Giáo trình Kỹ thuật khai thác thủy sản Tập 2 - Ths Hà Phước Hùng

Nội dung text: Giáo trình Kỹ thuật khai thác thủy sản Tập 2 - Ths Hà Phước Hùng

1. Ths Hà Phước Hùng GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT KHAI THÁC THỦY SẢN Tập 2 Ebook.moet.gov.vn, 2007
2. PHẦN I. NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN CHƯƠNG 1. LÝ THUYẾT VỀ NGƯ CỤ VÀ CÁC HỆ THỐNG KHAI THÁC 1. Sự phát triển ngư cụ và các hệ thống khai thác Từ xa xưa con người đã biết sử dụng ngư cụ thô sơ như là lao, tên, móc, v.v làm từ các vật liệu sẵn có như: đá, xương, vỏ sò, răng động vật, để khai thác thuỷ sản. Thời đó, để bắt cá trong vùng nước cạn người ta đắp các bờ bằng đất, hoặc đá, đôi khi dựng các tấm đăng sậy dạng chữ V để hướng cá vào nơi đánh bắt. Phương tiện đi lại và vật chứa đựng chỉ là các xuồng độc mộc, rỗ tre hoặc nồi đất. Sau đó ngư cụ được cải tiến thêm một bước mang tính chủ động hơn như: câu, lờ, lọp, v.v Sự xuất hiện lưới là bước tiến quan trọng trong hoạt động khai thác. Nhờ đó mà một số ngư cụ mới được ra đời, như: lưới rê, lưới đăng; và một số ngư cụ đánh bắt có tính chủ động như: lưới chụp, lưới nâng, lưới vây, lưới kéo. Gần đây người ta đã phát triển thêm nhiều kỹ thuật và thiết bị hàng hải phục vụ cho việc đánh bắt trên biển. Nếu ban đầu chỉ là các xuồng chèo với ngư cụ đơn giản, khai thác gần bờ, thì sau đó thuyền buồm đã giúp ngư dân có thể đi xa hơn và chở ngư cụ lớn hơn. Tiếp đến, với tàu chạy bằng động cơ hơi nước đã tạo nên các nghề khai thác mới, như: lưới kéo, lưới vây và lưới rê xa bờ. Ngoài ra, việc cơ giới hoá vào nghề đánh bắt (tời thu lưới) cũng làm giảm rất nhiều công sức cho ngư dân. Hoạt động khai thác hiện đại đặc trưng bởi sự phát triển nhanh chóng của các phương pháp đánh bắt chủ động. Lưới kéo có thể khai thác ở cả tầng đáy lẫn tầng mặt. Lưới vây rút chì hoạt động rất hiệu quả khi đánh cá có tập tính sống thành đàn ở tầng mặt đến sâu 200 m nước. Tuy vậy, mỗi loại ngư cụ chỉ hoạt động hiệu quả trong một số điều kiện nhất định mà thôi. Đặc trưng chính của phát triển ngư cụ và phương pháp đánh bắt gần đây là cải tiến ngư cụ: mở rộng kích cỡ, tăng tốc độ kéo và xử lý ngư cụ, ứng dụng vật liệu mới nhẹ và bền chắc làm cho nước được lọc nhanh hơn làm tăng hiệu suất của ngư cụ. Tuy nhiên, do tăng kích cỡ và hoạt động xa hơn, sâu hơn, nên phải có tàu lớn hơn, nhanh hơn, vì thế thiết bị thăm dò, khai thác cũng được trang bị ngày càng hiệu quả hơn. Việc phát triển công nghệ đánh bắt kết hợp với thông tin liên lạc, dự báo ngày càng được cải thiện đã góp phần tăng sản lượng đánh bắt, giảm thời gian đi lại, tìm cá và xử lý ngư cụ. Ngoài ra, các thiết bị định vị, dò cá, giám sát ngư cụ trong quá trình hoạt động cũng ngày càng được tự động hoá. Bảng 1.1 – Năng suất lao động của ngư dân Sản lượng hàng năm/ngư dân Loại Ngư cụ (tấn) 1 Bẫy, câu cần, lưới bằng xuồng chèo 10 Câu kiều gần bờ, lưới giăng và lưới kéo tàu nhỏ 100 Lưới kéo tàu lớn xa bờ 400 Lưới vây rút chì tàu lớn Nguồn: Fridman (1986) 1
3. Rõ ràng việc phát triển công nghệ khai thác mới đã góp phần đáng kể vào sự phát triển ngành thủy sản. Trong đó, đặc biệt là khâu cải tiến ngư cụ và thực hành các phương pháp đánh bắt mới. Bảng 1.1 cho ta năng suất khai thác qua áp dụng các ngư cụ khác nhau. • Hệ thống khai thác Ngư cụ là một thành tố của một hệ thống đánh bắt, hệ thống này bao gồm: máy móc xử lý ngư cụ; tàu; thiết bị kiểm soát và dò tìm cá; đối tượng khai thác; và ngư trường. Hiệu quả hoạt động khai thác sẽ tùy thuộc vào mức độ mà hệ thống này có được và được kiểm soát như thế nào; khả năng thích ứng của hệ thống với các điều kiện ngư trường; khả năng phối hợp của các thiết bị, đặc biệt là chúng giúp điều chỉnh các tham số ngư cụ ra sao để phù hợp với tập tính cá. Các thành tố của một hệ thống khai thác hiện đại theo Lukanov (1972) như sau (Hình 1.1): Cá TB gây tác TB dò cá Ngư cụ động tập tính Bộ phận giám sát TB Bộ phận kiểm Bộ phận kiểm tác động tập tính cá soát tập tính soát ngư cụ Trung tâm kiểm soát H 1.1 - Mô hình thông tin tổng quát của một hệ thống khai thác Trong các thành tố trên thì bộ phận theo dõi tập tính cá là máy dò cá. Bộ phận tác động tập tính cá là nguồn sáng. Bộ phận giám sát tác động tập tính cá và giám sát hoạt động ngư cụ là thủy thủ đoàn và máy móc ở phòng lái; bộ phận theo dõi hoạt động của lưới là máy quan sát hình dạng lưới và máy theo dõi sức căng của cáp. Trong quá trình khai thác, thông tin về sự có mặt của đàn cá sẽ được thiết bị thăm dò ghi nhận rồi truyền đến trung tâm điều khiển. Từ đây, các lệnh từ trung tâm điều khiển sẽ được truyền đến bộ phận kiểm soát để kích hoạt thiết bị gây tác động tập tính cá hoăc kích hoạt thiết bị khai thác. Mặt khác, hoạt động của các thiết bị này cũng được báo về trung tâm điều khiển. Tại đây sự so sánh giữa các dữ liệu từ bộ phận giám sát và từ thiết bị dò cá sẽ là cơ sở để điều chỉnh hoạt động của hệ thống đánh bắt. Trong các hệ thống đánh bắt hiện đại thì máy vi tính sẽ làm nhiệm vụ xử lý thông tin. Hình 1.1 là tượng trưng cho một mô hình thông tin hoạt động khai thác tổng quát. Bất cứ hệ thống khai thác cụ thể nào chỉ là một phần của hệ thống tổng quát này. Chẳng hạn, nếu khai thác lưới đăng thì ta sẽ có một hệ thống khai thác rất đơn giản (H 1.2). Nhưng nếu có thêm thành tố ánh sáng nhằm tăng cường hoạt động dẫn dụ cá đến cửa chuồng và thêm thiết bị theo dõi sự xuất hiện của cá trong chuồng lưới đăng thì hệ thống sẽ trở nên phức tạp hơn (H 1.3). 2
4. Cá Cá Phương tiện Ngư Phương tiện Ngư tác động tập tác động tập cụ cụ tính cá tính cá Giám sát TB Giám sát Trung tâm tác động tậo hoạt động điểu khiển tính cá ngư cụ H 1.2 Mô hình thông tin của Trung tâm hệ thống lưới đăng điều khiển H 1.3 Mô hình thông tin của hệ thống lưới đăng có trang bị thêm thiết bị dụ dẫn và quan sát 1.1 Các đặc điểm của ngư cụ và phân loại ngư cụ 1.1.1 Các đặc điểm của ngư cụ Về lý thuyết, một tiến trình khai thác có thể được xem là một sự kiểm soát có chủ định thông qua hệ thống đánh bắt. Trong đó, một thành tố quan trọng của hệ thống này là cá, tác động của ngư cụ lên cá là đầu vào và phản ứng của cá là đầu ra của hệ thống này. Trong ngữ cảnh như thế, thì các phương pháp đánh bắt có thể được phân loại như sau: (1) Các kiểu kiểm soát qua tập tính cá; và (2) các cơ chế đánh bắt. Khai thác bao gồm 2 hoạt động chính: (1) Tác động (hoặc kiểm soát) tập tính cá, nhằm lôi cuốn hoặc hướng cá vào nơi mà ta muốn; (2) bắt cá, nghĩa là làm sao giữ cá lại và cho nước lọc qua. Để kiểm soát tập tính cá có hiệu quả, cần tạo các kích thích để gây cho cá phản ứng lại theo tính chất mà ta mong muốn. Ta biết rằng phản ứng của tập tính cá là biểu hiện bản năng của loài với tác động của môi trường và ngoại cảnh. Vì thế, bản chất của khai thác là cố lợi dụng các đặc tính này để gây cho cá phản ứng lại trong tính chất có lợi cho người khai thác chúng. Các kiểu kích thích trong vùng tác động của ngư cụ có thể gây cho cá phản ứng như: chạy trốn hoặc tự vệ; đổi hướng đi, chạy lao về một bên hoặc di chuyển lên, xuống, hoặc gắng chui qua khỏi mắt lưới. Phản ứng của cá sẽ phức tạp hơn một khi có các kích thích phụ trợ tăng cường như: quang, điện, âm học, thủy động học, cơ học, Việc đánh bắt cá được thực hiện chỉ bởi 1 trong 5 cơ chế cơ bản là: đóng (vướng); bẫy; lọc; móc-xỏ; và bơm hút. 1.1.2 Phân loại ngư cụ Do có nhiều loại ngư cụ nên việc phân loại phải được làm rõ trước khi các vấn đề về lý thuyết, tính toán và thiết kế chúng được nghiên cứu. 3
