Giáo trình

GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT KHAI THÁC 1

Science and Technology

Các lực thuỷ động tác dụng lên lưới

Tác giả: unknown

Áp lực thủy động do dòng chảy

Lực thủy động sẽ tự sinh ra một khi ngư cụ vận động trong nước hoặc do dòng nước di chuyển gặp phản ứng của ngư cụ. Độ lớn và hướng của dòng chảy quyết định khả năng chịu tải của ngư cụ, làm ảnh hưởng đến hình dáng và hiệu suất đánh bắt của ngư cụ. Ta cần nắm rõ các lực thủy động này cả về số lượng và chất lượng để phục vụ cho thiết kế lưới mới hoặc cải tiến ngư cụ hiện có.

Để có được các giá trị về mặt số học của các lực cản, lực thủy động, lực tổng quát tác động lên ngư cụ và để phân các lực này theo các thành phần véctơ của nó, thì các nhóm bộ phận ngư cụ cần được đặt trong dòng chảy có tốc độ biết trước trong các bể thí nghiệm. Trong mỗi trường hợp, một khi biết được lực cản của từng nhóm bộ phận ngư cụ thì các hệ số lực thủy động mới có thể được tính toán.

Hệ số thủy động (C)

Hệ số thủy động (C) là một hệ số không thứ nguyên, cung cấp những thông tin cần thiết trên cơ sở ảnh hưởng các tính chất vật lý của lưới (độ thô, kích thước mắt lưới, vật liệu, hệ số rút gọn,...) về phương diện lực thủy động tác dụng lên nó. Lưu ý là hệ số thủy động C chỉ có giá trị áp dụng khi ngư cụ ta muốn thiết kế nhất thiết phải đồng dạng với ngư cụ thí nghiệm.

Hệ số thủy động (C) được định nghĩa bởi công thức: C=RqSt size 12{C= { {R} over {q*S rSub { size 8{t} } } } } {} (2.6)

ở đây: R - là lực cản thủy động (kg)

q=ρ.V22 size 12{q= { {ρ "." V rSup { size 8{2} } } over {2} } } {} - là áp lực hãm thủy động (kg/m2)

ρ - là mật độ của nước ≈ 100 kg-s2/m4 (105 đối với nước biển)

V - là vận tốc chuyển động của ngư cụ trong nước, hoặc lưu tốc nước so với ngư cụ đứng yên (m/s)

St - là tiết diện của ngư cụ so với phương dòng chảy (m2).

Nếu hệ số thủy động C được biết trước (từ thí nghiệm mô hình), ta có thể dùng nó để tính lực cản thủy động lên từng bộ phận lưới theo công thức:

R = C. q. St (2.7)

Lưu ý là kết quả về lực cản thủy động chỉ đúng khi mà góc tống α (là góc hợp bởi phương dòng chảy và mặt phẳng chịu lực của ngư cụ) thì tương tự góc tống có được từ thí nghiệm mô hình.

Góc tống α

Trong thực tế, các hệ số thủy động C đều được đo ứng với một góc tống nhất định (H 1). Ta một biểu đồ hệ số thủy động C theo các góc tống α khác nhau (H 3).

Hệ số lực bổng (Ry) và hệ số lực cản ma sát (Rx)

Các loại lực thủy động phụ thuộc vào phương của lưới

Khi mặt tấm lưới trực giao đối với phương dòng chảy (H 2a), thì lưới chỉ phụ thuộc chủ yếu vào lực cản thủy động. Nếu mặt lưới song song với phương dòng chảy (H 2b) thì dọc theo bề mặt cúa nó sẽ phụ thuộc vào lực cản ma sát thủy động. Nếu lưới hợp với phương dòng chảy một góc tống α thì nó phụ thuộc cả hai vào lực cản thủy động và lực cản ma sát. Khi đó, tổng lực cản thủy động R có thể được diễn tả theo 2 thành phần là: lực cản ma sát (Rx) song song với phương dòng chảy; và lực bổng thủy động (Ry) trực giao với phương dòng chảy. Chính lực bổng Ry sẽ làm ảnh hưởng đến hình dáng của ngư cụ. Chẳng hạn, độ mở cao của túi lưới rùng hoặc của miệng lưới kéo sẽ tăng lên hay giảm xuống tùy thuộc vào sự thay đổi của lực bổng Ry. Lực bổng Ry thì phụ thuộc vào lưu tốc dòng chảy và góc tống α.

