Nghiên cứu giảm lực cản nhớt của tàu thủy bằng phương pháp tạo bọt khí

Tài liệu nghiên cứu Nghiên cứu giảm lực cản nhớt của tàu thủy bằng phương pháp tạo bọt khí, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về .

• Tác giả: Phạm Thị Thanh Hương
• Người hướng dẫn: GS.NGND Vũ Duy Quang
• Trường học: Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Cơ học chất lỏng
• Đề tài: Nghiên cứu giảm lực cản nhớt của tàu thủy bằng phương pháp tạo bọt khí
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
• MỞ ĐẦU
• Lý do nghiên cứu, mục đích đề tài
• Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• Phương pháp nghiên cứu
• Bố cục luận án
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU LỚP BIÊN - LỰC CẢN
• 1.1. Nghiên cứu lớp biên
• 1.1.1. Khái niệm lớp biên
• 1.1.2. Cấu trúc lớp biên
• 1.1.3. Hệ phương trình lớp biên
• 1.1.3.1. Phương trình Navier – Stokes
• 1.1.3.2. Phương trình Reynolds
• 1.1.3.3. Hệ phương trình Prandtl
• 1.1.4. Phương pháp giải hệ phương trình lớp biên
• 1.1.4.1. Phương pháp giải tích
• 1.1.4.2. Phương pháp tích phân
• 1.1.4.3. Tính toán số
• 1.2. Lực cản của vật chuyển động trong chất lỏng
• 1.2.1. Khái niệm lực cản
• 1.2.2. Thành phần lực cản của vật ngập chuyển động trong chất lỏng
• 1.3. Lực cản tàu thủy
• 1.3.1. Khái niệm lực cản tàu thủy
• 1.3.2. Thành phần lực cản tàu và nguyên nhân xuất hiện
• 1.4. Phương pháp giảm lực cản tàu và một số công trình đã nghiên cứu
• 1.4.1. Giảm lực cản nhớt
• 1.4.1.1. Tầng hóa lớp biên
• 1.4.1.2. Tạo dao động bề mặt giảm ma sát rối
• 1.4.2. Giảm lực cản hình dáng
• 1.4.3. Giảm lực cản sóng
• 2. CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN LỰC CẢN TÀU – MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN GIẢM LỰC CẢN TÀU
• 2.1. Lực cản tàu thủy tính theo lý thuyết
• 2.1.1. Lực cản tàu chuyển động trên nước tĩnh
• 2.1.1.1. Lực cản toàn phần của tàu
• 2.1.1.2. Lực cản nhớt của tàu
• 2.1.1.3. Lực cản sóng của tàu
• 2.1.1.4. Lực cản không khí của tàu
• 2.1.2. Lực cản của tàu chuyển động trên sóng
• 2.2. Lực cản tàu tính gần đúng theo thực nghiệm
• 2.2.1. Phương pháp tính lực cản toàn phần theo công suất kéo tàu
• 2.2.2. Phương pháp tính lực cản dư hoặc lực cản sóng
• 2.2.3. Phương pháp tính chuyển đồng dạng từ tàu mẫu
• 2.3. Một số yếu tố ảnh hưởng đến giảm lực cản tàu
• 2.3.1. Hình dáng thân tàu
• 2.3.1.1. Hình dáng thân tàu biển
• 2.3.1.2. Hình dạng thân tàu nội địa và tàu pha sông biển
• 2.3.2. Hệ số béo tàu
• 2.3.3. Độ nhám thân tàu
• 2.3.3.1. Độ nhám cục bộ
• 2.3.4. Ảnh hưởng của lớp rêu, hà bám vào vỏ thân tàu
• 2.3.5. Ảnh hưởng của lớp biên bao quanh tàu
• 2.3.6. Ảnh hưởng của lớp khí phun vào lớp biên đáy tàu
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU LỰC CẢN TÀU BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỐ
• 3.1. Tổng quan phương pháp số
• 3.1.1. Khái quát chung
• 3.1.2. Hệ phương trình
• 3.1.2.1. Phương trình liên tục
• 3.1.2.2. Phương trình bảo toàn động lượng
• 3.1.2.3. Phương trình bảo toàn năng lượng
• 3.1.2.4. Dạng tổng quát của các phương trình bảo toàn
• 3.1.3. Các phương pháp số
• 3.1.3.1. Phương pháp điểm kỳ dị
• 3.1.3.2. Phương pháp vi phân hữu hạn (FDM)
• 3.1.3.3. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)
• 3.1.3.4. Phương pháp thể tích hữu hạn (FVM)
• 3.1.3.5. Phương pháp phần tử biên (BEM)
• 3.1.3.6. Phương pháp phổ (SEM)
• 3.1.3.7. Mô phỏng số (CFD)
• 3.2. Mô phỏng dòng chảy bao quanh thân tàu và tính toán lực cản tàu bằng phương pháp CFD
• 3.2.1. Cấu trúc phần mềm
• 3.2.2. Các phương trình tổng quát
• 3.2.3. Phương thức giải
• 3.2.4. Các bước giải bài toán trên FLUENT
• 3.2.5. Trình tự mô phỏng dòng chảy bao quanh thân tàu và đo lực cản tàu
• 3.2.5.1. Khởi động và xây dựng mô hình hình học của tàu
• 3.2.5.2. Lựa chọn phương pháp – mẫu dòng rối
• 3.2.5.3. Miền tính toán – Điều kiện biên
• 3.2.5.4. Cấu trúc lưới
• 3.2.5.5. Quy định về độ chính xác, vòng lặp
• 3.2.5.6. Kết quả mô phỏng
• 4. CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU LỰC CẢN TÀU BẰNG THỰC NGHIỆM PHUN KHÍ VÀO LỚP BIÊN ĐÁY TÀU
• 4.1. Cơ sở thực nghiệm nghiên cứu lực cản tàu
• 4.1.1. Hai nguyên tắc cơ bản lập mô hình
• 4.1.2. Cách thức lập mô hình tàu
• 4.1.2.1. Lập mô hình từng phần theo số Reynolds
• 4.1.2.2. Lập mô hình từng phần theo số Froude
• 4.1.3. Ảnh hưởng của mô hình đến kết quả thực nghiệm
• 4.1.4. Tính chuyển lực cản từ mô hình sang tàu thực
• 4.1.4.1. Phương pháp Froude
• 4.1.4.2. Phương pháp Hughes
• 4.1.4.3. Phương pháp Telfer
• 4.2. Trang thiết bị thử mô hình tàu
• 4.2.1. Bể thử mô hình tàu
• 4.2.2. Xe kéo mô hình và các thiết bị gắn trên xe kéo
• 4.2.3. Thiết bị tạo và khử sóng trong bể thử mô hình
• 4.2.4. Thiết bị đo trong thử nghiệm
• 4.2.5. Thiết bị kết nối máy tính
• 4.2.6. Hệ thống điều khiển trung tâm
• 4.2.7. Phần mềm đo CATMAN
• 4.3. Trình tự thử nghiệm đo lực cản tàu
• 4.4. Thực nghiệm phun khí vào lớp biên đáy tàu giảm lực cản tàu
• 4.4.1. Mô hình và thiết bị thử nghiệm
• 4.4.2. Kết nối thiết bị thử nghiệm
• 4.4.3. Quá trình thử nghiệm đo lực cản tàu
• 4.4.3.1. Thực nghiệm tính lực cản tàu chuyển động trên nước tĩnh
• 4.4.3.2. Thực nghiệm tính lực cản tàu chuyển động trên sóng
• 4.4.4. So sánh kết quả lực cản tàu theo tính toán số và thực nghiệm
• 4.4.5. Đánh giá công suất kéo tàu trong thử nghiệm
• 4.4.5.1. Công suất kéo của tàu tính theo lý thuyết
• 4.4.5.2. Công suất kéo của tàu trong thử nghiệm
• 4.4.5.3. Đánh giá hiệu quả áp dụng phun khí vào lớp biên đáy tàu trong thử nghiệm
• 4.4.6. Thảo luận kết quả thực nghiệm
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Giảm Lực Cản Nhớt Tàu Thủy 55 ký tự