5. Có nhiều cách phân loại khác nhau dựa trên các đặc điểm cơ bản và kiểu dáng kỹ thuật độc đáo của ngư cụ. Nhưng phổ biến nhất là dựa trên hệ thống phân loại của FAO. Đó là các lớp phân loại nên dựa trên nguyên lý đánh bắt của chúng. Trong mỗi lớp còn được chia phụ theo cấu trúc và phương thức hoạt động của ngư cụ. Có 12 lớp ngư cụ cơ bản là: Lưới Vây (hay còn gọi là lưới bao hoặc lưới Rút) là ngư cụ khai thác chủ động, đánh bắt theo nguyên lý lọc nước bắt cá, chủ yếu bắt cá đàn hoặc kết cụm thành đàn. Lưới vây thường không bao vây đàn cá hết độ sâu nơi khai thác, mà thông qua giềng rút chì để chặn cá thoát xuống phía dưới (H 1.4). Lưới Vây có thể đánh bắt bằng 1 tàu hoặc 2 tàu. Nếu đánh bắt bởi 1 tàu lưới Vây có cánh không đối xứng thường được áp dụng; còn đánh 2 tàu thì áp dụng lưới Vây đối xứng. H 1.4 - Lưới Vây rút chì. Ảnh của FAO (1985) Lưới rùng là ngư cụ đánh bắt theo nguyên lý lọc nước bắt cá, cấu tạo gần tương tự lưới vây nhưng không có giềng rút chì, lưới được thả từ bờ và kéo lên bờ. Lưới hoạt động ở ven bờ (biển hoặc sông) nơi có nền đáy tương đối bằng phẳng (H 1.5). H 1.5 - Lưới Rùng. Ành của FAO (1985) Lưới có thể có cánh đối xứng hoặc không đối xứng, có túi hoặc không túi. Do hoạt động ven bờ nên lưới rùng đánh cá từ tầng mặt đến sát đáy. Điển hình cho loại lưới này là lưới rùng bờ biển và lưới rùng tàu nhỏ. Lưới Kéo (hay còn gọi là lưới cào, hoặc lưới Giả cào) là ngư cụ khai thác chủ động, đánh bắt theo nguyên lý lọc nước bắt cá, cá bị lùa vào lưới dưới sức kéo đi tới của tàu và lưới. Lưới kéo có thể làm việc ở mạn hoặc đuôi tàu, được kéo bởi 1 hoặc 2 tàu (cào đôi). Lưới kéo 1 tàu cần phải có ván lưới để tạo độ mở ngang miệng lưới. Lưới Kéo có 4
6. thể phân loại theo lưới kéo tầng đáy, lưới kéo tầng giữa, lưới Cào rường, lưới Cào đôi (H 1.6). Lưới Kéo tầng đáy Lưới kéo tầng giữa Lưới Cào rường Lưới Cào đôi Cào khung gồm một khung cứng bằng thép có mắc lưới túi (H 1.7). Cào khung chủ yếu cào sát và sâu vào nền đáy nhằm bắt các thủy sinh vật nhỏ như giáp xác, nhuyễn thể. Điển hình cho loại ngư cụ này là cào tay và cào xuồng nhỏ. H 1.7 - Cào khung. Ảnh của FAO (1985) Lưới nâng là ngư cụ khai thác chủ động, đánh bắt theo nguyên lý lọc nước bắt cá, lưới được thả ngầm dưới nước và được kéo nâng lên khỏi mặt nước để bắt những loài cá đang kết tập ở trên lưới. Lưới nâng thường kết hợp với nguồn sáng để tạo sự tập trung đàn cá. Lưới nâng có thể phân loại như: lưới vó cất tay (H 1.8a), lưới vó khung, lưới vó mạn tàu (H 1.8b). 5
7. H 1.8a - Lưới vó cất H 1.8b - Lưới Vó mạn tàu. Lưới Chụp cũng là ngư cụ lọc nước bắt cá, lưới được thả chụp từ trên xuống, cá bị giữ lại trong lưới bởi sự gom tụ lại của giềng chì, rồi được kéo lên khỏi mặt nước. Lưới chụp có thể kết hợp với ánh sáng điện để tăng hiệu quả đánh bắt. Điển hình cho loại lưới này là chài quăng (H 1.9), chài rà, chụp H 1.9 - Chài quăng. Ảnh của FAO (1985) mực, Lưới Rê và lưới đóng đánh bắt theo nguyên lý lưới được thả chặn ngang đường di chuyển của cá, cá sẽ bị vướng vào mang hoặc bị giữ lại bởi tấm lưới (rê 3 lớp) khi tìm cách vượt qua lưới. Lưới có thể được thả cố định hoặc được thả trôi. Điển hình cho lưới này là: lưới rê cố định; rê trôi ở cả tầng mặt hoặc tầng đáy (H 1.10). Rê tầng đáy Lưới Rê 3 lớp Ngư cụ bẫy, là loại ngư cụ đánh bắt thụ động. Cá bị dẫn dụ vào nơi đã bố trí ngư cụ, từ đây cá có thể được dẫn đi tiếp dọc theo tường lưới để đến cửa cánh gà hoặc miệng hom và không thể thoát trở lại được. Điển hình cho lớp này là đăng, lọp, lú, và đáy (H 1.11). 6
8. lưới đăng (Nò) Tấm đăng Lú Đáy Lọp H 1.11 – Các ngư cụ dạng bẫy . Ảnh FAO (1985) Ngư cụ câu, là ngư cụ mà ở đó cá bị dụ, lôi cuốn, nhữ bởi mồi tự nhiên hoặc nhân tạo và bị bắt khi gắng ăn mồi có mắc lưỡi câu (câu có mồi). Tuy vậy, cá cũng có thể bị ngạnh câu móc vướng vào thân khi đi lại gần lưỡi câu (câu không mồi). Điển hình cho lớp ngư cụ câu này là câu cần, câu tay, câu giàn, câu chạy và câu kiều (H 1.12). 7
9. Câu chạy H 1.12 – Các loại Câu. Ảnh của FAO (1985) Câu phao Ngư cụ tóm, bắt, đâm, chĩa. Các ngư cụ này được dùng để làm bất động hoặc bắt giữ cá bằng cách làm bị thương, giết hoặc tóm bắt. Điển hình cho lớp này là lao, chỉa, cào, móc và bất cứ ngư cụ nào gây sát thương cá. Máy bơm lọc nước bắt cá, là thiết bị bơm hút cả cá lẫn nước rồi tách nước để bắt cá. Điển hình cho lớp này là bơm hút cá bởi tạo một dòng hút mạnh và nước được lọc ra bởi thiết bị đặc biệt, cá sẽ bị giữ lại (H 1.13). Các ngư cụ đánh bắt khác, bao gồm: lưới kéo tay, lưới bao chà, bắt cá bằng tay H 1.13 - Bơm hút cá. Ảnh của FAO (1985) (nôm, móc hang, ), các chất gây ngộ độc, gây nổ, sốc xung điện làm chết cá, Ngoài ra, ngư cụ còn được phân loại theo phương thức gây ảnh hưởng đến tập tính cá. Việc tác động đến tập tính cá nhằm làm cho cá bơi theo hướng mà người đánh bắt mong muốn bởi gây tác động lên các giác quan của cá như: thị giác, khứu giác, vị giác, xúc giác và thính giác. Từ đó gây cho cá bị hấp dẫn; hoặc xua đuổi; hoặc đánh lừa để mà cá không thể tránh né khỏi ngư cụ đánh bắt chúng. 8
10. 1.3 Hiệu suất và tính chọn lọc ngư cụ 1.3.1 Hiệu suất ngư cụ Một khi cá và ngư cụ tiếp cận nhau, ngư cụ sẽ tác động lên cá, kích thích sự phản ứng của cá. Phản ứng đó có thể là bị hấp dẫn, hoặc bị xua đuổi, hoặc bị đánh lừa. Từ đây cho phép người ta áp dụng các hoạt động tiếp theo để đánh bắt chúng. Nhìn chung, trong tổng số cá thể của một quần thể ban đầu được cho (N0) sẽ có một lượng cá nhất định nào đó có thể bơi ra khỏi đường quét của lưới, một lượng cá khác có thể chui thoát khỏi mắt lưới, bởi ngư cụ không thể giữ được hết một loài nào đó với các kích cỡ khác nhau. Do vậy, không phải tất cả cá thể ban đầu N0 bị bắt mà chỉ có N cá thể trong tổng số đó bị bắt. Người ta gọi hiệu suất khai thác tuyệt đối (En) là tỉ số của số cá N thật sự bị bắt trên tổng số cá N0 có trong vùng hoạt động của ngư cụ, có giá trị từ 0-1. N En = (1.1) N 0 N = 10 N0 = 10 En = 1 N = 3 N0 = 10 En = 0,3 H 1.14 - Hiệu suất khai thác tuyệt đối Thí dụ, như trong Hình 1.14 có N = 10 cá thể xuất hiện trong vùng ngư cụ hoạt động vào lúc bắt đầu khai thác. Nếu chỉ có 3 cá thể bị bắt (7 chạy thoát), khi đó hiệu suất khai thác tuyệt đối (En) sẽ là: N 3 En = = = 0,3 N 0 10 nhưng nếu tất cả 10 cá thể đều bị bắt, khi đó: N 10 En = = = 1 N 0 10 9