CxCy tương ứng là hệ số lực cản ma sáthệ số lực bổng thủy động. Các hệ số này có được nhờ qua thí nghiệm mô phỏng, trong đó:

Cx=Rxq size 12{C rSub { size 8{x} } = { {R rSub { size 8{x} } } over {q} } } {}Cy=Ryq size 12{C rSub { size 8{y} } = { {R rSub { size 8{y} } } over {q} } } {} (2.8)

Các hệ số Cx và Cy thì phụ thuộc vào góc tống α của tấm lưới. Tuy nhiên, nó cũng phụ thuộc vào tỷ số diện tích chỉ lưới chiếm chổ (Es) và các tính chất vật lý của dòng chảy biểu thị qua hệ số nhớt động học Reynolds (Re).

Hệ số lực cản ma sát (Cx) và hệ số lực bổng (Cy) phụ thuộcvào α

Tỷ số diện tích chỉ lưới (Es) và hệ số lọc nước (Ef) của tấm lưới

Tỷ số diện tích chỉ lưới (Es) là tỉ số giữa diện tích do chỉ lưới chiếm chổ trong tấm lưới trên diện tích mở thật sự của tấm lưới. Được tính như sau:

Es=StS=StU1.U2.So=StEu.S0=Ek.DtEu.a=DtEu.a1+Kk.Dt2a=KnEu size 12{E rSub { size 8{s} } = { {S rSub { size 8{t} } } over {S} } = { {S rSub { size 8{t} } } over {U rSub { size 8{1} } "." U rSub { size 8{2} } "." S rSub { size 8{o} } } } = { {S rSub { size 8{t} } } over {E rSub { size 8{u} } "." S rSub { size 8{0} } } } = { {E rSub { size 8{k} } "." D rSub { size 8{t} } } over {E rSub { size 8{u} } "." a} } = { {D rSub { size 8{t} } } over {E rSub { size 8{u} } "." a} } left (1+K rSub { size 8{k} } "." { {D rSub { size 8{t} } } over {2a} } right )= { {K rSub { size 8{n} } } over {E rSub { size 8{u} } } } } {} (2.9)

ở đây:

S - là diện tích thật sự của lưới, S = (U1.L)*(U2.H) = U1.U2.S0 =Eu.S0

(Eu = U1.U2 là hệ số sử dụng lưới; và S0 là diện tích giả của tấm lưới)

St - là diện tích phần chỉ lưới chiếm chổ, St=S0Dta1+KkDt2a=KnS0 size 12{S rSub { size 8{t} } =S rSub { size 8{0} } { {D rSub { size 8{t} } } over {a} } left (1+K rSub { size 8{k} } { {D rSub { size 8{t} } } over {2a} } right )=K rSub { size 8{n} } S rSub { size 8{0} } } {}

Kn được gọi là tham số của diện tích chỉ lưới, được tính theo biểu thức sau:

K n = D t a 1 + K k . D t 2a size 12{K rSub { size 8{n} } = { {D rSub { size 8{t} } } over {a} } left (1+K rSub { size 8{k} } "." { {D rSub { size 8{t} } } over {2a} } right )} {}

Ở đây Ek là tham số hiệu chỉnh diện tích:

Nếu độ thô của chỉ và kích thước mắt lưới là cùng đơn vị (theo mm) và diện tích St của tấm lưới cũng cùng đơn vị với diện tích giả S0 (theo m2). Khi đó thường người ta chọn: Ek ≈ 1,10 cho gút lưới dệt đơn và gút vuông; Ek ≈ 1,15 cho lưới gút đôi; và Ek ≈ 1,60 được áp dụng cho Dt/2a lớn (= 0,06).

Cụ thể: Kk = 10,1 cho lưới gút vuông; Kk = 9,7 gút đơn; và Kk = 14,8 gút dệt đôi.

