tàu thử nghiệm
Miền tính và điều kiện biên
Mô hình lưới hỗn hợp
Mật độ lưới cao xung quanh các lỗ phun khí và tại mũi tàu
Phân bố áp suất trên thân tàu khi tàu chuyển động trên
nước tĩnh, trường hợp không phun khí đáy tàu
Phân bố áp suất trên thân tàu chuyển động trên nước tĩnh
Phân bố áp suất và vận tốc trên mặt thoáng
Phân bố vận tốc dòng khí – lỏng dọc theo bề mặt đáy tàu
Phân bố dòng khí-lỏng xung quanh lỗ phun dọc thân tàu
Phân bố dòng khí-lỏng ở đáy tàu khi tàu chuyển động trên
nước tĩnh
Phân bố hệ số ma sát trên bề mặt đáy tàu khi tàu chuyển
động trên nước tĩnh
Phân bố hệ số ma sát của dòng khí – lỏng dọc theo thân tàu
Lực cản tàu chuyển động trên nước tĩnh
Hệ số lực cản tàu chuyển động trên nước tĩnh

69
70
70


Luận án Tiến sĩ Cơ học chất lỏng

Hình 4.1
Hình 4.2
Hình 4.3
Hình 4.4
Hình 4.5
Hình 4.6
Hình 4.7
Hình 4.8
Hình 4.9
Hình 4.10
Hình 4.11
Hình 4.12
Hình 4.13
Hình 4.14
Hình 4.15
Hình 4.16
Hình 4.17
Hình 4.18
Hình 4.19
Hình 4.20
Hình 4.21
Hình 4.22
Hình 4.23

Hình ảnh dòng bóng khí sát đáy tàu chuyển động trên nước
tĩnh với tốc độ v = 1,4 m/s và lưu lượng khí Q = 20 lít/phút
Lực cản toàn phần tàu chuyển động trên nước tĩnh
Hệ số lực cản toàn phần tàu chuyển động trên nước tĩnh
Hình ảnh tàu mô hình phun khí lưu lượng Q = 20 lít/phút
chuyển động trên sóng hình sin với biên độ h =12cm
Dòng khí đáy tàu chuyển động trên sóng hình sin với biên
độ h =12cm khi phun khí với lưu lượng Q = 20 lít/phút
Lực cản toàn phần tàu chuyển động trên sóng hình sin
Lực cản và hệ số lực cản theo tính toán số và thực nghiệm
khi phun khí với lưu lượng Q = 20 lít/phút
Công suất kéo tàu chuyển động trên nước tĩnh
Công suất kéo tàu trên sóng hình sin tính theo lý thuyết và
thực nghiệm khi không phun khí và khi phun khí với lưu
lượng Q = 20 lít/phút

xi

77
78
79
79
80
80
81
81
82
83
83
83

tác động đó ảnh hưởng như thế nào đối với các vật thể khác nhau? sự tương tác giữa
vật thể và chất lỏng bao quanh? làm thế nào để vật thể di chuyển trong chất lỏng
được dễ dàng?....Sau quá trình nghiên cứu miê ̣t mài , các nhà khoa học đã tìm ra
những đinh
̣ luâ ̣t, những phương trin
̀ h cũng như những sản phẩ m nghiên c ứu thực tế
để chứng minh cho lí thuyết cơ bản . Với công nghê ̣ hiê ̣n đa ̣i , máy tính và các phần
mề m chuyên du ̣ng đã giúp con người rấ t nhiề u trong viê ̣c nghiên c
ứu ảnh hưởng
của dòng chảy tới vâ ̣t thể chuyển động trong chất lỏng và ngươ ̣c la ̣i sự thay đổ i hình
dạng, kết cấu vâ ̣t th ể tác đô ̣ng lên dòng ch ảy. Điều này cũng có ý nghĩa lớn trong
việc nghiên cứu lực cản và giảm lực cản tàu thủy trong quá trình vận hành nhằm
mục đích giảm chi phí khai thác tàu, góp phần tiết kiệm năng lượng nhiên liệu, giảm
lượng khí thải.
Hiện nay trên thế giới có nhiều phương pháp nghiên cứu nhằm giảm lực cản tàu
thủy. Trong đó, phương pháp tạo bọt khí là một trong những phương pháp có hiệu
quả và tính khả thi cao. Song, phương pháp này chưa được áp dụng nghiên cứu tại
Việt Nam trong khi ngành đóng tàu nước ta đã có những bước phát triển đáng kể.
Đề tài: “Nghiên cứu giảm lực cản nhớt của tàu thủy bằng phương pháp tạo bọt
khí” với mục đích nghiên cứu, kiểm nghiệm phương pháp tạo bọt khí nhằm giảm
lực cản nhớt của tàu và khả năng ứng dụng phương pháp đó trong thực tế khai thác
tàu thủy.

2. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Đề tài đã giúp tác giả nâng cao kiến thức cũng như khả năng tự nghiên cứu, ứng
dụng và phát triển khoa học kỹ thuật, đặc biệt trong lĩnh vực Cơ học chất lỏng và
Đóng tàu. Những kết luận quan trọng của đề tài đã khẳng định vai trò giảm lực cản
của phương pháp tạo bọt khí, đặc biệt áp dụng đối với tàu hàng vận tải.
Đề tài đã có đóng góp mới trong việc xây dựng mô hình tính toán, mô phỏng thủy
động lực học dòng chảy bằng phần mềm thương mại ANSYS FLUENT để khảo sát

thực nghiệm. Đây là phương pháp nghiên cứu hiện đại đang được sử dụng phổ biến,
kết quả nghiên cứu có độ tin cậy cao.
Phần nghiên cứu lý thuyết bắt đầu với việc thống kế các kết quả nghiên cứu về cơ
sở lý thuyết Cơ học chất lỏng, động lực học tàu thủy, phân tích các thành phần lực
cản, các phương pháp giảm lực cản tàu với tập trung chuyên sâu vào phương pháp
tạo bọt khí nhằm giảm lực cản nhớt của tàu vận tải.
Đề tài sử dụng phần mềm ANSYS FLUENT, xây dựng mô hình tính, mô phỏng
thủy động lực học dòng chảy để khảo sát ảnh hưởng ảnh của bọt khí tới lực cản tàu.
Đây là phương pháp đã được phát triển và ứng dụng trên thế giới, song nó được áp
dụng mô phỏng lần đầu cho nghiên cứu lực cản nhớt của tàu bằng phun khí ở Việt
Nam. Kết quả mô phỏng phù hợp với kết quả lý thuyết, thể hiện tính đúng đắn của
việc thiết lập mô hình tính toán cũng như thiết lập các điều kiện biên tương ứng.


Mở đầu

3

Nghiên cứu thực nghiệm khả năng giảm lực cản tàu bằng phương pháp tạo bọt được
tiến hành thông qua thực nghiệm phun khí vào lớp biên đáy tàu của mô hình tàu
hàng đáy phẳng 20.000 DWT chạy trên mặt nước tĩnh và chạy trên sóng hình sin.
Kết quả nghiên cứu thực nghiệm phù hợp với kết quả nghiên cứu lý thuyết và mô
phỏng số. Điều này thể hiện tính đúng đắn của việc thiết lập bài toán lý thuyết và sự
phù hợp của phương pháp nghiên cứu, hứa hẹn khả năng ứng dụng cao của phương
pháp phun khí đáy tàu đối với tàu hàng cỡ lớn đóng ở Việt Nam trong tương lai.

5. BỐ CỤC LUẬN ÁN
Luận án bao gồm 4 chương chính cùng phần mở đầu, phần kết luận-kiến nghị được
trình bày trong 102 trang thuyết minh:
Chương 1.Tổng quan nghiên cứu lớp biên – lực cản.

