Các khía cạnh thực tế của qui trình kiểm định mô hình

Trong thảo luận phần trên, sự đồng dạng giữa mô hình và lưới thực tế phụ thuộc vào đồng dạng về các lực thủy động, trong đó ảnh hưởng do trọng lượng lưới có thể bỏ qua. Riêng đối với các loại dây giềng (giềng phao, giềng chì, giềng quét, giềng lực hông, v.v.) thì ảnh hưởng do trọng lượng là đáng kể. Trọng lượng nổi của nguyên mẫu và mô hình cần phải cùng tham số tỉ lệ SF khi có sự tham gia của các lực thủy động. Tham số tỉ lệ cho trọng lượng của các dây giềng trong nước được định nghĩa là:

SF=Dp2.Lp.γbpDm2.Lm.γm size 12{S rSub { size 8{F} } = { {D rSub { size 8{p} } rSup { size 8{2} } "." L rSub { size 8{p} } "." γ rSub { size 8{ ital "bp"} } } over {D rSub { size 8{m} } rSup { size 8{2} } "." L rSub { size 8{m} } "." γ rSub { size 8{m} } } } } {} (3.51)

Từ đây, có thể diễn ta tham số tỉ lệ đối với các lực thủy động (2.17) như là:

SF=RxpRxm=CpCmDpDmLpLmρpρmVp2Vm2 size 12{S rSub { size 8{F} } = { {R rSub { size 8{ ital "xp"} } } over {R rSub { size 8{ ital "xm"} } } } = { {C rSub { size 8{p} } } over {C rSub { size 8{m} } } } { {D rSub { size 8{p} } } over {D rSub { size 8{m} } } } { {L rSub { size 8{p} } } over {L rSub { size 8{m} } } } { {ρ rSub { size 8{p} } } over {ρ rSub { size 8{m} } } } { {V rSub { size 8{p} } rSup { size 8{2} } } over {V rSub { size 8{m} } rSup { size 8{2} } } } } {} (3.52)

Theo phương trình (3.51) ta có đường kính giềng của mô hình cần thỏa mãn các điều kiện về tương đồng trọng lượng là:

Dm=Dp.Sγ.SLSF size 12{D rSub { size 8{m} } =D rSub { size 8{p} } "." sqrt { { {S rSub { size 8{γ} } "." S rSub { size 8{L} } } over {S rSub { size 8{F} } } } } } {} (3.53)

Trong khi đó, từ (3.52) đường kính của giềng trong mô hình sẽ phải thỏa mãn các điều kiện về tương đồng thủy động là:

Dm=Dp.Sc.SL.Sρ.SV2SF size 12{D rSub { size 8{m} } = { {D rSub { size 8{p} } "." S rSub { size 8{c} } "." S rSub { size 8{L} } "." S rSub { size 8{ρ} } "." S rSub { size 8{V} } rSup { size 8{2} } } over {S rSub { size 8{F} } } } } {} (3.54)

Từ đây ta thấy, nếu các đường kính giềng của mô hình được tính toán theo (3.53), thì tương đồng trọng lượng sẽ được thỏa mãn, nhưng lực cản của giềng mô hình sẽ cao hơn đối với yêu cầu về tham số tỉ lệ về lực SF. Còn nếu đường kính giềng mô hình được tính toán theo (3.54) thì đồng dạng thủy động được thỏa mãn, nhưng trọng lượng của giềng mô hình sẽ ít hơn so với yêu cầu về tham số tỉ lệ về lực SF.

Về phương diện lý thuyết thì có thể vượt qua tính không thể so sánh của tiêu chuẩn này bằng cách tính toán đường kính giềng theo (3.54) cho tương đồng về lực thủy động, và khi đó cố gắng chọn nguyên liệu giềng hơi đậm đặc (nặng) hơn giềng thực tế sao cho tương đồng về trọng lượng. Trọng lượng riêng nổi của nguyên liệu giềng mô hình được tính bằng cách chuyển đổi (3.51) thành:

γbm=γbp.SL.SD2SF size 12{γ rSub { size 8{ ital "bm"} } = { {γ rSub { size 8{ ital "bp"} } "." S rSub { size 8{L} } "." S rSub { size 8{D} } rSup { size 8{2} } } over {S rSub { size 8{F} } } } } {} (3.55)

Tuy nhiên, khó có thể đạt được vật liệu như thế, và trong thực tế người thí nghiệm có thể bị buộc phải chọn lựa chỉ một trong các tiêu chuẩn đồng dạng này, xem coi tiêu chuẩn nào có liên quan nhiều đến đặc trưng của ngư cụ nguyên mẫu. Thí dụ, nếu ngư cụ có giềng tương đối nặng và dài, và vận tốc tương đối chậm, chẳng hạn như lưới vây rút chì, thì giềng cho mô hình nên được chọn theo trọng lượng theo phương trình (3.53). Ngược lại, đối với ngư cụ chủ động như là lưới kéo, phương trình (3.54) nên được sử dụng để thỏa mãn các điều kiện thủy động.

Các nguyên lý áp dụng cho tính dây giềng cũng có thể áp dụng cho cáp kéo, nhưng do điều kiện thực tế nên cần được tính toán riêng. Tốt nhất là, đối với mỗi kiểm định mô hình lưới kéo thì cáp kéo mô hình nên được áp dụng khác nhau. Tuy nhiên, trong thực tế, khó có thể đạt được mỗi cáp cho mỗi mô hình lưới kéo khác nhau. Hơn nữa, cáp kéo còn thường được dùng như là một đường truyền thông tin điện tử để truyền các dữ liệu từ bộ phận quan trắc đến bộ phận kiểm soát trên tàu. Do vậy, tốt hơn hết là kiểm định mô hình lưới kéo khác nhau là dùng chỉ một bộ cáp kéo. Điều này có thể thực hiện được bằng cách hiệu chỉnh chiều dài cáp kéo cho mỗi lần kiểm định theo tham số tỉ lệ tốc độ.

Tham số tỉ lệ lực (SF) nên là như nhau cho tổng các loại lực (thủy động, trọng lực nổi, sức căng) tác động lên dây cáp kéo, tham số này có thể đạt được nếu tham số tỉ lệ cho từng vùng chịu lực thủy động (C*S) là như nhau đối với các cáp kéo. Do đó, tham số tỉ lệ đối với chiều dài cáp kéo (SLw) thỏa mãn yêu cầu trên có thể được tính toán từ:

SLw=SLnSDw.SCnSCw size 12{S rSub { size 8{ ital "Lw"} } = { {S rSub { size 8{ ital "Ln"} } } over {S rSub { size 8{ ital "Dw"} } } } "." { {S rSub { size 8{ ital "Cn"} } } over {S rSub { size 8{ ital "Cw"} } } } } {} (3.56)

ở đây: SLn - là tham số tỉ lệ hình học đối với lưới; SCn - là tham số tỉ lệ hình học đối với các hệ số lực cản thủy động đối với ngư cụ, bao gồm cả ván lưới và phụ tùng ván lưới.

Các hệ số lực cản thủy động của ngư cụ thì phụ thuộc vào số Reynolds. Và các điều kiện đồng dạng sẽ tốt hơn trong các mô hình kiểm định SCn gần như đồng nhất.

Tương tự, tham số tỉ lệ đối với các hệ số lực thủy động của cáp kéo (SCw) cũng phụ thuộc vào số Reynolds và gần đồng nhất nếu kiểm định được thực hiện đúng.

Do đó, để đơn giản, phương trình (3.56) có thể được ước lượng như sau:

SLw=SLn2SDw size 12{S rSub { size 8{ ital "Lw"} } = { {S rSub { size 8{ ital "Ln"} } rSup { size 8{2} } } over {S rSub { size 8{ ital "Dw"} } } } } {} (3.57)

và bởi vì, theo định nghĩa: SLw = Lwp/Lwm, nên chiều dài cáp kéo mô hình phải là:

Lwm=LwpSLw=Lwp.SDwSLn2 size 12{L rSub { size 8{ ital "wm"} } = { {L rSub { size 8{ ital "wp"} } } over {S rSub { size 8{ ital "Lw"} } } } = { {L rSub { size 8{ ital "wp"} } "." S rSub { size 8{ ital "Dw"} } } over {S rSub { size 8{ ital "Ln"} } rSup { size 8{2} } } } } {} (3.58)