Từ công thức (2.9) ta thấy, nếu lưới có hệ số rút gọn hoặc kích thước cạnh mắt lưới càng nhỏ hoặc độ thô chỉ lưới càng lớn thì tỉ số diện tích chỉ lưới Es càng lớn, sẽ làm cho lưới càng nặng và lực ma sát thuỷ động sẽ càng lớn.

Để thuận tiện cho tính toán tỉ số diện tích chỉ lưới (Es), người ta lập sẵn bảng tra tham số diện tích chỉ lưới Kn (Bảng 2.2) trên cơ sở độ thô và cỡ mắt lưới (Dt/a), được áp dụng với Kk = 9,7 là điển hình cho lưới gút đơn.

Bảng tra Kn theo độ thô và cỡ mắt lưới cho lưới gút đơn (Kk = 9,7)

Ta cũng có thể dựa vào đồ thị trong Hình 4 để tìm ra Kn cho lưới gút đơn và lưới kép vuông (Kk = 9,7 ≈ 10,1) và lưới gút kép (Kk = 14,8).

Đồ thị tra t ham số diện tích chỉ lưới K n theo tỉ số (D t /a)

Hệ số lọc nước (Ef) cũng có quan hệ với tỉ số diện tích chỉ lưới. Hệ số lọc nước liên quan đến phần diện tích trống thực sự cho nước chảy qua. Vì thế, nếu ta lấy tổng của diện tích phần chỉ lưới chiếm chổ cộng với diện tích trống dành thoát nước chính là diện tích thực tế của tấm lưới:

Ef = 1 – Es (2.10)

Hệ số lọc nước càng cao càng cho phép dòng chảy qua lưới càng nhanh. Vì vậy, hệ số lọc nước sẽ giúp ta nghiên cứu về các kiểu dòng chảy qua lưới, ngược lại tỉ số diện tích chỉ lưới sẽ giúp ta nghiên cứu về hình dáng và các lực thủy động.

Số Reynolds

Số Reynolds (Re) là một giá trị không có thứ nguyên, nó được lập ở trạng thái đơn giản khi vật thể vận động trong chất lỏng. Số Reynolds là tỉ số của lực quán tính với độ nhớt của chất lỏng, và được định nghĩa như là:

Re = L . V ν size 12{"Re"= { {L "." V} over {ν} } } {}

ở đây:

L - là một kích thước đại diện (m) của vật thể. Chẳng hạn, đối với vật thể hình khối hay hình phẳng thì nó là kích thước chiều dài thông thường; đối với hình cầu và hình trụ nó là đường kính.

V - là vận tốc tương đối (m/s) giữa vật thể và dòng chảy.

ν - là độ nhớt động học của môi trường chất lỏng (m2/s), (xem phụ lục 8)

Số Reynolds xét theo độ thô của chỉ sẽ là:

ReD=D.Vν size 12{"Re" rSub { size 8{D} } = { {D "." V} over {ν} } } {} (2.11)

ở đây: V - là lưu tốc dòng chảy (m/s); D - là độ thô của chỉ lưới (m); ν - là độ nhớt động học của chất lỏng (m2/s). Chú ý là độ thô chỉ lưới nên chuyển theo đơn vị mét.

Các kiểu lệ thuộc của lực cản thủy động của lưới vào số Reynolds được cho trong H.5 đối với α = 90o.

Hệ số lực cản ma sát như là một hàm của số Reynolds

Cần lưu ý rằng ảnh hưởng của số Reynolds chỉ có ý nghĩa chỉ khi số Re<500, bởi khi đó hệ số lực cản ma sát Cx sẽ tăng lên rất lớn (phần trái của các đường cong trong đồ thị H 2.8 có độ dốc rất lớn). Nhưng khi giá trị số Reynolds Re >500 thỉ hệ số lực cản ma sát Cx thay đổi không đáng kể (phần bên phải của các đường cong gần như nằm ngang) và được gọi là khu vực mô hình tự động.