11. N Sản lượng khai thác trên đơn vị thời gian hoạt động (Ct) sẽ là: C = t T trong đó: N - là lượng cá đánh bắt (theo số con hoặc theo trọng lượng); T- là thời gian khai thác. Ngoài ra, Ct còn có thể được tính dựa trên 3 tham số ảnh hưởng hiệu suất khai thác là: CE , W, và Et: N V T f Ct = CE *W * Et = * * (1.2) V T f T ở đây: CE = N/V - là tỉ số giữa sản lượng (N) trên lượng nước đã lọc (V). W = V/Tf - là tỉ số giữa lượng nước đã lọc (V) trên thời gian trực tiếp làm ra sản phẩm (Tf) trong một chu kỳ khai thác. Et = Tf /T - là tỉ số giữa thời gian trực tiếp làm ra sản phẩm (Tf) với tổng thời gian hoạt động khai thác (T). 1.3.2Tính chọn lọc của ngư cụ Trong một quần thể cá nhiều kích cỡ, tính chất mà ngư cụ chỉ đánh được một cỡ nào đó được gọi là tính chọn lọc. Tính chọn lọc thì phụ thuộc vào nguyên lý đánh bắt được áp dụng và các tham số của ngư cụ, như: kích thước mắt lưới, nguyên liệu, độ thô của chỉ, hệ số rút gọn và tốc độ dắt lưới. Trong đó, kích thước mắt lưới có ảnh hưởng lớn nhất đến tính chọn lọc (Treschev, 1974). Chẳng hạn như trong Hình 1.15, lưới rê chỉ bắt được cá trong một khoảng cỡ cá xác định nào đó từ L1 đến L2, trong đó cá có chiều dài L là bị đánh bắt nhiều nhất, còn cá có chiều dài nhỏ hơn L1 và lớn hơn L2 sẽ không bị đánh bắt. 1 Phần 100 trăm 80 1 % sản 2 sản lượng 60 cá lượng 40 20 26 30 35 40 45 50 55 60 L1 L L2 CHIỀU DÀI CÁ, L (cm) H 1.15 - Phân bố cỡ cá bắt được bằng lưới rê H 1.16 - Tính chọn lọc của đụt lưới kéo khi độ mở mắtlưới khác nha Còn trong Hình 1.16 cho ta đường cong chọn lọc của lưới kéo. Ở đây đường cong 1 có mắt lưới đụt là m1 chỉ ra nếu chiều dài cá < 25 cm thì cá không bị giữ lại; cá dài từ 25-47 cm thì bị giữ lại ít hoặc nhiều tùy theo cỡ (cá dài khoảng 36 cm thì bị giữ lại khoảng 50%), còn cá dài hơn 47 cm thì đều bị giữ lại trong đụt lưới kéo. Đường cong 2 là dự đoán tính chọn lọc của cùng lưới kéo đó sau khi kích thước lưới được tăng lên từ m1 đến m2. Trong trường hợp 2 này không có con cá nào dưới 30 cm bị đánh bắt; một số cá có chiều dài từ 30 đến 50 cm thì bị giữ lại; tất cả cá dài hơn 50 cm đều bị giữ lại, khi này cở cá có 50% bị giữ lại đã tăng lên là 40 cm. 10
12. Nhìn chung ta thấy rằng cá lớn hơn sẽ bị đánh bắt bởi mắt lưới kéo căng m0 lớn hơn. Tuy nhiên, đối với bất cứ ngư cụ nào chỉ có một cỡ cá ở đó có 50% bị đánh bắt, còn 50% thoát ra được. Chiều dài mà ở đó có 50% cá bị bắt gọi là L50%. Vì thế, ta có tham số chọn lọc (S.F) là: L50% S.F = (1.4) m0 S.F được xem là chỉ số chọn lọc của một ngư cụ, có liên quan mật thiết mắt lưới kéo căng m0 khi thi công ngư cụ. Một sự hiểu biết rõ về tính chọn lọc sẽ giúp cho quá trình thiết kế, thi công và hoạt động ngư cụ được đúng đắn. Một sự thay đổi cỡ mắt lưới sẽ ảnh hưởng đến số lượng và cỡ cá đánh bắt. 1.4 Các đặc điểm kỹ thuật của ngư cụ và hệ thống đánh bắt Ngư cụ có những tham số thiết kế và kỹ thuật rất đặc biệt làm cho ngư cụ thành một thiết bị độc đáo nếu xét trên quan điểm công nghệ (Fridman, 1973). Sự khác biệt đáng kể giữa ngư cụ và các cấu trúc công nghệ khác là do ngư cụ có kết cấu linh hoạt, ”mềm dẽo” dễ thay đổi hình dáng. Chịu lực căng là cơ bản, các phương chịu lực thường xuyên thay đổi. Vì vậy, việc xem xét hình dáng và vị trí không gian của ngư cụ qua kiểm soát cân bằng các ngoại lực (động và tĩnh) tác dụng lên ngư cụ trong quá trình đánh bắt thì khá phức tạp. Sự vận động của ngư cụ trong quá trình hoạt động có khi ổn định và cũng có khi không ổn định. Trong vận động ổn định, nhờ lưu tốc, hướng dòng chảy là không đổi và các lực (trong và ngoài) cũng không đổi. Khi đó, vấn đề cơ bản cho tính toán ngư cụ là xem nó trong điều kiện dòng chảy ổn định, hoặc vận động với tốc độ không đổi. Trong vận động không ổn định, tốc độ, hướng và lực tác dụng lên ngư cụ thì thay đổi theo thời gian. Vì vậy, các tính toán bao gồm các công việc chẳng hạn như: tính toán tốc độ kéo lưới qua đàn cá tập trung; tính toán tốc độ cuộn rút của lưới vây rút chì; tính toán hình dạng và lực kéo cho lưới rùng; tính toán tốc độ thả xuống của lưới chụp và kéo lên của lưới nâng, trong điều kiện thời tiết khác nhau. Tóm lại, các tính toán và thử nghiệm để đánh giá hình dạng của ngư cụ di chuyển không ổn định thì phức tạp hơn so với ngư cụ di chuyển ổn định. Mục đích cơ bản của lý thuyết tính toán ngư cụ và các hệ thống đánh bắt là: 1. Chọn kiểu, vật liệu và các phụ trợ ngư cụ cho một đối tượng đánh bắt nhất định. 2. Đánh giá các ngoại lực, đặc biệt là lực thủy động, tác động lên ngư cụ. 3. Đánh giá hình dáng của ngư cụ dưới tác động của các ngoại lực này. 4. Đánh giá các lực nội tại, các sức căng lên ngư cụ và phụ tùng của nó. 5. Phân tích tối ưu mối quan hệ giữa ngư cụ và các thành tố trong hệ thống khai thác. Ta có thể đạt được các mục đích trên qua phân tích các dấu hiệu hiện hữu trong cấu trúc và công nghệ của ngư cụ, hoặc qua phương pháp tính toán chuyên biệt dựa trên lý thuyết thiết kế ngư cụ. Đồng thời các kỹ thuật thí nghiệm cũng cần được áp dụng, như:kiểm định đồng dạng cơ học, kiểm định mô hình, xây dựng và thí nghiệm kỹ thuật ở qui mô thực tế và đánh bắt thực tế nhằm đánh giá các hiệu quả kinh tế, kỹ thuật của ngư cụ mới. 11
13. 1.5 Đánh giá khía cạnh kinh tế, kỹ thuật của các cải tiến qua việc đánh bắt so sánh Có hai xu hướng đối nghịch nhau trong sự phát triển nghề khai thác cá. Đó là, các ngư cụ và hệ thống đánh bắt luôn được cải tiến nên đã làm tăng sản lượng đánh bắt và ngược lại trữ lượng cá ngày càng giảm sút nghiêm trọng. Do đó, đánh giá khía cạnh kinh tế, kỹ thuật trong cải tiến ngư cụ là so sánh hiệu quả giữa cái mới so với các cái đã được chuẩn hoá trong điều kiện khai thác hiện tại (Crewe, 1964). Nếu gọi T là tuổi thọ của một hệ thống đánh bắt mới, ứng với các chi phí về thiết kế, xây dựng và hoạt động cho hệ thống mới là b. Giả sử, hệ thống đánh bắt mới tạo ra được một tổng sinh khối là C, ứng với một tổng giá trị là A. Khi đó, tỉ lệ giữa phần thu được A ứng với tổng chi phí b sẽ là thước đo mức hiệu quả hoạt động của hệ thống đánh bắt mới (Ec), nghĩa là: A E = (1.5) c b Mặt khác, giá trị A của tổng lượng đánh bắt còn được diễn tả như sau: A = a * Ct * T (1.6) ở đây: a - là đơn giá trên một đơn vị sản lượng; Ct - là sản lượng đạt được trên đơn vị thời gian. Khi đó, T E = a *C * (1.7) c t b Người ta gọi Ec là chỉ số hiệu suất kinh tế của hệ thống đánh bắt mới, là tỉ lệ so sánh hiệu quả giữa hệ thống mới với một hệ thống được chuẩn hoá, hoặc một hệ thống nào đó được lập ra dùng để so sánh. Nếu ký hiệu ’n’ là chỉ định cho hệ thống mới và ’s’ hệ thống chuẩn hoá, khi đó: Ecn an C tn Tn bs Ec = = . . . (1.8) Ecs as Cts Ts bn ở đây: an/as - là đặc trưng cho giá trị của sản lượng đánh bắt; Ctn/Cts - là đặc trưng cho khả năng đánh bắt tương đối của hệ thống; Tn/Ts - là đặc trưng cho độ dài thời gian hoạt động; bs/bn - là đặc trưng cho chi phí hoạt động. Nếu hiệu suất kinh kế Ec >1, thì hệ thống mới là có hiệu quả hơn hệ thống chuẩn hoá. Cũng cần lưu ý, Ec chỉ là hiệu quả kinh tế tương đối dưới điều kiện khai thác nhất định nào đó. 12