Khi tất cả các điều kiện này đã được thỏa mãn, độ sâu đánh bắt của mô hình nên là:

Hm=HpSLm=Hp.SDwSLn2 size 12{H rSub { size 8{m} } = { {H rSub { size 8{p} } } over {S rSub { size 8{ ital "Lm"} } } } = { {H rSub { size 8{p} } "." S rSub { size 8{ ital "Dw"} } } over {S rSub { size 8{ ital "Ln"} } rSup { size 8{2} } } } } {} (3.59)

Tham số tỉ lệ cho tốc độ cáp kéo thì được xem xét theo tiêu chuẩn Froude khái quát, phương trình (3.28) cho các kiểm định mô hình trong cùng môi trường như nguyên mẫu sẽ có dạng:

Sv=Sγ.SD size 12{S rSub { size 8{v} } = sqrt {S rSub { size 8{γ} } "." S rSub { size 8{D} } } } {} (3.60)

ở đây: đối với cáp thép thì kích thước đặc trưng là đường kính. Bởi theo định nghĩa S_v=V_p/V_m là tốc độ ưa chuộng của cáp mô hình trong khoảng tốc độ kiểm định:

Vm=VpSγ.SD size 12{V rSub { size 8{m} } = { {V rSub { size 8{p} } } over { sqrt {S rSub { size 8{γ} } "." S rSub { size 8{D} } } } } } {} (3.61)

Thí dụ 3.12

Ở thí dụ 3.11, ta có đường kính của cáp kéo thực tế là Dwp = 18 mm và đường kính cáp kéo mô hình là Dwm = 6 mm. Tìm tham số tỉ lệ cho chiều dài cáp SLw và tham số tỉ lệ tốc độ SV thích hợp để kiểm định mô hình lưới kéo với cáp kéo sẳn có.

Giải:

Tham số tỉ lệ chiều dài cáp kéo được tìm thấy là SLn = 4, nhưng tỉ lệ đối với đường kính cáp SDw bây giờ lại khác đi là:

Do đó, tham số tỉ lệ đối với chiều dài cáp (SLw) thì được đánh giá từ phương trình (3.57) là:

Số này thì khác hơn 4, nó sẽ là 4 nếu như các điều kiện của đồng dạng hình học được quan sát một cách nghiêm khắc. Dùng phương trình (3.60), giả định cho đơn giản rằng tham số tỉ lệ đối với trọng lượng riêng S=1 (mặc dù trong thực tế nó nên được khẳng định cho mỗi trường hợp),

và tốc độ kéo thích hợp cho cáp mô hình là: Vwm=VwpSVw=0,6.Dwp size 12{V rSub { size 8{ ital "wm"} } = { {V rSub { size 8{ ital "wp"} } } over {S rSub { size 8{ ital "Vw"} } } } =0,6 "." D rSub { size 8{ ital "wp"} } } {}

Do đó, để kiểm định mô hình lưới kéo với bộ cáp sẵn có, tốc độ mô hình cần phải được giảm để mà các sai số tỉ lệ lớn hơn một chút có thể được kỳ vọng. Đối với các lực cản thì ảnh hưởng tỉ lệ có thể được hiệu chỉnh như đã được làm trong thí dụ 3.10.

Trong mục 3.6 các lực Fmi tác động lên phụ tùng thì được tính toán theo phương trình (3.47) trong đó các tham số tỉ lệ SF được xác định từ các giá trị ướm thử ở từng tốc độ. Điều này thì hợp lý hoàn toàn đối với các phụ tùng có tạo lực ma sát thủy động hoặc lực nâng thuỷ động (ván lưới, phao thủy động, diều).

Đối với các phụ tùng mà chỉ do bởi lực nổi hoặc trọng lượng của nó mà không phụ thuộc tốc độ, thì tỉ lệ lực tương ứng đã được tính toán chung rồi. Các phụ tùng được kéo này không cần phải thay đổi hoặc bổ sung đối cho kiểm định ở các tốc độ khác.

