Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
Sự biến mất của khoang khí/hơi có thể sinh ra xung áp lực lớn trong chất lỏng tại vị trí khoang khí/hơi đóng kín

Sự biến mất của khoang khí/hơi có thể sinh ra xung áp lực lớn trong chất lỏng tại vị trí khoang khí/hơi đóng kín

Tải bản đầy đủ - 0trang

18



a)



b)



Hình 1.11. Chân vịt có thiết kế hình dạng cánh đặc biệt (hình a) và cơ chế hình thành

khoang khí/hơi tự nhiên (hình b)

1.3.2. Ngư lơi siêu khoang

Ngư lơi VA-111 Shkval do Nga chế tạo hiện nay là ngư lôi có tốc độ nhanh nhất

thế giới nhờ ứng dụng kỹ thuật tạo khoang khí/hơi trong q trình phóng (xem Hình

1.12 dưới đây [60]).



a)



b)



Hình 1.12. Ngư lơi VA-111 Shkval sử dụng kỹ thuật hình thành khoang khí/hơi nhân

tạo (a – Ngư lôi VA-111 Shkval; b – Đầu tạo khoang khí)

1.3.3. Giảm lực cản cho thân tàu thủy

Trong một số trường hợp, khoang khí/hơi có thể giúp giảm lực cản do ma sát

của thân tàu với chất lỏng xung quanh. Với khả năng giảm lực cản bề mặt đáng kể,

khoang khí/hơi nhân tạo đang được quan tâm nghiên cứu ứng dụng trong việc giảm

lực cản cho thân tàu với những túi khí lớn dưới đáy tàu (xem Hình 1.13 dưới đây).



Hình 1.13. Khoang khí/hơi giúp giảm lực cản dưới thân tàu



19



1.4. Một số yếu tố ảnh hưởng đến chuyển động của vật thể dưới nước

1.4.1. Lực cản đối với vật thể chuyển động trong lòng chất lỏng

Lực cản FD tác dụng lên vật thể chuyển động trong lòng chất lỏng gồm hai

thành phần: lực cản do chênh áp (FD- apsuat) và lực cản do ma sát (FD-masat). Trong đó, lực

cản chênh áp xuất hiện do chênh lệch áp suất giữa hai điểm phía trước và phía sau của

bề mặt vật thể trên phương chuyển động. Lực cản do ma sát xuất hiện do sự tiếp xúc

của chất lỏng và bề mặt vật thể. Biểu thức (1.7) dưới đây biểu thị lực cản tổng FD tác

dụng lên vật thể khi chuyển động trong lòng chất lỏng:

(1.7

)



FD = FD-apsuat+ FD-masat



Trong q trình chuyển động dưới nước, với những hình dạng khác nhau, lực

cản do áp suất và lực cản do ma sát có thể chiếm tỉ lệ khác nhau. Bảng 1.1 dưới đây

mô tả về mức độ ảnh hưởng của các thành phần lực cản ở một số dạng vật thể đơn

giản.

Bảng 1.1. Tỉ lệ của các thành phần lực cản so với lực cản tổng FD của dòng chảy tác

dụng lên một số dạng vật thể

Dạng vật thể



Tỉ lệ % lực

cản thành

phần so với

lực cản tổng

%FD- apsuat/FD

%FD- masat/FD



0%



~10%



~90%



100%



~90%



~10%



100%

0%



Từ bảng 1.1 ta có thể thấy, vật thể càng có chiều dài lớn so với chiều rộng thì

càng có thành phần lực cản xung quanh lớn. Trong thực tế, rất nhiều phương tiện hay

vật thể di chuyển dưới nước đều có chiều dài lớn tương đối lớn so với kích thước của

vật thể. Do vậy, giải quyết được vấn đề giảm lực cản xung quanh sẽ giúp ích đáng kể

cho việc giảm tiêu hao nhiên liệu cũng như điều khiển chuyển động của các vật thể

hay phương tiện làm việc dưới nước.