Sử dụng phần mềm ANSYS FLUENT mô phỏng dòng chảy, sự phân bố áp suất bao
quanh thân tàu và xác định lực cản tàu chuyển động trên nước tĩnh trong những điều
kiện biên khác nhau.
Chương 4. Nghiên cứu lực cản tàu bằng thực nghiệm phun khí vào lớp biên đáy tàu
Trình bày cơ sở phương pháp thực nghiệm nghiên cứu lực cản tàu: nguyên tắc cơ
bản và cách thức lập mô hình tàu, ảnh hưởng của mô hình tàu đến kết quả thực
nghiệm, phương pháp tính chuyển lực cản tàu từ mô hình sang tàu thực.
Khảo sát và chuẩn bị các trang thiết bị thử nghiệm mô hình tàu. Tiến hành thử
nghiệm tính lực cản tàu khi tàu chuyển động trên nước tĩnh và trên sóng trước và
sau khi phun khí vào lớp biên đáy tàu. So sánh kết quả lực cản thu được từ thử
nghiệm và từ tính toán số. Đánh giá công suất kéo tàu, hiệu quả áp dụng phun khí
đáy tàu trong thử nghiệm và thảo luận kết quả thực nghiệm.


Chương 1. Tổng quan nghiên cứu lớp biên - lực cản

5

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU LỚP BIÊN-LỰC CẢN

1.1

NGHIÊN CỨU LỚP BIÊN

1.1.1 Khái niệm lớp biên

Lớp biên là lớp chất lỏng sát thành rắn mà ở đó độ nhớt chất lỏng được thể hiện rõ
nhất khi có chuyển động tương đối giữa chất lỏng và vật rắn. Vận tốc trong lớp biên
thay đổi từ giá trị không tại thành đến giá trị xấp xỉ 99% vận tốc dòng ngoài. Phía
ngoài lớp biên này (dòng ngoài), chất lỏng được xét là lý tưởng.

 d
u
F  grad p  v. u   . grad div u 

3
dt
trong đó:

F là véc tơ lực khối đơn vị;

u là véc tơ vận tốc tuyệt đối;
 u  v  w
div u  

x  y z

  2u  2 v  2 w
u 


2
2
x
y
z2
t là thời gian
 là khối lượng riêng
v là độ nhớt động học
p là áp suất
p  p  p 


d u i  ui
u
1 p


u j i 

dt
t
x j
  xi  x j



 2 D  u ' u ' 
i
j
i
j



(1.2)

trong đó:
ui  ui  ui ; u j  u j  u j - vận tốc tức thời
ui ; u j là các thành phần vận tốc trung bình

ui ; u j là các thành phần vận tốc mạch động


 dx
 x

y
 y2

 u  v

0


 x y

Với các điều kiện biên:

y  0:
y  :



u v0
u  U  ( x)

Trong đó:
u = u(x,y) – vận tốc trung bình dọc trong lớp biên
v = v(x,y) – vận tốc trung bình ngang trong lớp biên

U  (x) – vận tốc dòng ngoài;  - độ nhớt động lực học


Đối với lớp biên rối, dùng phương pháp của Head, phương pháp Karman.
Đối với lớp biên tầng, có thể sử dụng phương pháp của Thwaites, phương pháp
profil vận tốc của Pohlhausen, phương pháp thông số Lôixianxki.
1.1.4.3 Tính toán số

Để tính toán một lớp biên rối, thường phải sử dụng đến kỹ thuật số. Cho đến nay,
tính toán số lớp biên rối có thể sử dụng các phương pháp sau:
 Phương pháp số với mô hình chiều dài hỗn hợp rối
 Phương pháp số với mô hình rối k – є
 Phương pháp số kết hợp mô hình chiều dài hỗn hợp rối với mô hình rối k – є
Ngoài ra, còn sử dụng phương pháp mô phỏng trực tiếp từ phương trình Navier –
Stokes để tính toán dòng chất lỏng thực.


