49 Ch ơng4 Lựccảnkhitàuchuyển độngtrong n ớccạn vàkênh đào Sự thay đổilựccảncủatàunộiđịakhichạytrong n ớccạnsẽđánhgiá đ ợc ảnh h ởng của chiều sâu luồng lạch tới lực cản. nh h ởngdosựhạnchế củachiềusâuluồnglạch đ ợc đặctr ngbằngtỉsốH/T hoặcH/L(trong đó Hlàchiềusâuluồnglạch).Cácchuẩn đồngdạngcóliênquan đến chiềusâuhạnchế là số Fr H =v/ gH là thôngsốmàkhitàuchuyển độngtrong n ớc cạn phụ thuộc vào nó. Chiềusâuluồnglạchcóảnh h ởngtớilựccảnnhớtvàlựccảnsónghìnhthànhlớp biêndọcđáysônglàmtănglựccảnmasát, đồngthờilựccảnhìnhdángcũngtăng thêm. ĐặcbiệtkhiH/T=2,0 1,5lựccảnnhớttănglênrõrệt,kếtquả nàyrútratừviệc thử mô hình tàu cỡ lớn trong bể thử (Xem H4.1) Hình 4.1. Lực cản nhớt phụ thuộc vào chiều sâu luồng lạch. Dochiềusâuhạnchế nênlựccảnsóngcũngthay đổi đángkể.Vớivậntốctruyền sóngtiếnnh nhau,thì chiềudàicủacácsóngtiếntrên n ớc cạn lớn hơn trên n ớc sâu, nên lực cản sóng n ớc cạn lớn hơn n ớc sâu. Khi tỉ số H/ bé thì vận tốc truyền sóng tới hạn đ ợc kí hiệu là v th . gHv th ; ứng với Fr H = 1 Nếu gHv th gọi là vận tốc tr ớc tới hạn Nếu gHv th gọi là vận tốc sau tới hạn. *Khi gHv th Fr H <1,0thì chiềudàisóng chỗ n ớcnônglớnhơnchỗ n ớc sâu, làm quạt sóng mở rộng (Xem H4.2.a) Bêntráimặtphẳng đốixứnglàsơđồ sóngbảnthân ở chỗ n ớc sâu H = , còn bên phảilàởchỗ n ớccạnkhicùngvậntốcv,làmtăngdiệntíchmặtthoángmàsóngbao phủ, dẫn tới làm tăng vận tốc cảm ứng tăng chiều cao sóng nên lực cản sóng tăng thêm. 50 Hình 4.2. Sơ đồ sóng bản thân khi tàu chuyển động trong vùng n ớc cạn. *Khi gHv th Fr H 1. Gócgiữa s ờnsóngngangchéothuộcnhómmũivànhóm đuôitạovớimặtphẳng đốixứngcủatàumộtgócgần90 o và cả haihệsóngvềcơbảndồnthànhhaisóng ngang (Xem H4.2.b). KhiH/Tbésóngmũicóbiên độđángkểlàmtăng độtngộtlựccảnsóng,cácsóng ngangnày đ ợcxếpvàoloại đơn,cácsóng đơnchỉ sinhramộtlầnkhôngphảitiêutốn năng l ợng để duytrì nó và sóngnàycóthể lantruyềnvềphíatr ớctàu.KhiH<L/2 thì thấysóngnàyxuấthiệnrõnhất,tuynhiênsựthay đổicủalựccảnsóngvẫnthấyrõ ngay cả khi H > L/2 nhất là trong khu vực 0,4 < Fr < 0,6. *Khi gHv th Fr H > 1,0 Vậntốctàucaohơnvậntốctớihạn,lúcnàycácsóngngangbiếnmất,màchỉ còn lạicácsóngchéo.Vậntốctruyềnsóngchéovuônggócvới s ờncủanó(s ờncủasóng chéo tạo với mặt phẳng đối xứng góc B ). (Xem H4.2.c) vcos(90 o - B ) gH (4.1.1) nghĩa là sin B 1/Fr H (4.1.2) Khichuyển độngsaugiớihạnquạtsóngchỉ chứacácsóngchéovàchiềurộng quạtgiảmdầnkhivậntốctănglênvớiFr H >3nórấthẹpsovớidải n ớcsâu.Việcbiên mấtcácsóngngangvàvùngsóngbaophủ thuhẹpvàosátthànhtàudẫnđếnviệcgiảm lực cản sóng, lực cản đó nhỏ hơn so với chỗ n ớc sâu. nh h ởng của chiều sâu hạn chế đến lực cản (Xem H4.3) Hình 4.3. Lực cản d phụ thuộc chiều sâu luồng lạch. 51 NếuH/T=31hệsốlựccản d củatàu C R trongvùng n ớccạn t ơngtựnh vùng n ớc sâu vô hạn. Songsongvớilựccản, t thế củatàukhichuyển độngtrong n