Từ ngàn xưa, việc nghiên cứu chuyển động của vật thể trong nước đã thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học. Mục tiêu là hiểu rõ các tác động lên vật thể khi di chuyển trong chất lỏng, sự tương tác giữa vật thể và môi trường xung quanh, và tìm cách giúp vật thể di chuyển dễ dàng hơn. Các nhà khoa học đã khám phá ra các định luật, phương trình và sản phẩm thực tế để chứng minh các lý thuyết cơ bản. Với sự phát triển của công nghệ, máy tính và phần mềm chuyên dụng đã hỗ trợ đáng kể trong việc nghiên cứu ảnh hưởng của dòng chảy lên vật thể chuyển động và ngược lại, sự thay đổi hình dạng và cấu trúc vật thể tác động lên dòng chảy. Điều này có ý nghĩa lớn trong việc nghiên cứu lực cản và giảm lực cản tàu thủy nhằm giảm chi phí khai thác, tiết kiệm năng lượng và giảm khí thải. Một trong những phương pháp hiệu quả và khả thi là tạo bọt khí, hứa hẹn nhiều tiềm năng trong ứng dụng thực tế.

1.1. Khái Niệm Cơ Bản về Lớp Biên và Lực Cản 45 ký tự

Lớp biên là một vùng mỏng chất lỏng sát bề mặt vật thể, nơi ma sát nhớt chiếm ưu thế. Lực cản là lực chống lại chuyển động của vật thể trong chất lỏng, bao gồm lực cản nhớt và lực cản áp suất. Nghiên cứu lớp biên và lực cản là nền tảng để tìm ra các phương pháp giảm ma sát bề mặt tàu thủy và nâng cao hiệu quả hoạt động. Các phương trình Navier-Stokes và Reynolds mô tả chuyển động của chất lỏng, cung cấp công cụ toán học để phân tích và dự đoán lực cản.

1.2. Tổng Quan Về Phương Pháp Tạo Bọt Khí 47 ký tự

Phương pháp tạo bọt khí là một kỹ thuật đầy hứa hẹn để giảm lực cản nhớt tàu thủy. Bằng cách phun các bọt khí nhỏ dưới đáy tàu, một lớp đệm khí được tạo ra, làm giảm diện tích tiếp xúc trực tiếp giữa vỏ tàu và nước. Điều này làm giảm đáng kể ma sát bề mặt tàu thủy và lực cản nhớt. Hiệu quả của phương pháp phụ thuộc vào kích thước bọt khí, lưu lượng khí phun và hình dạng thân tàu. Nghiên cứu của tác giả sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa các yếu tố này để đạt được hiệu quả giảm lực cản cao nhất.

II. Vấn Đề Lực Cản Nhớt Thách Thức Tiết Kiệm Năng Lượng 58 ký tự

Hiện nay, 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. Tuy nhiên, 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 tàu thủy và khả năng ứng dụng phương pháp đó trong thực tế khai thác tàu thủy. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong bối cảnh giá nhiên liệu tăng cao và yêu cầu về bảo vệ môi trường ngày càng khắt khe.

2.1. Ảnh Hưởng Của Lực Cản Nhớt Đến Hiệu Suất Tàu 48 ký tự

Lực cản nhớt là một thành phần đáng kể của tổng lực cản tàu thủy, đặc biệt ở tốc độ thấp và trung bình. Nó trực tiếp ảnh hưởng đến công suất cần thiết để duy trì tốc độ, dẫn đến tiêu thụ nhiên liệu cao hơn và phát thải khí nhà kính lớn hơn. Việc giảm lực cản nhớt có thể mang lại lợi ích kinh tế và môi trường đáng kể. Luận án này sẽ tập trung vào việc nghiên cứu và đánh giá hiệu quả của phương pháp tạo bọt khí trong việc giảm ma sát vỏ tàu.