Chương 1. Tổng quan nghiên cứu lớp biên - lực cản

9

1.2 LỰC CẢN CỦA VẬT CHUYỂN ĐỘNG TRONG CHẤT LỎNG
1.2.1 Khái niệm lực cản

Khảo sát dòng chất lỏng chuyển động với vận tốc U bao quanh vật rắn cố định.
Gần đúng có thể coi vật rắn chuyển động với vận tốc U không đổi về trị số và
  
hướng trong chất lỏng tĩnh. Chất lỏng tác dụng lên vật một lực P ( P , P ) và tạo
n 


nên mô men M . Trong đó: lực nâng P vuông góc với phương vận tốc U, lực cản
n

2
2
U 
2

(1.5)
S

(1.6)

S

(1.7)

Sl

trong đó:
Cy là hệ số lực nâng, Cm là hệ số mô men
 - Khối lượng riêng của chất lỏng,
S - Tiết diện cản chính.
l - chiều dài đặc trưng của vật thể

(1.8)


Chương 1. Tổng quan nghiên cứu lớp biên - lực cản

10

Cx là hệ số lực cản, phụ thuộc vào dạng hình học của vật thể. Khi xét

Với vật thể có hình dáng khí động xấu, dòng bao quanh vật có điểm rời (hình trụ,
thuyền thúng…) thì lực cản ma sát nhỏ hơn lực cản áp lực ( P

P
 ms <  ap ).

Với các vật thể dạng cánh, tấm phẳng …, lực cản có thể tính theo công thức sau:

P  P ms 1  k 

(1.11)

trong đó: k  0,1  0,25

1.3 LỰC CẢN TÀU THỦY
1.3.1 Khái niệm lực cản tàu thủy

Để nghiên cứu tính di động của tàu người ta gắn lên tàu hai hệ trục toạ độ di động
x1y1z1, và hệ xyz như hình vẽ. Hai hệ toạ độ này sẽ trùng nhau khi tàu không
chuyển động và tạo với nhau một góc chúi hành trình  khi tàu chuyển động.


Chương 1. Tổng quan nghiên cứu lớp biên - lực cản

11

Hình 1.5 Hệ toạ độ khảo sát chuyển động của tàu

Khi tàu chuyển động trong chất lỏng, nó chịu tác động của lực thuỷ - khí động mà
trị số của nó phụ thuộc vào khối lượng riêng và độ nhớt của chất lỏng. Tổng hợp

Lực cản tàu là hình chiếu của véctơ chính của các lực thủy - khí động, tác dụng lên
bề mặt thân tàu, theo hướng chuyển động dọc trục của tàu.
1.3.2 Thành phần lực cản tàu và nguyên nhân xuất hiện

Lực cản tàu phụ thuộc vào sự thay đổi cấu trúc dòng chảy bao quanh tàu và phụ
thuộc điều kiện tác động bên ngoài như độ sâu, chiều rộng của luồng lạch, sóng gió,
dòng chảy, băng, sự thay đổi độ chúi và chiều chìm trung bình, rong, rêu, hà bám ở
phần ngâm nước của tàu, sự tăng tốc (lấy đà) và sự hãm quán tính, v.v.
Khi nghiên cứu các thành phần lực cản tàu, người ta giả thiết tàu ở tư thế thẳng
chuyển động với tốc độ tịnh tiến là v ở độ sâu không hạn chế trong điều kiện không
có sóng, gió và giả thiết về sự độc lập của các thành phần lực cản tàu: các quá trình
vật lý gây ra từng thành phần lực cản tổng là độc lập nhau, những hiện tượng xảy ra
trong nước không ảnh hưởng tới lực cản không khí. Quá trình hình thành lớp biên
và sự tạo sóng phát sinh đồng thời trong chất lỏng và có ảnh hưởng lẫn nhau. Song,
mức độ ảnh hưởng trong phần lớn các trường hợp là không lớn.


Chương 1. Tổng quan nghiên cứu lớp biên - lực cản

12

Lực cản chuyển động của tàu ( Rx ) bao gồm: lực cản nhớt, lực cản sóng và lực cản
bổ sung được qui định là lực cản do ảnh hưởng các phần nhô và độ nhám bề mặt
vốn có của thân tàu cũng như lực cản của không khí. Các thành phần lực cản phụ
thuộc vào kích thước, hình dáng thân tàu và số Froude ( Fr) cũng như hệ số béo thể
tích  và chế độ chuyển động của tàu.
Với tàu vận tải: lực cản nhớt đóng vai trò quyết định, ảnh hưởng của lực cản không
khí đến chuyển động của tàu khi không có gió là không lớn và nó phụ thuộc vào tốc
độ tàu cũng như hình dạng phần khô trên mặt nước của thân tàu, giá trị của lực cản
không khí chiếm khoảng (1  3)% lực cản toàn bộ của tàu.


