Lực cản thủy động
Lực cản thủy động của một dây thẳng (chỉ, thừng, cáp) có thể được tính theo công thức tương tự như công thức (2.7) là: R x = C x .q.(L.D). (3.17) ở đây: C x là hệ số lực cản; L là chiều dài; D là đường kính; q = ρV ...
Lực cản thủy động của một dây thẳng (chỉ, thừng, cáp) có thể được tính theo công thức tương tự như công thức (2.7) là:
Rx = Cx.q.(L.D). (3.17)
ở đây: Cx là hệ số lực cản; L là chiều dài; D là đường kính; q = ρV2/2 là áp lực hãm thủy động.
Hệ số lực cản Cx thì luôn phụ thuộc vào góc tống giữa phương của dây và phương dòng chảy. Nó còn phụ thuộc vào kiểu cấu tạo và vật liệu làm dây, mức bao bọc thừng và số Reynolds. Sự phụ thuộc của Cx vào góc tống α theo các tính toán cho cáp thép có đường kính 12 mm được cho trong Bảng 1.
Bởi vì sự phụ thuộc của Cx vào góc tống α thì cũng tương tự với các loại dây khác nên Bảng 1có thể được dùng để tính lực cản của chúng.
Bảng 1: Hệ số lực cản (Cx) của thừng và cáp thẳng
Nếu thừng và cáp không bị kéo quá căng, khi đó hệ số lực cản Cx sẽ phụ thuộc vào hình dáng làm việc của chúng, nghĩa là phụ thuộc vào tỉ số của độ võng b với chiều dài dây cung Lc (H.1). Các dữ liệu này có thể được thấy trong Bảng 2.
Bảng 2: Hệ số lực cản Cx phụ thuộc vào tỉ số độ võng và dây cung (b/Lc)
Độ võng của thừng và cáp
Hệ số lực cản của dây cũng phụ thuộc vào số Reynolds. Tuy nhiên, đối với hầu hết tính toán trong điều kiện thực tế thì số Reynolds có thể bỏ qua. Ngoài lực cản còn có lực bổng khi chúng hợp với dòng chảy một góc tống α.
Thí dụ 1
Tính lực cản của cáp kéo dài 500m, làm việc ở độ sâu H = 150 m. Cáp có độ thô D = 15 mm và tốc độ kéo V = 4 knot (2,06 m/s) trong nước biển (ρ = 105 kg-sec2/m4).
Giải:
Để đơn giản, ta xem cáp là thẳng và hợp với góc tống: sin α = H/L = 150/500 = 0,3
Tra bảng lượng giác , ta được α = 17,5o. Bằng cách ngoại suy từ Bảng 3.3, ta được hệ số lực cản Cx = 0,29. Áp lực hãm thủy động là: q = ρV2/2 = (105)(2,06)2/2 = 223 kg/m2
Do vậy, lực cản thủy động của dây cáp kéo theo công thức (3.7) sẽ là:
Rx = 0,29 x 500 x 0,015 x 223 = 485 kg
Phụ tùng ngư cụ là các phần gắn kết vào ngư cụ, như: phao, con lăn, chì, ván lưới, xích, ma ní, giềng chì, giềng phao. Ở đây ta sẽ thảo luận các phương pháp tính lực cản thủy động cho ván lưới, dây treo ván, các dạng phao, con lăn và một số phụ tùng khác có dạng hình trụ, cầu, ellip, bán cầu, nón cụt và hình phẳng. Lưu ý rằng, tổng lực cản của ngư cụ không phải chỉ có lực cản thủy động mà còn bao gồm lực ma sát, lực phản ứng nền đáy và ảnh hưởng của tải trọng cá.
Lực cản thủy động trong các phụ tùng ngư cụ (ván lưới, phao,...) tuy có giá trị nhỏ nhưng có thể có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất và chức năng của ngư cụ.
Như ta biết, công thức cơ bản để tính lực cản thủy động là:
R = C.q.S (2.18)
ở đây: q = ρV2/2 là áp lực hãm thủy động; S là tiết diện tiếp xúc đến lực cản.