2.2. Tại Sao Nghiên Cứu Này Quan Trọng Với Việt Nam 49 ký tự

Mặc dù phương pháp tạo bọt khí đã được nghiên cứu và ứng dụng ở một số quốc gia, nhưng nó chưa được nghiên cứu sâu rộng tại Việt Nam. Với sự phát triển của ngành đóng tàu trong nước, việc nghiên cứu và áp dụng các công nghệ tiên tiến để tiết kiệm nhiên liệu tàu thủy trở nên cấp thiết. Nghiên cứu này sẽ cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn cho việc ứng dụng phương pháp tạo bọt khí giảm ma sát tàu thủy vào các tàu đóng mới và tàu đang khai thác, góp phần nâng cao năng lực cạnh tranh của ngành đóng tàu Việt Nam.

III. Phương Pháp Tạo Bọt Khí Giảm Lực Cản Nhớt Hiệu Quả 59 ký tự

Hiện nay trên thế giới có rất nhiều phương 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. Việc ứng dụng phương pháp tạo bọt khí tạo ra một lớp khí giữa vỏ tàu và nước, làm giảm đáng kể ma sát bề mặt tàu thủy. Luận án 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 lần đầu cho việc mô phỏng của phương pháp giảm lực cản tàu bằng phun khí ở Việt Nam.

3.1. Mô Phỏng CFD Dòng Chảy Quanh Tàu Với Bọt Khí 51 ký tự

Sử dụng phần mềm ANSYS FLUENT, chúng tôi xây dựng mô hình 3D của thân tàu và tiến hành mô phỏng dòng chảy bao quanh tàu khi có và không có bọt khí. Mô hình bao gồm các phương trình bảo toàn khối lượng và động lượng, cũng như mô hình rối phù hợp. Kết quả mô phỏng cho phép chúng tôi phân tích chi tiết sự phân bố áp suất, vận tốc và hệ số ma sát trên bề mặt vỏ tàu, từ đó đánh giá hiệu quả giảm lực cản của phương pháp tạo bọt khí.

3.2. Thực Nghiệm Phun Khí Vào Lớp Biên Đáy Tàu 46 ký tự

Để kiểm chứng kết quả mô phỏng, chúng tôi tiến hành thực nghiệm tại bể thử mô hình tàu thủy. Mô hình tàu được trang bị hệ thống phun khí dưới đáy, cho phép điều chỉnh lưu lượng khí phun. Lực cản của tàu được đo bằng lực kế chính xác. Kết quả thực nghiệm cho thấy sự phù hợp với kết quả mô phỏng, khẳng định tính khả thi của phương pháp tạo bọt khí giảm ma sát vỏ tàu.

IV. Ứng Dụng Thực Tế Đánh Giá Tiềm Năng Tiết Kiệm Nhiên Liệu 59 ký tự

Kết quả nghiên cứu được kiểm chứng bằng thực nghiệm tại Phòng thí nghiệm trọng điểm: Bể thử mô hình tàu thủy thuộc Viện khoa học công nghệ tàu thủy Việt Nam đã khẳng định tính khả thi và ý nghĩa khoa học không nhỏ của việc giảm lực cản tàu vận tải bằng phương pháp tạo bọt, đồng thời góp phần củng cố luận cứ khoa học cho quá trình công nghệ đóng tàu, sử dụng hiệu quả và khai thác tàu trong tương lai tại Việt Nam. Điều này có ý nghĩa lớn trong việc tiết kiệm nhiên liệu tàu thủy và giảm phát thải khí nhà kính.