14. CHƯƠNG 2. CÁC NGOẠI LỰC TÁC ĐỘNG LÊN NGƯ CỤ 2.1 Các ngoại lực tác dụng lên ngư cụ Hình dáng và kích thước ngư cụ đang hoạt động thì phụ thuộc vào độ lớn và hướng của ngoại lực tác động lên nó. Các ngoại lực này (Hình 2.1) gồm: lực trọng trường; lực thủy tĩnh; lực thủy động; lực phản ứng nền đáy; lực ma sát nền đáy; lực tạo ra bởi cá; các lực tải do thiết bị; và các lực khác do bởi hoạt động của máy móc khai thác. Khi ngư cụ vận động không ổn định, như bị chồng chành, lắc lư và tốc độ thay đổi, thì các lực quán tính và xung lực cũng là ngoại lực tác động lên ngư cụ. Lực nâng thuỷ tĩnh (B) L ực căng dây giềng Lực thuỷ W – B = Q động Lực trọng trường (W) Phản ứng nền đáy H 2.1 - Các ngoại lực tác dụng lên ngư cụ Tùy ngư cụ và phương thức hoạt động mà có các kiểu ngoại lực khác nhau tác dụng lên nó. Để đơn giản cho tính toán, ta chỉ nên xét là có các lực nào là chủ yếu, chi phối đến ngư cụ, còn các lực không ảnh hưởng lớn đến ngư cụ thì có thể bỏ qua. 2.1.1 Lực trọng trường và lực thủy tĩnh Lực trọng trường và lực thủy tĩnh có thể được phân bố dọc theo bề mặt của lưới và dọc theo chiều dài dây giềng, hoặc tập trung tại các phao, chì, con lăn, Lực trọng trường (W) thì hướng xuống, lực nổi hay lực nâng thủy tĩnh (B) lại hướng lên (H 2.1). Thông thường W và B thì không bằng nhau và sự khác biệt của chúng là: Q = W – B (2.1) Q là trọng lượng nổi hay trọng lượng trong nước của vật thể sẽ chìm. Nếu Q là dương thì vật thể chìm, Q là âm thì vật thể sẽ nổi. Lực trọng trường (W) và lực thủy tĩnh (B) đối với vật thể đồng nhất có thể được diễn tả như W = γ . V (2.2) B = γw . V (2.3) 13
15. ở đây: V - là khối lượng của vật thể (m3); γ - là trọng lượng riêng của vật thể (kg/m3); 3 γw - là trọng lượng riêng của nước. Đối với nước ngọt γw = 1000 kg/m và đối 3 với nước biển γw = 1025 kg/m . Công thức (2.1) cũng đúng đối với các vật thể không đồng nhất (rỗng bên trong), chẳng hạn như phao và các vật nổi khác. Nếu chỉ cần tính lực trọng trường W, theo công thức (2.2) ta chỉ cần lấy thể tích ngoài, nhưng nếu cần tính lực nâng thủy tĩnh theo công thức (2.3) thì tổng khối lượng vật thể phải được tính. Không nên dùng (2.2) để tính trọng lượng lưới, bởi khó có thể có được thể tích lưới thật sự. Nếu biết trọng lượng của vật thể trong không khí, ta có thể tính trọng lượng nổi của nó trong nước theo theo công thức sau: Q = Eγ . W (2.4) ở đây: W - là trọng lượng của vật thể đồng nhất trong không khí (kg), Eγ - là hệ số lực nổi (hoặc sức chìm), nghĩa là lực làm nâng lên hoặc làm chìm xuống trong nước trên 1 kg khối vật chất được cho, được tính như sau: γ − γ γ E = w = 1− w (2.5) y γ γ Đối với vật liệu nổi thì γ γw. Do vậy, Eγ thì âm đối với phao, nhưng dương đối với chì (xem Bảng 2.1). BẢNG 2.1 – Trọng lượng riêng và hệ số lực nổi hoặc sức chìm của một vài vật liệu ngư cụ Vật liệu Trọng Hệ số sức nổi (-) hoặc hệ số sức Trọng lượng Sức nổi trong lượng chìm (+) nổi trong nước nước ngọt như riêng (Eγ) ngọt như là % là % của trọng (kgs/m) trong nước trong nước của trọng lượng trong ngọt biển lượng trong không khí không khí Polyamide 1140 +0,12 +0,10 12 - Polyvinyl alcohol 1280 +0,22 +0,20 22 - Polyester 1380 +0,28 +0,26 28 - Polyethylene 950 +0,05 +0,08 - 5 Polypropylene 920 -0,09 -0,11 - 9 Cotton, Gai 1500 +0,33 +0,32 33 - Plastic bọt 120-180 -7,3 - 450-730 đến -4,5 Bần 250 -3,00 -3,10 - 300 Gỗ Dương (vỏ) 330 -2,03 -2,11 - 200 Sậy (rỗng) 100 -9,00 -9,25 - 900 Gỗ cây vân sam 550 -0,82 -0,86 - 82 Gỗ cây bulô 710 -0,41 -0,44 - 41 Gỗ sồi 850 -0,18 -0,21 - 18 Chì 11300 +0,91 +0,91 91 - Hợp kim đồng 8500 +0,88 +0,88 88 - Gang, thép 7400 +0,86 +0,86 86 - Đá 2700 +0,63 +0,62 63 - 14
16. Đất sét nung 2200 +0,55 +0,53 55 - Nước ngọt 1000 - - - - Nước biển 1025 - - - - Thí dụ 2.1 Tính tổng lực nổi của giềng phao lưới vây rút chì có trang bị 1500 phao xốp. Biết rằng trọng lượng trong không khí của mỗi phao xốp là 0,2 kg. Giải: Tổng trọng lượng của các phao trong không khí là: W = 0,2 x 1500 = 300 kg Sức nổi riêng Eγ của phao xốp có thể được tính theo công thức (2.5) hoặc được tra từ Bảng 2.1 suy luận từ phao plastic bọt. Ở thí dụ này ta lấy: Eγ = – 6. Theo công thức (2.4), tổng lực nổi Q của phao trên viền phao là: Q = -6 x 300 = -1800 kg, âm hay nổi Thí dụ 2.2 Cần bao nhiêu viên chì bằng sét nung để lắp vào giềng chì của một vàng lưới để tạo ra được lực chìm là 10 kg, nếu trọng lượng của 1 viên chì trong không khí là 0,5 kg. Giải: Trọng lượng của 1 viên chì bằng sét nung trong nước có thể được tính dựa theo hệ số chìm Eγ. Từ Bảng 2.1, ta có: Eγ = +0,55 Theo công thức (2.4), trọng lượng nổi của 1 viên chì trong nước là: 0,55 x 0,5 = 0,28 kgs, dương hay hướng xuống Vậy, số chì cần thiết là: 10/0,28 = 36 viên chì Thí dụ 2.3 Tính trọng lượng nổi của 1 ván lưới kéo hình chữ nhật (3,0 x 1,5 x 0,08) m, ván nặng 1100 kg trong không khí. Giải: Để tính trọng lượng Q của ván trong nước ta có thể áp dụng công thức (2.1), nhưng trước hết ta cần tính lực nâng thủy tĩnh B. Thể tích V của ván là: V = 3 x 1,5 x 0,08 = 0,36 m3 và chọn trọng lượng riêng của nước là 1000 kg/m3, do đó: B = 1000 x 0,36 = 360 kg Vậy trọng lượng nổi của ván trong nước tính theo (2.1) là: Q = W - B = 1100 – 360 = 740 kg 2.1.2 Các lực thuỷ động tác dụng lên lưới 2.1.2.1 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 15
17. 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. 2.1.2.2 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. R Hệ số thủy động (C) được định nghĩa bởi công thức: C = (2.6) q * St ở đây: R - là lực cản thủy động (kg) ρ.V 2 q = - là áp lực hãm thủy động (kg/m2) 2 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) 2 St - là tiết diện của ngư cụ so với phương dòng chảy (m ). 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 α 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. H 2.4 – Góc tống α Trong thực tế, các hệ số thủy động C đều được đo ứng với một góc tống nhất định (H 2.4). Ta một biểu đồ hệ số thủy động C theo các góc tống α khác nhau (H 2.6). 2.1.2.3 Hệ số lực bổng (Ry) và hệ số lực cản ma sát (Rx) Ry R V V V Rx α (a) (b) (c) Lực cản thủy động Lực ma sát bề mặt Gồm cả hai loại lực H 2.5 - Các loại lực thủy động16 phụ thuộc vào phương của lưới