Số Reynolds là tham số quan trọng nhất trong tính toán thủy động lực học, đặc biệt là khi tàu di chuyển trong nước. Tuy nhiên, thường đối với lưới và chỉ lưới thì số Reynolds Re > 500 nên ảnh hưởng của nó đối với các hệ số thủy động thì không có ý nghĩa (H 2.8) có thể bỏ qua.

Các đường cong của hệ số thủy động CxCy như là một hàm của góc tống α (H 2.6) là ứng với trường hợp của ReD = 6000 và Es = 0,046. Đối với các điều kiện này thì ảnh hưởng của Es và ReD thì ít hơn ảnh hưởng của góc tống α vì thế mà các đường cong trên được dùng để tính lực cản không chỉ cho lưới chỉ se ở trên mà còn có thể tính toán cho bất cứ loại chỉ lưới nào với Es và ReD khác nhau.

Phương pháp ước lượng xấp xĩ cho lực thủy động

  • Trong trường hợp thiếu giá trị các hệ số thủy động CxCy, lực cản thủy động R (kg) của một tấm lưới có thể tính theo công thức đơn giản sau:

R = Kh.Sn.V2 (2.12)

ở đây:

Sn - là diện tích mở thực tế của tấm lưới (m2);

V - là lưu tốc dòng chảy (m/s);

Kh - là hệ số kích thước thực nghiệm (kg-sec2/m4). Trong trường hợp này ảnh hưởng của hệ số rút gọn và số Reynolds được bỏ qua.

  • Đối với bề mặt tấm lưới trực giao với phương dòng chảy (α = 90o) và có hệ số rút gọn vừa phải (U ≈ 0,7), thì Kh 360Dt /a. Do đó:

R90=180.Dta.S.V2 size 12{R rSub { size 8{"90"} } ="180" "." { {D rSub { size 8{t} } } over {a} } "." S "." V rSup { size 8{2} } } {} (2.13)

  • Đối với mặt tấm lưới song song với phương dòng chảy (α = 0o) và tỉ số diện tích chỉ lưới ít có ảnh hưởng, thì Kh = 1,8. Khi đó:

R0 = 1,8 . Sn.V2 (3.14)

  • Đối với mặt tấm lưới hợp với dòng chảy một góc tống α nào đó, khi đó trước hết ta ước lượng lực thủy động cho R90 theo (2.13) và R0 theo (2.14) rồi ngoại suy giữa hai giá trị đó:

Rα=R0+(R90R0).α90 size 12{R rSub { size 8{α} } =R rSub { size 8{0} } + \( R rSub { size 8{"90"} } - R rSub { size 8{0} } \) "." { {α} over {"90"} } } {} (2.15)

Lực cản thủy động của ngư cụ có dạng dặc biệt

Ngư cụ hoặc phụ tùng của nó (dây giềng, dây xích, vòng khuyên, neo,...) thường có hình dạng đặc biệt. Đôi lúc ta cũng cần phải tính lực cho phụ tùng ngư cụ để biết lực cản của chúng mà trang bị sức kéo của tời, sức kéo của tàu,... cho thích hợp.

Cấu trúc lưới cụ thể trong ngư cụ cũng thường có dạng rất khác so với tấm lưới phẳng thông thường, có thể bao hàm cả dạng khí động học trong đó. Do vậy, việc đánh giá đúng lực cản thủy động của một ngư cụ đặc biệt nào đó, thường là sự kết hợp đánh giá từng phần riêng rẽ. Sau đó, tổng lực cản của các thành phần này chính là lực cản của toàn ngư lưới cụ.

R=i=1nRi size 12{R= Sum cSub { size 8{i=1} } cSup { size 8{n} } {R rSub { size 8{i} } } } {} (2.16)

ở đây: i là số phần của ngư lưới cụ được đưa vào để tính lực cản. Lực cản của mỗi phần có thể được tính theo công thức (2.7). Để tính được lực cản này ta cần phải biết các hệ số lực cản thủy động (C) và cũng cần phải tính tổng diện tích mà chỉ lưới chiếm chổ St của mỗi phần, hoặc chuyển đổi nó thành phương pháp tính toán đơn giản hơn.