ớccạncũngbịthay đổi đángkể.Trênhình4.4môtảcác đ ờngcongnóilênsựthay đổigócchúi o và chiều chìm t ơng đối T tb /T Hình 4.4. Sự thay đổi góc chúi và chiều chìm t ơng đối cho tàu sông cao tốc chạy trong n ớc cạn. Sự thay đổi đó sẽđángkểkhitàuchạygầnvùngvận tốc giới hạn, nghĩa là khi hình thành sóng đơn có Fr 1. Hiện t ợngnàynguyhiểmdotàuvavàođáysôngquacácbãibồi.Sauvậntốctới hạn thì góc chúi giảm dần. Kênh đào có thể chia thành: -Kênh n ớc sâu -Kênh n ớc cạn. Khitàuchạytrongkênh đàocóchiềusâuvôhạn,nó t ơngtựnh chạytrongvịnh hẹpnh ngsâu(fiord).Trongtr ờnghợpnàychỉ xét ảnh h ởngcủasựhạnchế của chiềurộngcủavùng n ớcsâutớilựccản.Cácthànhkênhhẹplàmphảnxạcácsóng chéovàhắtcácsóng đó lênthântàu,do đó làmxuấthiệnsựgiaothoacủacáchệsóng, gây ảnh h ởng tới lực cản sóng. Trongcáckênhrộngcácsóngphảnxạkhôngtruyềntớithântàunh ngdùsaocác vậntốccảm nứgbổsungbởicácthànhkênhvẫnlàm*phânbốlạiápsuấtsóngnên vẫn làm thay đổi lực cản sóng. Trênhình4.5trìnhbàycáchệsốlựccảnsóngcủacácmôhìnhchuyển độngtrong kênh n ớc sâu hứng hẹp ở 0, 35 < Fr < 0,55 Hình 4.5. Hệ số C W phụ thuộc Fr và b/B. 52 Ngoàitỉsốb/B,H/Tcòncóthôngsốbổxungkhichạytrongkênhcạnlà K F , trong đó , F K t ơng ứng là diện tích s ờn giữa và diện tích mặt cắt kênh. Cáchiện t ợngxảyratrongkênhcạn t ơngtựnh trong n ớccạn nh ng còn thêm mộtloạtcáctínhchấtbổxung đó là xuấthiệntrongvùngtàunằmvàmộtkhoảngtr ớc tàu dòng chất lỏng có vận tốc v. Khivậntốctàulớnhơn v 1 (v 1 là vậntốctớihạnthứ nhất)thì vậntốcv h ớngvề phíang ợcchiềuvớichiềuchuyển độngcủatàu,nghĩalàxuấthiệndòng n ớcng ợc làm tăng thêm vận tốc trung bình của dòng bao. Khivậntốctàulớnhơn v 2 (v 2 là vậntốctớihạnthứ hai)xuấthiệndòng n ớcbổ xungvớivậntốc(-v) h ớngtheochiềuchuyểndộngcủatàutạonêndòngtheonhỏ hơnvậntốc t ơng đốicủadòngbaotàu.Vùngvậntốc v 1 <v< v 2 gọilàvùngvậntốc tớihạn,dòngbaotàutrongvùngnàykhông ổn địnhvàcótínhchấtphứctạp,sựxuất hiệndòng n ớcbổxunglàmthay đổilựccảnnhớtcủatàuvà t thế tàu,chínhlàsự thay đổi chiều chìm và góc chúi. Hình 4.6. Lực cản mô hình tàu khi H/T =4. 1. Trong n ớc sâu 2. trong n ớc cạn 3. trong kênh đào Khiv < v 1 mực n ớc bị hạ thấp do dòng ng ợc. Khiv < v 2 mực n ớc dâng cao. Vận tốc v phụ thuộc K F , hình dáng thân tàu, hình dáng mặt cắt kênh. TrongvùnggầngiớihạnlựccảntăngthêmlàdolựccảnnhớttăngcònkhiFr H > 0,5 do lực cản sóng tăng. Khivậntốcgần v 1 phảihạnchế vậntốctàuchạytrongkênhvàth ờnglấyv< 0,55 gH . Saukhi v ợtqua v 1 lựccảnvẫntiếptụctăngnh ngkhôngmạnh,tàubắtđầunổi lêntừtừsovới t thế tĩnh.Quá trình đó kếtthúctrongvùngthuộcvậntốctớihạnthứ hai, sóng gối đơn phát triển nơi mà lực cản đạt cực đại. Khi v ợtqua v 2 gối n ớcmũitàuvàsóng đơnbiếnmấtvàquanhtàuchỉ cònlại sóng chéo, vớivận tốc v 3 nào đó lực cản sẽ có giá trị nhỏ nhất. Trongvùng v 2 và v 3 hình ảnhdòngbaotàuvà t thế tàukhông