Lực cản sóng, do các phần tử chất lỏng ở gần mặt tự do của chất lỏng
tách ra từ vị trí cân bằng, tạo một hệ thống sóng làm thay đổi trường vận
tốc và áp suất dọc theo bề mặt tàu. Công do lực cản sóng được tiêu tốn
cho sự tạo thành năng lượng sóng. Trong vùng số Fr = (0,16  0,18), lực
cản sóng gần bằng không

RV -

Lực cản nhớt, xuất hiện do hiện tượng tách lớp biên, bao gồm lực cản
hình dáng và lực cản ma sát.

RF -

Lực cản ma sát, xuất hiện do ảnh hưởng độ nhớt của chất lỏng gây ma
sát vào vỏ tàu, chịu ảnh hưởng độ cong dọc và ngang thân tàu. Công của
lực cản ma sát được tiêu tốn cho sự hình thành lớp biên và dòng theo.

RVP -

Lực cản hình dáng, xuất hiện do ảnh hưởng của độ nhớt hình thành lớp
biên dọc theo bề mặt tàu và tạo ra dòng theo làm giảm áp suất ở vùng
đuôi tàu. Lực cản hình dáng phụ thuộc vào hình dáng thân tàu.

-

Lực cản bổ sung do ảnh hưởng các phần nhô, độ nhám bề mặt thân tàu,
ảnh hưởng của không khí. Thành phần lực cản này trong khai thác tàu
được tính toán theo phương pháp đặc biệt hoặc tính dựa vào hệ số hiệu
chỉnh lực cản ứng với điều kiện làm việc bình thường của tàu.

khô thân tàu (thượng tầng và lầu, các cột, các ống, dây chằng, dây buộc,
v.v.) với vận tốc bằng vận tốc tàu. Giá trị lực cản này chiếm không quá
3% lực cản toàn phần nên thường được bỏ qua.

-

AA

1.4 PHƢƠNG PHÁP GIẢM LỰC CẢN TÀU VÀ MỘT SỐ CÔNG
TRÌNH ĐÃ NGHIÊN CỨU
Hiện nay, trên thế giới đã nghiên cứu bằng lý thuyết và thực nghiệm những phương
pháp giảm lực cản của vật chuyển động trong chất lỏng và ứng dụng triển khai ở
nhiều lĩnh vực, đặc biệt trong lĩnh vực Kỹ thuật tàu thủy. Các phương pháp giảm
lực cản của tàu dựa trên tác động có chủ động vào dòng chảy bao quanh thân tàu mà
bản chất là điều khiển lớp biên (hình 1.6).
1.4.1 Giảm lực cản nhớt

Lực cản nhớt đóng vai trò chính trong tổng lực cản của tàu. Trong đó, lực cản ma
sát chiếm khoảng (80 ÷ 90)% lực cản nhớt, lực cản hình dáng chiếm khoảng (10 ÷
20)% lực cản nhớt [5]. Những tàu chìm hoàn toàn trong nước (tàu ngầm), hầu như
chỉ có lực cản nhớt. Việc tìm các biện pháp giảm lực cản nhớt là rất quan trọng.
Cách thức giảm lực cản nhớt chủ yếu là thay đổi các đặc tính dòng chảy trong lớp
biên theo hướng nhất định. Cụ thể như sau:
1.4.1.1 Tầng hóa lớp biên

Lý thuyết và thực nghiệm chỉ ra rằng, hệ số ma sát đặc trưng cho lực cản ma sát
nhớt trên bề mặt tàu với cùng một số Reynolds trong lớp biên tầng nhỏ hơn rất
nhiều so với lớp biên rối. Phần lớn các công trình nghiên cứu giảm lực cản bằng
phương pháp kéo dài lớp biên tầng đã đạt được kết quả đáng kể (trang 244 [5]).