Đối với một tấm lưới thả trong nước nếu bị tác dụng của dòng chảy nó sẽ bị phồng ra (H.6). Để có thể tính được lực cản thủy động của tấm lưới cong như vậy, thường người ta chia tấm lưới ra thành nhiều tấm lưới nhỏ, mỗi tấm lưới này sẽ hợp với phương dòng chảy một góc tống α trung bình nào đó. Tổng lực cản thủy động của từng tấm lưới nhỏ này sẽ là lực cản thủy động của toàn tấm lưới lớn mà ta cần tính.

Lưới bị phồng bởi dòng chảy

Về phương diện hình học, ngư cụ có dạng hình nón cụt và hình trụ thì lực thủy động lên các phần lưới thường có cùng góc tống α (H.7).

Lưới hình nón và hình trụ được mổ ra để tính lực cản thủy động

Thí dụ 1

Tính lực cản thủy động của tấm đăng trực giao với phương dòng chảy (H.8). Tấm đăng có chiều dài L = 200 m, độ sâu làm việc là H = 12 m, Hệ số rút gọn U1 = U2 = 0,707 và lưu tốc dòng chảy tương đối là V = 0,8 m/s. Lưới được làm từ chỉ 50tex x 12 polypropylene, có độ thô Dt = 1,2 mm và kích thước cạnh mắt lưới a = 30 mm.

Tấm đăng của lưới Đăng

Giải:

Lực cản thủy động Rx cho tấm lưới đăng sẽ được tính theo công thức (2.7)

Rx = Cx.q.St

Ở đây:

- Hệ số lực cản Cx được xác định theo đồ thị H 2.6 ứng với α = 90o, chọn Cx ≈ 1,4

- Áp lực hãm thủy động (q) ứng với ρ =100 kg-sec2/m4 và vận tốc V = 0,8 m/s là:

q=ρ.V22=100×(0,8)22=32 size 12{q= { {ρ "." V rSup { size 8{2} } } over {2} } = { {"100" times \( 0,8 \) rSup { size 8{2} } } over {2} } ="32"} {} kg/m2

- Diện tích phần chỉ lưới chiếm chổ theo công thức (2.9) ứng với Kn = 0,048 được ngoại suy từ Bảng 2.2 (áp dụng Dt = 1,2 và a = 30 mm) là:

St=KnU1.U2.S=0,048(0.707×0.707)×2400=230 size 12{S rSub { size 8{t} } = { {K rSub { size 8{n} } } over {U rSub { size 8{1} } "." U rSub { size 8{2} } } } "." S= { {0,"048"} over { \( 0 "." "707" times 0 "." "707" \) } } times "2400"="230"} {} m2

ở đây: S = L.H = 200 x 12 = 2400 m2 là diện tích thật sự của tấm lưới.

Vậy, thế các giá trị Cx;q; St công thức (2.7), ta được:

Rx = Cx.q.St = 1,4 x 32 x 230 = 10304 kg

Bây giờ, để so sánh ta hãy tính lực cản thủy động cho việc ước lượng xấp xĩ như đã được giới thiệu theo công thức (2.13), ta được:

R90=180.Dta.S.V2=180×1,230×2400×(0,8)2=11059 size 12{R rSub { size 8{"90"} } ="180" "." { {D rSub { size 8{t} } } over {a} } "." S "." V rSup { size 8{2} } ="180" times { {1,2} over {"30"} } times "2400" times \( 0,8 \) rSup { size 8{2} } ="11059"} {}kg

Kết quả này thì khác hơn kết quả trước, bởi vì các công thức (2.7) thì chính xác hơn: (11059 – 10034)/10034 = 0,07 = 7%

Tuy nhiên, việc ước lượng theo công thức (2.7) có khi thì cao hơn, có khi lại thấp hơn ước lượng xấp xĩ bởi vì lưu tốc dòng chảy V thường biến động theo độ cao của lưới (H.9). Mặt khác, nếu lưới bị dính rác bẩn sẽ tạo nhiều lực cản hơn lưới sạch. Lực cản cũng có thể tăng lên như là một kết quả của tốc độ xoáy cục bộ gây ra bởi các sóng biển.