18. Khi mặt tấm lưới trực giao đối với phương dòng chảy (H 2.5a), thì lưới chỉ phụ thuộc chủ yếu vào lực cản thủy động. Nếu mặt lưới song song với phương dòng chảy (H 2.5b) 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. Cx và Cy tương ứng là hệ số lực cản ma sát và hệ số lực bổng thủy động. Các hệ số này có được nhờ qua thí nghiệm mô phỏng, trong đó: R R C = x và C = y (2.8) x q y q 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). Cx Cy Cx 1.2 Lưới 1.0 ng Cx = Cx(α) độ 0.8 y ủ c th 0.6 ự l ố s ệ 0.4 H Cy 0.2 o o o o o o o o 0 10 20 30 40 50 60 70 80 αo Góc tống H 2.6 Hệ số lực cản ma sát (Cx) và hệ số lực bổng (Cy) phụ thuộcvào α 2.1.2.4 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: St St St Ek .Dt Dt ⎛ Dt ⎞ K n Es = = = = = ⎜1+ K k . ⎟ = (2.9) S U1.U 2 .So Eu .S0 Eu .a Eu .a ⎝ 2a ⎠ Eu ở đây: 17
19. 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) Dt ⎛ Dt ⎞ St - là diện tích phần chỉ lưới chiếm chổ, St = S0 ⎜1+ K k ⎟ = K n S0 a ⎝ 2a ⎠ Kn được gọi là tham số của diện tích chỉ lưới, được tính theo biểu thức sau: Dt ⎛ Dt ⎞ K n = ⎜1+ K k . ⎟ a ⎝ 2a ⎠ Diện tích chỉ lưới bao gồm cả gút ở đây: E k = là tham số hiệu chỉnh diện tích. Diện tích lưới không kể gút Nếu độ thô của chỉ và kích thước mắt lưới là cùng đơn vị (theo mm) và diện tích St 2 của tấm lưới cũng cùng đơn vị với diện tích giả S0 (theo m ). 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). Diện tích mở rộng thêm trên gút Diện tích gút – (2 * độ rộng sợi * chiều dài gút) Kk = = (Độ thô của sợi )2 (Độ thô của sợi)2 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 2.2 – Bảng tra Kn theo độ thô và cỡ mắt lưới cho lưới gút đơn (Kk = 9,7). Kích thước Độ thô chỉ se xoắn, Dt (mm) cạnh mắt lưới (a) 0,25 0,50 0,75 1,00 1,50 2,00 3,00 10 0,028 0,062 0,102 0,149 - - - 15 0,018 0,039 0,062 0,088 0,149 - - 20 0,013 0,028 0,044 0,062 0,102 0,149 - 25 0,010 0,022 0,034 0,048 0,077 0,111 0,190 30 0,009 0,018 0,028 0,039 0,062 0,088 0,149 35 0,007 0,015 0,024 0,033 0,052 0,073 0,121 40 0,006 0,013 0,020 0,028 0,044 0,062 0,102 50 0,005 0,010 0,016 0,022 0,034 0,048 0,077 60 - 0,009 0,013 0,018 0,028 0,039 0,062 70 - 0,007 0,011 0,015 0,024 0,033 0,052 80 - 0,006 0,010 0,013 0,020 0,028 0,044 90 - 0,006 0,009 0,012 0,018 0,025 0,039 100 - 0,005 0,008 0,010 0,016 0,022 0,034 125 - - 0,006 0,008 0,013 0,017 0,027 18
20. 150 - - 0,005 0,007 0,010 0,014 0,022 Ta cũng có thể dựa vào đồ thị trong Hình 2.7 để tìm ra Kn cho lưới gút đơn và lưới kép vuông (Kk = 9,7 ≈ 10,1) và lưới gút kép (Kk = 14,8). 0.20 0.18 0.16 Gút kép n 0.14 i K ướ 0.12 l ỉ 0.10 Gút đơn và n tích ch 0.08 gút vuông ệ di ố 0.06 0.04 Tham s 0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 Tỉ số độ thô trên chiều dài cạnh mắt lưới (Dt/a) H 2.7 - Đồ thị tra tham số diện tích chỉ lưới Kn theo tỉ số (Dt/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. 2.1.2.5 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: L.V Re = 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. 19
21. 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: D.V Re = (2.11) D ν 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 2.8 đối với α = 90o. o ) x α = 90 3.5 3.0 Es =0,50 = 0,40 n ma sát (C ả 2.5 = 0,30 c = 0,20 ự 2.0 l = 0,10 ố s = 0,05 ệ 1.5 H 1.0 3 4 4 5 6 8 102 2 3 4 5 6 8 10 2 3 4 5 6 8 10 Số Reynolds (Re = L.V/ν) H 2.8 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 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 Cx và Cy 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. 2.1.2.6 Phương pháp ước lượng xấp xĩ cho lực thủy động • Trong trường hợp thiếu giá trị các hệ số thủy động Cx và Cy, lực cản thủy động R (kg) của một tấm lưới có thể tính theo công thức đơn giản sau: 2 R = Kh.Sn.V (2.12) ở đây: 20
22. 2 Sn - là diện tích mở thực tế của tấm lưới (m ); V - là lưu tốc dòng chảy (m/s); 2 4 Kh - là hệ số kích thước thực nghiệm (kg-sec /m ). 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: D R = 180. t .S.V 2 (2.13) 90 a • 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: 2 R0 = 1,8 . Sn .V (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: α R = R + (R − R ). (2.15) α 0 90 0 90 2.1.2.7 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. n R = ∑ Ri (2.16) i=1 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 Dòng chảy (H 2.9). 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 H 2.9 - Lưới bị phồng bởi dòng chảy 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. 21
23. 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 2.10). Dòng chảy α Dòng chảy o α =0 Dòng chảy α =0o α Dòng chảy Thí dụ 2.4 H 2.10 - Lưới hình nón và hình trụ được mổ ra để tính lực cản thủy động Tính lực cản thủy động của tấm đăng trực giao với phương dòng chảy (H 2.11). 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. H 2.11 - 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: o - Hệ số lực cản Cx được xác định theo đồ thị H 2.6 ứng với α = 90 , 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: 22
24. ρ.V 2 100× (0,8) 2 q = = = 32 kg/m2 2 2 - 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: K n 0,048 2 St = .S = × 2400 = 230 m U1.U 2 (0.707 × 0.707) 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: D 1,2 R = 180. t .S.V 2 = 180× × 2400× (0,8) 2 = 11059 kg 90 a 30 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 H lưới (H 2.12). 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. H 2.12 - Phẩu diện lưu tốc qua nền đáy cố định Thí dụ 2.5 Tính lực cản của ngư cụ có dạng kết hợp giữa hình nón cụt và hình trụ (H 2.13) 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. 2 Diện tích phần chỉ lưới chiếm chổ trong hình nón cụt Stc = 20,6 m . 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. 2 Diện tích chỉ lưới chiếm chổ trong hình trụ: St0 = 40,7 m . Lưu tốc chuyển động tương đối: V = 1,5 m/s. 23
25. 5 m 10 m 6 m 3m H 3.13 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: 1 D − D 6 − 3 tgα = . 1 2 = = 0,3 2 Lc 2× 5 o Tra bảng lượng giác, ta được α = 16,7 . Theo (H 2.6) ta có: Cx ≈ 0,55 và ρ.V 2 100× (1,5) 2 q = = = 112,5 kg/m2 2 2 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 o - Đối với hình trụ (α = 0 ), 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. 2.1.3 Lực cản thuỷ động của dây giềng, thừng và cáp 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) 2 ở đây: Cx là hệ số lực cản; L là chiều dài; D là đường kính; q = ρV /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 24