Hệ số lực cản thủy động (Cx) của vài vật thể điển hình được cho trong Bảng 3
Bảng 3: Hệ số lực cản (Cx) của một số dạng vật thể phụ trợ
Lực cản thủy động (Rx) và lực bổng thủy động (Ry) tác động lên bề mặt (hoặc mặt cắt) của phụ tùng được tính theo phương trình thủy động lực học cơ bản (2.18) là:
Rx = Cx.q. S và Ry = Cy.q. S (2.19)
ở đây: Cx và Cy là các hệ số lực cản và hệ số lực bổng, nó phụ thuộc vào hình dáng của vật thể, phương của dòng chảy và số Reynolds. Các giá trị Cx và Cy của một số loại ván lưới được vẽ trong H.2 theo góc tống α. Nó cũng cho thấy rõ rằng góc tống α có ảnh hưởng đáng kể đến cả hai Cx và Cy.
Hệ số lực cản Cx và lực bổng Cy của các loại ván khác nhau phụ thuộc vào α.
Số Reynolds có ảnh hưởng ít nhiều đến ngư cụ bởi vì giá trị của nó đối với hầu hết các phụ tùng ngư cụ nằm trong khoảng 102-105 (H.3), qua một số trường hợp các ảnh hưởng này là có ý nghĩa và sẽ được thảo luận sau.
Số Reynolds ảnh hưởng lên hệ số lực cản
Thí dụ 2
Tính lực cản thủy động của giềng phao có gắn các phao cầu, có độ thô của thừng Dt = 15 mm, khoảng cách giữa 2 đầu dây cung Lc = 16 m, độ võng b = 4 m, đường kính phao Df = 200 mm, số phao trang bị là 40 phao, tốc độ kéo là 1,54 m/s (3 knots).
Giải:
Lực cản của dây giềng Rg được tính theo công thức (2.17). Tỉ lệ b/Lc = 4/16 = 0,25. Từ Bảng 2.4, ta có Cx = 0,73 và q ≈ (100)(1,54)2/2 = 119 kg/m2.
Kết quả là: Rg = 0,73 x 16 x 0,015 x 119 = 20,8 kg
Lực cản trên mỗi phao được tính theo công thức (2.18) với Cx = 0,5 trong Bảng 2.5. Diện tích hình học trên phao được áp dụng cho hệ số này là:
S = (π/4). D2 = (π/4). (0,2)2 = 0,0314 m2
Do đó, lực cản thủy động của mỗi phao là:
Rf = 0,5 x 119 x 0,0314 = 1,87 kg
Tổng lực cản Rx của dây viền và các phao sẽ là:
Rx = Rg + 40(Rf) = 20,8 + 40(1,87) = 95 kg
Thí dụ 3
Tính lực cản của ván lưới có kích thước 0,75 x 1,5 m, làm việc với góc tống α từ 10o đến 50o. Tốc độ kéo V = 1,28 m/s (2,5 knots).
Giải:
Lực cản của ván lưới sẽ được tính theo công thức (2.19). Các hệ số lực cản được tìm thấy trong H.4 như sau:
| α | 10o | 20o | 30o | 40o | 50o |
| Cx | 0,16 | 0,35 | 0,57 | 0,72 | 0,90 |
Mật độ nước biển ρ = 105 kg-sec2/m4, do vậy áp lực hãm thủy động q = ρV2/2 = (105)(1,28)2/2 = 86 kg/m2. Diện tích ván lưới kéo là:
S = 0,75 x 1,5 = 1,13 m2
Khi này ta có:
- Rx10 = 0,16 x 1,13 x 86 = 15,5 kg
- Rx20 = 0,35 x 1,13 x 86 = 34,0 kg
- Rx30 = 0,57 x 1,13 x 86 = 55,1 kg
- Rx40 = 0,72 x 1,13 x 86 = 70,0 kg
- Rx50 = 0,90 x 1,13 x 86 = 87,1 kg
Theo cách làm tương tự ta cũng có thể tính được lực bổng thủy động theo hệ số lực bổng Cy ứng với các góc tống khác nhau.
Hệ số lực cản và lực bổng của ván chữ nhật phẳng