Phẩu diện lưu tốc qua nền đáy cố định

Thí dụ 2

Tính lực cản của ngư cụ có dạng kết hợp giữa hình nón cụt và hình trụ (H.10) khi vận động trong nước. Có các kích thước sau:

Hình nón cụt có: Đường kính của đáy lớn hình nón cụt: D1 = 6 m.

Đường kính của đáy nhỏ hình nón cụt: D2 = 3 m.

Chiều dài hình nón cụt (giữa hai đáy): Lc = 5 m.

Chỉ lưới trong hình nón cụt: 93,5tex x 3 x 3 polyethylene.

Độ thô chỉ lưới trong hình nón cụt: Dtc = 1,5 mm.

Kích thước mắt lưới: a = 20 mm, và hệ số rút gọn: U1 = 0,4.

Diện tích phần chỉ lưới chiếm chổ trong hình nón cụt Stc = 20,6 m2.

Hình trụ có: Đường kính của hình trụ: D3 = D2 = 3 m.

Chiều dài của hình trụ: L0 = 10 m.

Chỉ lưới trong hình trụ: 93,5tex x 6 x 3 polyethylene.

Độ thô của chỉ lưới trong hình trụ: Dt0 = 2,1 mm.

Kích thước mắt lưới: a = 20 mm, và hệ số rút gọn: U1 = 0,4.

Diện tích chỉ lưới chiếm chổ trong hình trụ: St0 = 40,7 m2.

Lưu tốc chuyển động tương đối: V = 1,5 m/s.

Các kích thước của lưới hình nón cụt và hình trụ.

Giải:

Theo công thức (2.16) thì lực cản thủy động R của lưới sẽ là tổng lực cản của hình nón cụt Rc và hình trụ Ro.

- Lực cản hình nón cụt thì có liên quan đến góc tống α. Vì thế ta phải tính góc tống α theo công thức sau:

tg α = 1 2 . D 1 D 2 L c = 6 3 2 × 5 = 0,3 size 12{ ital "tg"α= { {1} over {2} } "." { {D rSub { size 8{1} } - D rSub { size 8{2} } } over {L rSub { size 8{c} } } } = { {6 - 3} over {2 times 5} } =0,3} {}

Tra bảng lượng giác, ta được α = 16,7o. Theo (H 2.6) ta có: Cx ≈ 0,55 và

q=ρ.V22=100×(1,5)22=112,5 size 12{q= { {ρ "." V rSup { size 8{2} } } over {2} } = { {"100" times \( 1,5 \) rSup { size 8{2} } } over {2} } ="112",5} {} kg/m2

q = ρV2/2 = (100)(1,5)2/2 = 112, 5 kg/m2

Khi đó theo công thức (2.7) cho ta: Rc = Cx.q.Stc = 0,55 x 112,5 x 20,6 = 1275 kg

- Đối với hình trụ (α = 0o), Cx = 0,47, do đó từ công thức (2.7), ta được:

R0 = Cx.q.St0 = 0,47 x 112,5 x 40,7 = 2150 kg

Vậy tổng lực cản của lưới là: Rx = Rc + R0 = 1275 + 2150 = 3425 kg

Trong lưới này, Dt/a = 0,075 và 0,105 thì lớn hơn loại lưới như được dùng trong Hình 2.6 và hệ số rút gọn đứng thì nhỏ hơn, vì thế các hệ số lực cản thì có thể hơi nhỏ hơn một ít làm cho việc ước lượng sẽ trở nên lớn hơn.

Cũng nên nhận thức rõ rằng giả định xuyên suốt trong mục này là lực cản thủy động R thì bằng tổng của các lực thành phần của nó, do đó xem ra nó có vẽ quá đơn giản và thuận lợi. Tuy nhiên trong thực tế có thể phức tạp hơn nhiều, do vậy ta có áp dụng các phương pháp ước lượng lực cản qua thực nghiệm.

Mục lục
Đánh giá:
0 dựa trên 0 đánh giá
Nội dung cùng tác giả
 
Nội dung tương tự