26. 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 2.3. Bởi vì sự phụ thuộc của Cx vào góc tống α thì cũng tương tự với các loại dây khác nên Bảng 2.3 có thể được dùng để tính lực cản của chúng. Bảng 2.3 - Hệ số lực cản (Cx) của thừng và cáp thẳng o o α Cx α Cx 0 0,12 50 0,70 10 0,20 60 0,90 20 0,32 70 1,12 30 0,41 80 1,25 40 0,56 90 1,30 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 2.14). Các dữ liệu này có thể được thấy trong Bảng 2.4. Bảng 2.4 - Hệ số lực cản Cx phụ thuộc vào tỉ số độ võng và dây cung (b/Lc) b/Lc Cx b/Lc Cx Lc 0,0 1,30 0,30 0,77 0,05 1,10 0,35 0,80 b 0,10 0,80 0,40 0,83 0,15 0,70 0,45 0,86 0,20 0,71 0,50 0,90 H 3.14 Độ võng của thừng và cáp 0,25 0,73 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 2.6 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 2 2 hệ số lực cản Cx = 0,29. Áp lực hãm thủy động là: q = ρV /2 = (105)(2,06) /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 2.1.4Lực thuỷ động của phụ tùng ngư cụ 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 25
27. 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 2.5. Bảng 2.5 - Hệ số lực cản (Cx) của một số dạng vật thể phụ trợ Dạng vật thể Cx Phương dòng chảy, Diện tích tiếp xúc (V) (S) Phiến hình tròn và hình vuông 1,1 Trực diện Một bên bề mặt Hình cầu 0,5 Nửa mặt cầu tiếp xúc Hình ellip nổi 0,06 Dọc trục dài Mặt tròn lồi tiếp xúc Hình ellip nổi 0,6 Trực giao trục dài Mặt ellip lồi tiếp xúc Hình trụ tròn 1,2 Trực giao trục Chiều dài x đường kính Hình trụ tròn 0,1 Dọc trục Tiết diện Hình trụ chữ nhật, lăng trụ 2,0 Trực giao trục Mặt (dài x rộng) Hình chén bán cầu 0,38 Dọc trục, mặt ngoài Mặt (π. r2) Hình chén bán cầu 1,35 Dọc trục, mặt trong Mặt (π. r2) Hình nón cụt 60o 0,52 Dọc trục, đáy nhỏ Đáy Hình nón cụt 30o 0,34 Dọc trục, đáy nhỏ Đáy 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 2.15 theo góc tống α. Nó cũng cho thấy rõ rằng góc tống α có ảnh hưởng đáng kể đến cả hai Cx và Cy. 1 ) 4 1.6 x ) 1.2 y 1 2 1.4 5 4 1.0 1.2 ng (C ổ 2 0.8 1.0 c b n ma sát (C sát n ma ự ả 0.6 0.8 l 3 ố 3 c 0.6 s ự 0.4 ệ l ố H 0.4 0.2 s ệ 5 0.2 H 6 10 14 18 22 26 30 34 38 42 46 50 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 Góc tống α Góc tống α (a) (b) 1. Ván oval, 1 khe 3. Ván chữ nhật 5. Ván chữ nhật, mặt vồng 2. Ván oval, 3 khe 4. Ván hình chảo H 2.15 - Hệ số lực cản Cx và lực bổng Cy của các loại ván khác nhau phụ thuộc vào α. 26
28. 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 2.16), qua một số trường hợp các ảnh hưởng này là có ý nghĩa và sẽ được thảo luận sau. 8,0 6,0 4,0 ) x 2,0 2 n (c 1,6 ả 1,2 c 1,0 ự 3 l 0,8 ố 0,6 s 1 ệ 0,4 H 0,3 0,2 0,16 0,12 0,10 5 10 102 103 104 105 106 Số Reynold (Re) 1. Hình cầu 2. Hình phiến 3. Hình trụ H 2.16 - Số Reynolds ảnh hưởng lên hệ số lực cản Thí dụ 2.7 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. 2 2 Từ Bảng 2.4, ta có Cx = 0,73 và q ≈ (100)(1,54) /2 = 119 kg/m . 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 2.8 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 2.17 như sau: α 10o 20o 30o 40o 50o Cx 0,16 0,35 0,57 0,72 0,90 27
29. 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: 1) Rx10 = 0,16 x 1,13 x 86 = 15,5 kg 2) Rx20 = 0,35 x 1,13 x 86 = 34,0 kg 3) Rx30 = 0,57 x 1,13 x 86 = 55,1 kg 4) Rx40 = 0,72 x 1,13 x 86 = 70,0 kg 5) 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. ) x 1.0 n (c Cy ả 0.8 c ự 0.6 l ) và y Cx 0.4 ng (C ổ c b ự 0.2 l ố s ệ H 0 0 10 20 30 40 50 Góc tống α H 2.17 - Hệ số lực cản và lực bổng của ván chữ nhật phẳng 2.1.5Ảnh hưởng của nền đáy Ngư cụ khi tiếp xúc nền đáy sẽ bị ảnh hưởng không chỉ bởi các lực thủy động mà còn bởi các lực sinh ra từ quá trình tiếp xúc của ngư cụ với nền đáy. Các lực này có thể được chia thành hai kiểu: (a) Ma sát lướt trên nền đáy (b) Cày, xới ngư cụ xuống nền đáy mềm. Trong mục này, ta sẽ xem xét ảnh hưởng kết hợp của cả hai loại lực này. 2.1.5.1 Ma sát Có hai kiểu ma sát cơ bản, (a) ma sát trượt và tĩnh tại, khi bề mặt của một vật thể nằm hoặc di chuyển tiếp xúc với bề mặt của một cái khác, và (b) ma sát lăn, khi một vật thể như là bánh xe hoặc hình cầu lăn tròn qua bề mặt của vật thể khác trong khi vẫn cố định trục của nó. Ảnh hưởng của các lực ma sát lên lưới, dây viền và phụ tùng ngư cụ không chỉ xãy ra khi ngư cụ tiếp xúc nền đáy trong quá trình di chuyển, mà còn khi ngư cụ đang cố định nhưng lại chịu ảnh hưởng của dòng chảy. Trong trường hợp thứ nhất, ma sát nền đáy sẽ làm tăng thêm lực cản. Trong trường hợp thứ hai, ma sát nền đáy sẽ quyết định vị trí và hình dáng ngư cụ. Trong trường hợp ngư cụ di chuyển, ma sát trượt cũng thường được bao hàm trong đó. 28
30. 2.1.5.2 Tính toán ảnh hưởng của nền đáy Ta có công thức thực nghiệm để tìm ra tổng lực cản ma sát (gồm cả lực cày xới) nền đáy Rđ qua sử dụng công thức thực nghiệm sau: Rg = Kg. Ww (2.20) ở đây: Rg - là tổng lực cản ma sát do bởi nền đáy; Kg - là hệ số thực nghiệm dưới ảnh hưởng của nền đáy; Ww - là trọng lượng của vật thể trong nước. Giá trị của Kg được cho trong Bảng 2.6 được đo đạc dưới các điều kiện trung bình qua hai kiểu nền đáy cứng. Tuy nhiên lại không có dữ liệu của nền đáy mềm (bùn). Bảng 2.6 - Hệ số ảnh hưởng của một số phụ tùng ngư cụ trên nền đáy cát mịn và đáy cát-sỏi Vật liệu Hệ số ảnh hưởng nền đáy (Kg) Cát mịn Cát-sỏi Lưới 0,75 0,65 Thừng 0,80 0,70 Cáp thép 1,6 1,4 Cáp kết hợp 1,2 1,0 Túi cát hoặc túi đá 0,76 0,63 Chì 0,53 0,44 Đá 0,70 0,54 Gỗ 0,73 0,51 Sắt 0,61 0,47 2.1.5.3 Ma sát lăn Việc lăn tròn của các phụ tùng ngư cụ, chẳng hạn con lăn của lưới kéo, sẽ tạo ra lực ma sát làm cho chúng không chỉ bị trượt mà còn lăn trên nền đáy (H 2.18). Hướng kéo αb Con lăn Cáp hoặc xích H 2.18 - Hình dạng con lăn lưới kéo Lực cản ma sát lăn thật sự của con lăn khi đó sẽ là: Rb = Er. Rg (2.21) ở đây: Rb - là lực cản của con lăn bao gồm ảnh hưởng của việc lăn; Rg - là lực cản của nền đáy khi con lăn được kéo xoay quanh trục của nó; Er - là hệ số lăn. Sự ma sát lăn còn phụ thuộc vào góc tống αb của phương trục lăn và phương di chuyển. Giá trị của Er được cho trong Bảng 2.7. 29