Trong kiểm định mô hình của hệ thống ngư cụ, không nhất thiết là phải quan sát đồng dạng hình học một cách nghiêm khắc đối với mô hình, số phụ tùng, ngay cả nguyên lý hoạt động của chúng. Tuy nhiên, điều quan trọng là kiểu lực của chúng là phải tương tự với thực tế. Thí dụ, nếu ván lưới thực tế dạng oval thì ta cũng có thể dùng ván mô hình là chữ nhật hoặc dạng khác. Tuy nhiên lực ma sát của chúng cần phải tương ứng với lực đã được tính toán bởi phương trình (3.47) ở tốc độ kiểm định được cho nào đó.

Cần chú ý rằng sai sót chủ yếu áp dụng cho điều kiện (3.47) đã không được thực hiện đúng đối với lực cản của mô hình ván lưới kéo. Chẳng hạn, trong một vài kiểm định, nếu cần xét đến vận động không ổn định thì sự thay thế ván như vậy là không được phép.

Thí dụ khác, không bắt buộc phải kéo mô hình có cùng số lượng phao như nguyên mẫu, giềng phao của mô hình có thể được lắp với các phao cầu (được làm từ vật liệu xốp hay vật liệu nào khác thích hợp) với đường kính và số lượng miễn sao tổng lực bổng và sự phân bố lực dọc theo viền phao là tương tự như ngư cụ thực tế.

Do vậy, dù việc kéo ngư cụ mô hình chưa phải là bản sao vật lý của nguyên mẫu nó cũng vẫn tạo ra một hệ thống lực, nhưng có tỉ lệ giảm xuống, giống như hệ thống lực mà ngư cụ thực tế đang hoạt động. Qua nguyên lý này, việc chuẩn bị cho phụ tùng sẽ đơn giản hơn và giảm được chi phí. Cách tiếp cận này được khá nhiều người chấp nhận, thí dụ, đối với tình huống được xem xét trong mục 3.6 ở đó mục đích chỉ là đánh giá độ mở của miệng lưới và lực cản của lưới kéo di chuyển ở các tốc độ khác nhau.

Đối với các kiểm định phụ tùng của mô hình mà chỉ xét theo đồng dạng hình học với nguyên mẫu. Khi đó, để đạt được kiểu đồng dạng tương tự của dòng chảy vòng quanh ở cả mô hình và nguyên mẫu thì số Reynolds nên là như nhau. Tuy nhiên, thường là khó có thể đạt được như thế. May mắn là các phụ tùng ngư cụ lại hoạt động trong khoảng của số Reynolds mà số này ít có ảnh hưởng lên các hệ số lực. Chẳng hạn, đối với ván lưới kéo thì thường số Re <8.103; còn đối với phao cầu hoặc con lăn thì Re=103-105 (xem H 2.16). Do đó, ta nên chọn kích thước và tốc độ cho phụ tùng mô hình cũng nằm trong khoảng số Reynolds mà ở đó nó ít có ảnh hưởng đến sự thể hiện của chúng.

Tính hiệu quả của kiểm định mô hình thì phụ thuộc phần lớn vào hệ thống các công cụ kiểm định sẳn có. Hệ thống công cụ như thế bao gồm 3 phần chính: (i) các thiết bị dò cơ bản được gắn trên mô hình để ghi nhận các biến; (ii) kênh truyền dữ liệu từ đầu dò đến thiết bị thu; và (iii) thiết bị thu được đặt trên tàu nghiên cứu. Các đầu dò dưới nước được dùng để theo dõi các biến như: độ mở ngang giữa 2 ván lưới và giữa 2 đầu cánh lưới, độ cao miệng lưới, độ sâu khai thác và sức căng của viền quét và của cáp kéo. Thiết bị đặt ở phòng lái được dùng để giám sát các biến như tốc độ kéo, sức căng cáp kéo và góc cáp kéo.