4.1. Phân Tích Hiệu Quả Kinh Tế Của Phương Pháp 49 ký tự

Việc áp dụng phương pháp tạo bọt khí giảm ma sát tàu thủy có thể mang lại lợi ích kinh tế đáng kể thông qua việc tiết kiệm nhiên liệu. Chúng tôi tiến hành phân tích chi phí - lợi ích để đánh giá tiềm năng tiết kiệm chi phí nhiên liệu trong quá trình khai thác tàu. Kết quả cho thấy rằng, với mức giảm lực cản đạt được, thời gian hoàn vốn đầu tư cho hệ thống tạo bọt khí là tương đối ngắn.

4.2. Đề Xuất Cho Tàu Hàng Vận Tải Lớn Tại Việt Nam 52 ký tự

Kết quả nghiên cứu cho thấy phương pháp tạo bọt khí đặc biệt hiệu quả đối với tàu hàng vận tải lớn. Chúng tôi đề xuất việc triển khai thử nghiệm phương pháp này trên các tàu đóng mới hoặc tàu đang khai thác tại Việt Nam để đánh giá hiệu quả thực tế và tối ưu hóa các thông số kỹ thuật. Việc này sẽ góp phần nâng cao năng lực cạnh tranh của ngành vận tải biển Việt Nam.

V. Kết Luận Tạo Bọt Khí Hướng Đi Mới Cho Ngành Đóng Tàu 58 ký tự

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 trực tiếp ảnh hưởng của bọt khí tới giảm lực cản tàu vận tải, mở ra khả năng ứng dụng nghiên cứu khả năng giảm lực cản nhớt khi thay đổi cấu trúc lớp biên. 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.

5.1. Tổng Kết Về Hiệu Quả Giảm Lực Cản Đạt Được 53 ký tự

Nghiên cứu đã chứng minh được hiệu quả của phương pháp tạo bọt khí trong việc giảm lực cản nhớt tàu thủy. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm đều cho thấy sự giảm lực cản đáng kể khi áp dụng phương pháp này. Mức giảm lực cản cụ thể phụ thuộc vào các thông số như lưu lượng khí phun, kích thước bọt khí và hình dạng thân tàu.

5.2. Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Về Bọt Khí Và Tàu Thủy 54 ký tự

Nghiên cứu này mở ra nhiều hướng nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực giảm lực cản tàu thủy bằng phương pháp tạo bọt khí. Các hướng nghiên cứu tiềm năng bao gồm: tối ưu hóa hình dạng và vị trí các lỗ phun khí, nghiên cứu ảnh hưởng của các loại vật liệu vỏ tàu giảm ma sát, và phát triển các hệ thống điều khiển tự động để điều chỉnh lưu lượng khí phun theo điều kiện vận hành thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 đến lớp biên phát triển trên bề mặt vật thể, hệ số lực cản là tổng của hệ số lực cản hình dạng và hệ số cản ma sát của lớp biên. Một số công thức tính hệ số lực cản được trình bày trong tài liệu [1] và [2].2 Thành phần lực cản của vật ngập chuyển động trong chất lỏng Lực cản của vật thể thông thường có hai thành phần [1], do ma sát trong lớp biên   gây nên P và do phân bố của áp suất trên bề mặt vật cản gây nên P  ms  ap Trong dòng phẳng, ta có: P  P ms  P ap (1.9) Khi vật rắn nằm trong dòng chảy, nó sẽ gây ra các kích động.

Do đó trong lớp biên, các thông số của dòng chảy sẽ thay đổi. Phân bố áp suất và phân bố lực ma sát trên mặt vật phụ thuộc vào hình dạng, vị trí vật thể trong dòng chảy, vận tốc ở vô cùng khi dòng chưa bị kích động. Chúng được đặc trưng bằng các hệ số lực cản áp suất C P và hệ số lực cản ma sát C F C x  CP  CF (1.10) Với vận tốc dòng nhỏ, tính nén thực tế không có tác dụng, khi đó ảnh hưởng chính đến hệ số lực cản là hình dạng vật cản và số Reynolds. Sự thay đổi cấu trúc của lớp biên và trạng thái chảy trong lớp biên có ảnh hưởng lớn đến lực cản ma sát.