31. Bảng 2.7 - Hệ số lăn như là một hàm của góc tống giữa trục con lăn và phương di chuyển o o o o o o o αb 0 15 30 45 60 75 90 Er 1,0 0,97 0,95 0,92 0,87 0,80 0,40 o o Ở αb = 90 con lăn sẽ lăn dễ dàng và lực cản của nó là tối thiểu. Khi αb = 0 con lăn sẽ không lăn và lực cản nền đáy sẽ được ước lượng theo Bảng 2.6 và công thức (2.20). 2.1.5.4 Ngư cụ cố định Trong ngư cụ cố định thì chì, đá dằn (túi cát hoặc đá) và neo có chức năng làm tăng cường thêm lực cản nền đáy Rđ để thắng lại các ngoại lực do dòng chảy, sóng, gió tác động lên phụ tùng ngư cụ. Thí dụ, một viên chì có thể phụ thuộc vào áp lực áp thủy tĩnh F1 nào đó bởi dòng chảy và đồng thời bởi lực F2 do được truyền dọc theo viền chì dưới ảnh hưởng của lưới nằm trong dòng chảy. Nếu F = F1 + F2 ≤ Rg thì viên chì sẽ giữ ở vị trí của nó. Và nếu F = F1 + F2 ≥ Rg thì viên chì sẽ di chuyển dọc theo nền đáy. Khi đá dằn được sử dụng (lưới rùng) lực F từ dây neo thì không theo phương ngang mà hợp với một góc β nào đó (H 2.19) để mà thành phần thẳng đứng của lực căng dây làm giảm hiệu quả của trọng lượng túi dằn. Độ lớn của góc β này phụ thuộc vào độ sâu của nước và chiều dài của dây căng. Khi đó, lực cản hay lực giữ Rg đối với đá dằn được ước lượng xấp xĩ là: K .W R = g w (2.32) g ⎛ H ⎞ 1+ ⎜ ⎟.K g ⎝ L ⎠ ở đây: H là độ sâu; L là khoảng cách ngang từ ngư cụ đến đá dằn. N H F β Rg L W w H 2.19 - Các véc-tơ lực của bộ đá dằn ngư cụ Lực thẳng đứng chỉ trong H 2.19 là phản ứng của nền đáy, nó bằng với trọng Ww của đá dằn trong nước trừ đi thành phần hướng lên của sức căng dây. Từ (2.22) cho thấy rằng lực giữ của đá dằn thì phụ thuộc không chỉ vào trọng lượng mà còn phụ thuộc vào tỉ số H/L. Do vậy, nếu H = 0, lực ma sát giữ sẽ là cực đại; và nếu L = 0 thì sẽ không có lực ngang từ ngư cụ và cũng không cần có lực giữa ma sát của đá dằn. 30
32. Lực giữ của neo Rg thì phụ thuộc vào trọng lượng, kiểu neo, đặc tính của nền đáy và phương của đường dây neo. Nó có thể được ước lượng theo công thức sau: Rg = Ka.Ww (2.23) ở đây: Ka là hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào kiểu neo vào nền đáy. Ka = 5-7 đối với đáy cát; và Ka = 12-15 đối với đáy sét. Thí dụ 2.9 Tính trọng lượng trong nước của một túi dằn bằng cát để giữ vách tấm lưới cố định một chổ, nếu lực cản theo phương ngang của lưới là 100 kg. Chiều dài dây căng là 10 m, độ sâu là 4 m và nền đáy là cát. Giải: Để ngăn ngừa sự dịch chuyển, lực giữ của túi dằn Rg không thể ít hơn lực đẩy nó đi. Kết quả là tối thiểu Rg = 100 kg. Hệ số ma sát Kg cho trong Bảng 2.6 là 0,76. Khoảng cách nằm ngang L từ chân lưới đến túi dằn được tính như sau: L = 102 − 42 = 9,17m Bây giờ tái sắp xếp lại (2.22) để tìm trọng lượng trong nước (Ww) của túi cát, Rg H 100 4 Ww = (1+ .K g ) = (1+ × 0,76) = 175 kg K g L 0,76 9,17 Dĩ nhiên, đây là giá trị tối thiểu, giá trị này cần phải nhân thêm với hệ số an toàn từ 2-3 theo mức dự đoán sự biến động của lực làm di chuyển vật thể. Thí dụ 2.10 Tính trọng lượng của neo để giữ cho giềng chì của lưới cố định tại một chổ, nếu sức căng của dây neo là T = 200 kg. Hệ số lực giữ của neo là Ka = 5, độ sâu là 6 m và chiều dài dây neo là 60 m. Giải: Lực giữ của neo Rg không được ít hơn sức căng của dây neo Rx, nghĩa là: Rg = Rx = T.cosβ ở đây β là góc hợp giữa nền đáy và phương dây neo. Nhưng sin β = 6/60 = 0,1 khi đó cos β = 1− 0,12 = 0,995 ≈ 1. Do vậy, nếu dây thì đủ dài so với độ sâu thì sức căng của dây gần bằng với lực cản: Rg ≈ T = 200 kg Tái sắp xếp lại công thức (2.23) trọng lượng tối thiểu trong nước của neo là: Rg 200 Ww = = = 40kg K a 5 2.1.6Lực tải do cá gây ra Cá có thể tạo nên các tải lực làm ảnh hưởng đến hoạt động của ngư cụ. Thí dụ, khi cá bị móc câu, sự vùng vẫy của cá sẽ gây ra một lực lên lưỡi câu, nhánh dây câu và dây chính và nếu lực đó đủ mạnh thì dây câu có thể bị đứt. Trường hợp của lưới rê, 31
33. lưới vây rút chì và những ngư cụ khác thì tổng các lực gom lại bị gây ra bởi nhiều cá thể cá theo một hướng nào đó có thể làm hư hỏng ngư cụ. Lực kéo câu liên tục của cá có thể được ước lượng xấp xĩ theo phương trình: K f .W f Ft = (2.24) 3 L ở đây: Wf - là trọng lượng cá trong không khí (kg); L - là chiều dài của cá (m); Kf - là hệ số thực nghiệm có giá trị từ 0,5-1,0. Lực gây ra bởi cá do tạo động năng trong quá trình giật thoát mạnh có thể được diễn tả bởi công thức: W .V 2 F = f (2.25) k g.e ở đây: Wf - trọng lượng cá trong không khí (kg); V - là tốc độ bơi cực đại của cá (m/s); g - là gia tốc trọng trường (m/s2); e - là lực đàn hồi tối đa của ngư cụ (m). Công thức này cho thấy rằng động năng thì phụ thuộc vào tính đàn hồi của ngư cụ, tiếp đến nó phụ thuộc vào phương pháp thiết kế ngư cụ. Thí dụ, nếu dây câu dài hơn sẽ cho phép sức căng đàn hồi lớn hơn và có thể chịu đựng được với lực giật mạnh của cá mắc câu. Thí dụ 2.11 Tính động năng gây ra bởi cá ngừ cân nặng 20 kg, nếu dây nhánh của dây câu chính là 2m, 4m, và 6m. Tốc độ bơi tối đa của cá này là 6 m/s. Giải: Áp dụng công thức (2.25) để tính lực kéo câu ứng với chiều dài các dây nhánh là: 2 1. F1 = 20 x 6 /(9,8 x 2) = 36,7 kg 2 2. F2 = 20 x 6 /(9,8 x 4) = 18,4 kg 2 3. F3 = 20 x 6 /(9,8 x 6) = 12,2 kg. Lực gây ra bởi cá thì thỉnh thoảng lớn hơn 1,5 lần so với trọng lượng của nó, lưỡi câu thường xé rách thịt cá. Do vậy, trong trường hợp (1) ta thấy tính đàn hồi của ngư cụ (nghĩa là dây nhánh) thì không đủ hiệu quả. Tổng lực kéo trì xuống của một con cá có thể vượt hơn trọng lượng của nó gấp vài lần. Thí dụ, cá Trích Bắc Đại Tây Dương có trọng lượng của cá trong nước ít hợn 1% đến 2% của trọng lượng nó trong không khí. Ở cùng thời gian lực thẳng đứng được tạo ra bởi cá trong lưới khi chúng bắt đầu lặn xuống thì lớn hơn 7% trọng lượng trong không khí. Chính nhân tố này đã làm chìm tàu lưới nâng mà đã được biết đến. 2.2 Tính toán ngư cụ như là một hệ thống dây giềng 2.2.1 Thể hiện đơn giản để có thể tính toán Thiết kế ngư cụ, mà ngư cụ đó là một hệ thống không gian ba chiều phức tạp, thì thường được dựa trên việc xem xét các bản vẽ không gian hai chiều và các biểu đồ lực. Các bản vẽ này tượng trưng cho các hình chiếu (hay mặt cắt) của ngư cụ như là một hệ thống các dây giềng tại một thời điểm nào đó, hoặc ở điều kiện được giả định là ổn 32