ổn định.Khiv> v 2 chiềucaosóngkhônglớn, độ chúitừtừgiảm,giảithíchhiện t ợngnàylàdocácsóng ngang biến mất. Trị số v 1 , v 2 và v 3 phụ thuộc vào K F , H/T, hình dáng mặt cắt kênh. 53 Dùngkênhthí nghiệmcómặtcắtnganghìnhthang,lòngváthìnhchảovới K F khácnhau,vậntốctàugầntớihạnthì kếtquả chorằngkênhhìnhchữ nhậtcho lực cản nhỏ hơn kênh hình thang khoảng 20 40%. Trongvùnggầnvậntốctớihạntàusẽchúi đuôi,lựcápsuấttácdụnglênđáytàu theo h ớng chuyển động lực này là R P , gần đúng đ ợc tính R P = D. Khitàukhôngnằmtrongmặtphẳng đốixứngcủakênhmàgầnmộtthànhkênhthì hình ảnhdòngbaotàuvàsóngbảnthânkhông đốixứng,hiện t ợng đó sẽ làmtănglực cảntrongvùnggầntớihạn, đồngthờiphátsinhlựcngang,lựcđó sẽáptàuvàothành kênh gần nhất, và trong vùng sau tới hạn sẽ đẩy tàu xa thành kênh đó. Tagiả thiếtrằng đangxétdòngbaotàuđứngyêntrongkênhvớimặtcắtngangcố định, chất lỏng đ ợc coi là không nhớt, dòng chảy trong mặt cắt là không đổi. Saukhiviếtph ơngtrìnhBécnulichocácđiểmnằmtrênmặtthoángxatr ớcthân tàuvà trong mặt cắt s ờn giữa các tàu (Xem H4.7) Hình 4.7. Sơ đồ dòng bao tàu trong kênh. gH + v 2 /2 = gH 1 + v c 2 /2 (4.3.1) Trong đó: H 1 = H H có xét đến l ợng biến thiên mặt n ớc. v c - vận tốc tại s ờn giữa. Ph ơngtrình l u l ợngchấtlỏngquamặtcắtkênhnằmxatr ớcthântàuvàmặt cắt tại s ờn giữa với chiều rộng kênh không đổi: vF K = v c ( F K - -bH) (4.3.2) Dựavào (4.3.1) ta tìm đ ợc l ợng biến thiên mặt n ớc trong vùng tàu nằm: H = (v c 2 - v 2 )/2g (4.3.3) Thayvào(4.3.2)tacóph ơngtrìnhbậcba để tínhvậntốcdòngchảytrongmặtcắt bị bó hẹp v c : v c 3 - v c [v 2 + 2g(F K - )/b] + 2gvF K /b = 0 (4.3.4) Phântíchph ơngtrìnhnàychothấytuỳ theotrị số củaFr H =v/ b/gF K trong đó F K /b = H tb khi /F K cố định. 54 Cácvậntốc v c có thể nhỏ hơnhoặclớnhơnvậntốcvnếunh trongvùngvậntốc v 1 <v< v 2 nơimàph ơngtrìnhkhôngchocácnghiệmcóýnghĩavậtlý, điều đó chứng tỏ trongvùngtớihạnđã chocáctiên đề vậtlýdùng để chứngminhkhông đúngvới /F K đã cho. A.M.Basin đã tínhcácvậntốc v 1 , v 2 theo /F K cáckếtquả tínhtoán đ ợcnêu trên hình 4.8, khi b nghĩa là chuyển động trong kênh cạn v 1 v 2 gH Hình 4.8. Các trị số Fr H1 = tb1 gHv và Fr H2 = tb2 gHv phụ thuộc vào /F K . . 49 Ch ơng4 Lựccảnkhitàuchuyển độngtrong n ớccạn vàkênh đào Sự thay đổilựccảncủatàunộiđịakhichạytrong n ớccạnsẽđánhgiá đ ợc ảnh h ởng của chiều sâu luồng lạch tới lực cản. nh h ởngdosựhạnchế. thuhẹpvàosátthànhtàudẫnđếnviệcgiảm lực cản sóng, lực cản đó nhỏ hơn so với chỗ n ớc sâu. nh h ởng của chiều sâu hạn chế đến lực cản (Xem H4.3) Hình 4. 3. Lực cản d phụ thuộc chiều sâu luồng lạch. 51 NếuH/T=31hệsốlựccản. 51 NếuH/T=31hệsốlựccản d củatàu C R trongvùng n ớccạn t ơngtựnh vùng n ớc sâu vô hạn. Songsongvớilựccản, t thế củatàukhichuyển độngtrong n ớccạncũngbịthay đổi đángkể.Trênhình4.4môtảcác đ ờngcongnóilênsựthay