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  ms < P ap ). Với các vật thể dạng cánh, tấm phẳng …, lực cản có thể tính theo công thức sau: P  P ms 1  k  (1.3 LỰC CẢN TÀU THỦY 1.1 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. 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   các lực trên bề mặt của tàu bao gồm lực chính R và mô men chính M. Chiếu véctơ  chính của lực R lên các trục toạ độ ta được Rx ; Ry ; Rz lần lượt là lực cản chuyển động, lực dạt ngang, lực nâng của tàu.13)    trong đó: r - véctơ bán kính của d đối với tâm quy chiếu đã chọn. 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.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. 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. 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 nó chiếm khoảng (1  3)% lực cản toàn bộ của tàu. Rx  RV  RW  R (1.16) d AP A AA  Rx  R  RVP  RW  R R R (1.17) F AP A AA trong đó : RW - 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.

R - Lực cản bổ sung do ảnh hưởng các phần nhô, độ nhám bề mặt thân tàu, d 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. Tổng quan nghiên cứu lớp biên - lực cản 13 R - Lực cản do các phần nhô ra khỏi lớp biên phá hủy đặc tính dòng chảy AP bao quanh thân tàu, thuộc bề mặt ngâm nước của tàu như: ky đuôi, ky hông, vây giảm lắc, bánh lái, giá đỡ trục chân vịt và trục chân vịt… R - Lực cản do độ nhám bề mặt - hậu quả của các đặc trưng vật lý và phương A pháp gia công bề mặt. Thành phần này được tính toán bằng các phương pháp đặc biệt, liên quan đến tính chất ảnh hưởng của điều kiện khai thác tàu và không tồn tại trong điều kiện thực nghiệm mô hình tàu.

R - Lực cản không khí là phản lực khí động của dòng không khí trên bề mặt AA khô thân tàu (thượng tầng và lầu, các cột, các ống, dây chằng, dây buộc, 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.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 1.1 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: 1.1 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]). Tổng quan nghiên cứu lớp biên - lực cản 14 Điều khiển lớp biên nhằm giảm lực cản Giảm lực cản nhớt Giảm lực cản hình dáng Tầng hóa Giảm Bề mặt Cải thiện Hút Thổi Điện lớp biên ma sát rối dao động tuyến hình hướng pháp hướng tiếp Từ trường Tăng độ béo Dao động Dao động Bề mặt Tạo lớp phù Tăng độ béo profil vận Tạo lớp chất lỏng có tính profil vận tốc áp suất áp suất dao động bề mặt tốc hoặc tăng chiều chất khác hoặc bọt khí Giảm chiều dày dày lớp biên lớp biên Giảm chiều dày Chất lớplỏng biên có tính chất không Chất lỏng có tính chất thay Điện Thổi chất lỏng Giảm Thổi Màng Phản ứng Làm Sủi đổi theo chiều dày lớp biên đổi theo chiều dày lớp biên từ trường cùng loại độ nhám sủi hóa học mát bọt Gradien Hút Điện Làm Đưa chất Chất Tạo lớp chất lỏng Thổi Chất lỏng Chất lỏng Nhân Tự áp suất từ nóng lỏng có độ lỏng phi với tính chất khác khí phi Newton khác tạo nhiên âm trường bề mặt nhớt khác Newton Hút phân bố Hút theo màng Hút theo khe Hình 1.6 Điều khiển lớp biên giảm lực cản tàu Chương 1. Tổng quan nghiên cứu lớp biên - lực cản 15 Khi số Reynolds lớn, dòng chảy bao quanh thân tàu là rối hoàn toàn nên có thể dùng phương pháp nhân tạo tầng hóa lớp biên, bằng cách tạo ra những hình dạng đặc biệt cho tàu thủy mà ở đó trên phần lớn chiều dài tàu có sự sụt giảm áp suất.