1.4.2. Sự ăn mòn bề mặt khi vật thể chuyển động ở vận tốc cao

Ở những ứng dụng có vận tốc tương đối giữa chất lỏng và vật thể, sự ăn mòn do

xâm thực diễn ra mạnh có thể làm hư hại đáng kể tới cấu trúc hay bề mặt của vật thể

[17]. Để hạn chế xảy ra ăn mòn, việc tối ưu bề mặt sẽ giúp giảm bớt nhưng khơng thể

triệt để vì ngày nay, các phương tiện làm việc dưới nước ngày càng gia tăng về tốc độ

di chuyển nên nguy cơ về ăn mòn do xâm thực khơng thể loại bỏ hồn tồn.



20



Ngày nay, những ứng dụng của dòng chảy có khoang khí/hơi sẽ có tác dụng giúp

giảm thiểu ảnh hưởng của lực cản, cũng như ăn mòn do xâm thực xảy ra [17].



21



1.5. Tình hình nghiên cứu hiện nay

1.5.1. Nghiên cứu thực nghiệm

Việc nghiên cứu thực nghiệm dòng chảy khoang khí có vai trò quan trọng trong

việc tìm hiểu đo đạc dòng chảy khoang khí và những yếu tố ảnh hưởng đến hình dạng,

kích thước, khả năng hình thành cũng như làm sao để điều khiển được khoang khí như

y muốn. Những số liệu đo đạc thực nghiệm sẽ giúp bổ sung, kiếm chứng những kết

quả nghiên cứu ly thuyết và mơ phỏng số. Để đo đạc thực nghiệm dòng chảy khoang

khí, các vật thể tạo khoang khí thường được đặt trong ống thủy động. Nhờ đó, có thể

đo đạc được các tham số dòng chảy một cách đầy đủ và dễ dàng. Các thơng số của

dòng chảy được quan tâm chủ yếu là: tốc độ dòng chảy, lưu lượng dòng khí phun vào,

áp suất trong chất lỏng, áp suất trong khoang khí và kích thước khoang khí. Để đo đạc

được những thông số này, phương pháp đo đạc thích hợp cần phải được áp dụng. Các

mục dưới đây trình bày một số công cụ nghiên cứu hiện nay và phương pháp đo đạc có

thể áp dụng cho dòng chảy có khoang khí.

1.5.1.1. Những cơng cụ nghiên cứu thực nghiệm chính

Để nghiên cứu hệ dòng chảy có khoang khí/hơi quanh vật thể chuyển động dưới

nước, hai công cụ chính được sử dụng là Kênh hay Ống Thủy động và Bể quan sát vật

chuyển động. Kênh/ống thủy động được dùng cho các nghiên cứu mà vật thể sẽ được

gắn cố định vào phần ống quan sát của hệ, chất lỏng sẽ được máy bơm đẩy đi và hình

thành nên dòng chảy quanh vật thể. Trong khi đó, với bể quan sát. Chất lỏng sẽ được

đổ đầy bể quan sát và vật thể được bắn đi bằng các loại máy phóng khác nhau. Mỗi

cơng cụ có một diểm mạnh riêng cho từng trường hợp nghiên cứu. Dưới đây trình bày

một số hệ thí nghiệm đang được sử dụng hiện nay.





Kênh/ống thủy động



Hình 1.14 [58] và 1.15 dưới đây là một số mô hình ống thủy động đã được sử

dụng làm thí nghiệm quan sát dòng chảy. Mơ hình này có độ cao tương đương một tòa

nhà 10 tầng, có máy bơm tuần hoàn chạy bởi một động cơ 14000 Hp (1Hp = 0.736

kW) [58]. Hình 1.15 là mơ hình thí nghiệm cỡ nhỏ được xây dựng tại Viện Cơ học,

Việt Nam năm 2016.