Kích thước lớn nhất của thiết bị dò dưới nước cần phải có trọng lượng và lực cản thủy động không ảnh hưởng đến hình dáng của mô hình. Mặt khác, chúng cần phải chống thấm nước, nhạy cãm và chính xác cao. Các thiết bị này hoạt động theo những nguyên lý khác nhau. Các thiết bị dò thủy tĩnh để cho biết độ sâu của mô hình trong nước có thể dùng một đầu dò áp suất như là một màng, đĩa hoặc que. Các tế bào ghi tải để đo sức căng của dây có thể dùng ống thủy lực lò xo đàn hồi hoặc máy đo sức căng (strain gauge). Máy đo sâu dò cá (echo sounder) có thể được dùng để giám sát độ mở miệng lưới hoặc độ sâu của mô hình. Thiết bị truyền phát thủy âm được đặt cố định tại các điểm trên ngư cụ cách biệt nhau để mà một thiết bị này truyền phát tín hiệu xung của nó thì thiết bị kia nhận được. Các tín hiệu từ máy truyền phát nhận được dữ liệu sẽ gửi qua cáp truyền (có thể là cáp kéo) đến thiết bị thu đặt trên buồng lái.

Qui trình của một kiểm định mô hình gồm một loạt các hoạt động cơ bản. Chẳng hạn như trường hợp lưới kéo, mỗi lần kéo sẽ là 30 phút. Số lần thử nghiệm tùy theo mức yêu cầu chính xác của dữ liệu cần thu, sao cho sự khác biệt chỉ còn khoảng 5-10%. Đầu tiên, một loạt từ 3-5 lần kéo để ghi nhận lại từ 30-50 giá trị của mỗi biến số cần đo. Sau đó các giá trị trung bình ( X¯ size 12{ {overline {X}} } {}), sai số chuẩn (e), độ lệch chuẩn (S) cho các biến phải được tính toán qua thống kê.

Việc chuyển đổi các kết quả mô hình thành ngư cụ thực tế được hoàn thành với các tham số đồng dạng về kích thước, lực, tốc độ và các tham số khác theo tiêu chuẩn đồng dạng giữa mô hình và nguyên mẫu. Chẳng hạn,

Lp = Lm . SL; Fp = Fm . SF; Vp = Vm . SV (3.62)

Theo cách này, các giá trị các biến của ngư cụ thực tế có được, có thể có sai số một ít. Các sai số trong các biến dự đoán cho ngư cụ thực tế thì có 2 loại: sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên.

Sai số hệ thống thì xuất phát từ phương pháp kiểm định được áp dụng, khi mà ta không thể thoả mãn hếtcác điều kiện về đồng dạng mà phải thực hiện áp dụng đồng dạng xấp xĩ. Càng lệch lớn so với tiêu chuẩn đồng dạng càng gây ra các sai số hệ thống lớn hơn. Tuy vật, sai số hệ thống đôi khi còn có thể do từ thiết bị.

Sai số ngẫu nhiên là do lỗi từ việc đọc các kết quả của thiết bị đưa ra, và cũng có thể do biến động không kiểm soát được của các điều kiện kiểm định. Các sai số này có thể được xử lý bằng thống kê. Ta có thể làm giảm sao số này bằng cách cải thiện thiết bị đo đạc và các điều kiện kiểm định, và bằng cách tăng lên số lần đo đạc.

Để cải thiện mức chính xác khi chuyển đổi kết quả kiểm định sang ngư cụ thực tế dưới các điều kiện thí nghiệm được đo, các hệ số hiệu chỉnh thực nghiệm K có thể được áp dụng trong các phương trình chuyển đổi (3.62) sẽ có dạng:

Lp = KL . SL . Lm ; Fp = KF . SF . Fm ; Vp = KV . SV . Vm (3.63)

Các hệ số hiệu chỉnh thực nghiệm K chỉ có được từ kinh nghiệm tích lũy trong suốt quá trình kiểm định lập lại với các mô hình và lưới kéo nguyên mẫu khác nhau. Cần nhận rõ rằng chúng đặc biệt có giá trị với các điều kiện thực nghiệm nào đó và các hệ số thật sự đúng có được trong một bố trí thí nghiệm không thể được dùng để hiệu chỉnh các kết quả kiểm định trong một điều kiện khác với nó, mặc dù chúng có thể cho thấy xu hướng đúng.