22



Hình 1.14. Mơ hình ống thủy động kích cỡ lớn của Hải qn Mỹ



Hình 1.15. Mơ hình hệ ống thủy động tại Viện Cơ học xây dựng năm 2016

Ưu điểm của phương pháp này là kiểm soát được vận tốc. Mặt khác nhược điểm là

khá cồng kềnh và phức tạp, kinh phí tốn kém, khó nghiên cứu được trong phòng thí

nghiệm nhỏ, phải sử dụng máy bơm công suất lớn và vật thể chỉ gắn cố định.

Đối với các hệ ống thủy động, việc nghiên cứu dòng chảy có khoang khí/hơi có ưu

điểm là dễ quan sát, theo dõi sự biến đổi của khoang khí/hơi do vật thể không di

chuyển. Tuy nhiên, khi nghiên cứu những ứng xử của vật thể khi chuyển động trên quỹ

đạo thì sẽ gặp nhiều khó khăn. Ngồi ra, việc điều khiển dòng chảy cần phải phù hợp

và hạn chế những ảnh hưởng do hệ đường ống, máy bơm gây ra.



23





Hệ bể nước quan sát vật thể di chuyển tự do



Để có thể nghiên cứu ứng xử của vật thể và khoang khí/hơi khi vật thể di chuyển

trong chất lỏng. Những hệ bể nước đã được sử dụng. Trong những hệ bể nước này, vật

thể sẽ được bắn đi theo phương ngang (xem Hình 1.16 dưới đây [31]) hoặc phương

thẳng đứng (xem Hình 1.17 dưới đây [21]). Thông thường, trong các hệ bể nước này,

vật thể được bắn đi và di chuyển một cách tự do trong chất lỏng và hiện tượng nghiên

cứu thường là khoang khí/hơi tự nhiên khi vật thể đi từ ngoài không khí vào chất lỏng.

Cần phải sử dụng những camera tốc độ cao để ghi lại chuyển động và sự hiện diện của

khoang khí/hơi xung quanh vật thể. Dưới đây là một số hệ bể nước đã được xây dựng

tại một số nước trên thế giới.



Hình 1.16. Sơ đồ hệ thí nghiệm quan sát vật thể đi trong chất lỏng Ukraina (1990)



Hình 1.17. Sơ đồ hệ thí nghiệm quan sát vật thể đi từ không khí vào nước ở Trung

Quốc (2014)



24



Hình 1.18. Hệ thí nghiệm quan sát quỹ đạo chuyển động của vật tại Việt Nam

(IMECH, 2014)

Với các hệ bể nước, chất lỏng đứng yên và vật thể chuyển động nên các yếu tố

của dòng chảy trong ống thủy động được hạn chế. Tuy nhiên, vận tốc di chuyển của

vật thể lớn nên tốc độ ghi hình của camera ảnh hưởng rất nhiều tới dữ liệu quan trắc

được. Ngoài ra, để quan sát được chuyển động ba chiều của vật thể, cần phải sử dụng

tối thiểu 2 camera trở lên. Chi phí của camera tốc độ cao là một vấn đề phải xem xét

khi xây dựng những hệ thí nghiệm như vậy.

1.5.1.2. Một số kỹ thuật hình thành khoang khí/hơi nhân tạo

Một số nghiên cứu đã quan tâm đến các cách hình thành khoang khí/hơi khác

nhau. Hình 1.19 a) [49] và b) [22] dưới đây minh họa một số cách tạo khoang khí/hơi

đã được nghiên cứu trong một số nghiên cứu.

a)



b)

Hình 1.19. Mơ tả dòng chảy khoang khí/hơi hình thành theo các cách khác nhau (a –

Khác nhau về vị trí lỗ phun; b – Khác nhau về hướng dòng khí được phun ra)



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Sự biến mất của khoang khí/hơi có thể sinh ra xung áp lực lớn trong chất lỏng tại vị trí khoang khí/hơi đóng kín

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×