34. định. Việc xác định đúng hình dạng và các tải lên ngư cụ sẽ giúp ta có thể cải thiện hình dạng ngư cụ, làm phù hợp giữa các tải và ngư cụ, và tăng cường hiệu suất khai thác. Một số ngư cụ, như lưới rê, lưới vây là những tấm lưới dài và độ sâu ngắn, thì hình dạng và lực tác động lên chúng có thể được đánh giá bằng cách xem chúng qua ba dạng sau (H 2.20). Hình 2.20a mô tả lưới đang chịu ảnh hưởng của dòng chảy. Lực cản tấm lưới dưới tác dụng của ngoại lực (R) sẽ được gánh bởi hệ thống giềng phao và giềng chì. Nếu chiều dài giềng chì và giềng phao bằng nhau thì lưới sẽ chịu sự phân bố lực đồng đều. Nếu tải chỉ phân bố chỉ lên những dây cung như ở Hình 2.20b thì hình dạng, sức căng và ứng suất tải ở hai đầu cần được tính toán. Các nội lực sinh ra bởi sức đề kháng của lưới có thể thấy trong hình Hình 2.20c. Trường hợp này các ngoại lực tác động lên 1 m dây giềng (phao hoặc chì) là sự kết hợp của ứng lực ngang (r/2) với lực lực nổi của phao Ff (hoặc lực chìm của chì Fs. T/2 T/2 Ứng lực Ứng lực T/2 Lực thủy Ff động Lực thủy r/ Ứng lực R động 2 T/2 Ứng lực Ứng lực r/2 Ứng lực T/ 2 Fc T/2 (a) Phối cảnh (b) mặt cắt ngang (c) mặt cắt đứng H 2.20 - Hình dạng và biểu đồ lực tác dụng lên lưới 2.2.2 Đặc điểm hình dáng và ước lượng sức căng của dây giềng Ta biết rằng hình dạng và sức căng của dây giềng thì luôn phụ thuộc vào sự phân bố của các ngoại lực tác dụng lên dây. Trong thực tế người ta thường thấy dây giềng khi làm việc trong nước có các dạng biểu hiện như: võng (chùn) xuống dưới ảnh hưởng của lực trọng trường (H 2.21); hoặc võng lên dưới ảnh hưởng của sức nổi (H 2.22); hoặc cong theo mặt phẳng ngang dưới ảnh hưởng của lực cản thuỷ động do dòng chảy tác dụng lên dây (H 2.23). H 2.21 và H 2.22 cho thấy dây giềng OA phụ thuộc vào lực trọng trường và lực nổi thẳng đứng phân bố đều. Fs là lực chìm của lưới và Fb là lực nổi của lưới trên đơn vị chiều dài. Góc α hợp giữa dây giềng và các lực này sẽ thay đổi dọc theo đường dây. 33
35. Lựcnổi Y Y T A A F T F Lựcchìm O X O X H 2.22 - Dây giềng bị vỗng lên dưới H 2.21 - Dây giềng bị chùn dưới ảnh hưởng của lực nổi của dây ảnh hưởng bởi trọng lực của dây y Y ả A Hình 2.23 cho thấy dây giềng T OA chịu tải dọc theo chiều dài bởi Dòng ch lực thủy động Fq trực giao với tiếp tuyến của dây tại mỗi điểm, bất kể hướng của dòng chảy. Tuy nhiên, 90o độ lớn của lực thuỷ động Fq tại mỗi α điểm thì phụ thuộc vào hướng của Fq Lựcthủy động dòng chảy. O X H 2.23 - Dây giềng chịu tải dưới ảnh hưởng của lực quán tính của dòng chảy Trong thực tế, để có thể quan sát hình dáng, đánh giá các lực và sức căng trong dây giềng, người ta thường xét qua mô phỏng một dây xích được cố định ở hai đầu A và B như trong Hình 2.24. Ty T Y αw A B Tx = To Lc b Lℓ To O X Fs H 2.24 - Hình học của một dạng dây xích 34
36. Giả định rằng các tham số hình học cơ bản của dây giềng thể hiện dưới dạng xích nói trên gồm: chiều dài dây (Lℓ), độ võng (b), chiều dài dây cung (Lc) và góc tống (αw) hợp với phương của dây và phương lực trọng trường (Fs). Từ H 2.24 ta thấy, sức căng tối thiểu (T0) trong dây sẽ là ở điểm O. Sức căng (Tx) theo phương ngang tại bất kỳ điểm nào trên dây đều bằng với sức căng tối thiểu này, nghĩa là Tx = To. • Đối với một đường dây cong đối xứng, các quan hệ giữa chiều dài dây (Lℓ), độ võng (b), sức căng tối thiểu (T0), lực trọng trường (Fs), gốc tống (αw) và chiều dài cung (Lc) có thể được biểu diễn qua các biểu thức sau: 2.b.T L = 2. b 2 + 0 (2.25) l Fs F .L s l Cotgα w = (2.26) 2.T0 ⎛ 2.T ⎞ ⎜ 0 ⎟ Lc = ⎜ ⎟.ln(Cotgα w + Cosα w ) (2.27) ⎝ Fs ⎠ • Nếu sức căng tối thiểu T0 được biết trước, thì sức căng tại bất cứ điểm nào trên đường dây có thể được tính theo công thức sau: T = To + Fs.y (2.28) ở đây: Fs - là lực chìm trên một đơn vị chiều dài (kg/m); y - là độ võng của dây tại điểm đó. Đối với điểm A và B thì: y = b. • Nếu dây xích chịu ảnh hưởng của lực cản thủy động do dòng chảy gây ra như trong (H 2.23) thì lực thủy động (Fq) trên đơn vị chiều dài xích là: 2 Fq = Cn.D.q.sin α (2.28) (ở đây nếu là thừng thì Cn ≈ 1.4; và D là đường kính, theo mét). Sức căng T do tải này gây ra thì bằng nhau dọc suốt đường dây xích; và mối quan hệ giữa hình dạng và các lực của một dây xích chịu lực cản thủy động sẽ là: 2 2.b.T Ll = 2. b + (2.29) Cn .q.D C .q.D Cotgα = n (2.30) w 2.T ⎛ 2.T ⎞ ⎜ ⎟ Lc = ⎜ ⎟.q.ln(Cotgα w + Cosα w ) (2.31) ⎝ Cn .D ⎠ • Để đánh giá hình dáng lưới khi có dòng chảy thì cách tốt nhất là áp dụng dạng đường parabol. Khi đó lực sẽ phân bố đều trên cung AB hơn là phân bố dọc đường cong AOB như trường hợp của dây xích. Phương trình cho đường parabol sẽ là: F .x 2 y = x (2.32) 2.T0 35
37. ở đây: y - là độ võng (hay tung độ); x - là hoành độ tại mỗi điểm trên đường cong; Fx - là tải lực trên một đơn vị độ rộng của lưới (kg/m); và To = Tx là sức căng tối thiểu của dây khi nó chỉ chịu mỗi tác dụng của tải lực trọng trường. Áp dụng công thức (2.32) đối với hai đầu dây của hệ thống dây dạng parabol, thì sức căng tối thiểu trong đường dây sẽ là: F .L2 R.L T = x c = c (2.33) 0 8.b 8.b ở đây: chiều dài dây cung là Lc = 2.x; và tổng lực cản của đường dây là R = Fx.Lc. Khi đó, tải gây ra tại bất kỳ một điểm nào đó nếu không trùng với trục x, sẽ là: Tx = To = const (hằng số) (2.34) T và sức căng tại điểm đó trên đường dây sẽ là: T = 0 (2.35) sinα ở đây: α là góc hợp giữa phương trục dây và phương tải lực bên ngoài (phương Y). Ở mỗi đầu của dây đối xứng, các véc-tơ sức căng sẽ là: Tx = To (2.36) R F .L T = = x c (2.37) y 2 2 1 T = T 2 + T 2 = 4.T 2 + R 2 (2.38) x y 2 0 Để ước lượng chiều dài của đường cong (Lℓ), trên cơ sở có tác động của dòng chảy với đảm bảo giềng phao nằm ở một độ sâu nhất định khỏi nền đáy biển và giềng chì không bị nâng lên, thì chiều dài dây (Lℓ) phải là: 8.b 2 L ≈ L + (2.40) l c 3.Lc Công thức (2.40) chỉ áp dụng cho b/Lc < 0,35. Nếu độ võng sâu hơn, thì công thức trên sẽ cho kết quả vượt hơn khoảng 5%. Tuy nhiên, ta còn có một công thức khác khá phức tạp nhưng chặc chẽ hơn là: ⎡ 1+ p 2 ln(P + 1+ p 2 )⎤ L = L ⎢ + ⎥ (2.41) l c 2 2.P ⎣⎢ ⎦⎥ 4.b ở đây: P = Lc Bảng 2.8 sẽ giúp ta đơn giản bớt việc tính toán. Từ giá trị của một trong những tham số được cho, như: góc tống α, tỉ lệ giữa chiều dài dây cung và chiều dài dây (Lc/Lℓ), tỉ lệ giữa độ võng và chiều dài dây (b/Lℓ), tỉ lệ giữa chiều dài dây cung và độ võng (Lc/b) hoặc Cotg α, bảng sẽ cho ta biết một số tham số mà ta mong muốn. Cần chú ý rằng đôi khi có cùng tỉ lệ chiều dài dây giềng, nhưng góc tống α của dây xích sẽ khác biệt có ý nghĩa so với dây parabol. Nếu góc tống này là tới hạn, như khi ta ngoại suy từ các đường dây cáp kéo (thí dụ, ước lượng cho độ mở của ván lưới), thì 36
38. đường cong nào thích hợp cho sự phân bố tải cần phải được chọn đúng đế tránh bị lệch trong kết quả tính toán. Thí dụ 2.12 Dây thừng AOB (H 2.24) được kéo trong nước tạo ra một lực cản là R = 110 kg. Chiều dài thừng Lℓ = 60 m. Khoảng cách giữa hai đầu AB là Lc = 48 m. Hãy tính sức căng tối thiểu T0 tại điểm giữa của thừng và sức căng T tại hai đầu A và B. Giải: Ta áp dụng công thức cho dây parabol (2.33) để giải bài tập này. Độ võng b có thể L 48 được tra từ Bảng 2.8 dựa vào: c = = 0,8 L 60 l ta tra ra được b/Lℓ = 0,27, khi đó ta có: b = 0,27.Lt = 0,27 x 60 = 16,2 m Để tính sức căng T0 của thừng tại điểm giữa, áp dụng công thức (2.33), ta được: R.L 110× 48 T = c = = 40,7 kg 0 8.b 8×16,2 Áp dụng công thức (2.38) ta tính được sức căng tại hai đầu A và B là: 1 1 T = 4.T 2 + R 2 = 4.(40,7) 2 + (110) 2 = 68,4 kg 2 0 2 Bảng 2.8 – Các tỉ lệ hình học chủ yếu của dây xích và dây parabol Các tỉ lệ theo dây xích Các tỉ lệ theo dây parabol o o Lc/Lℓ b/Lℓ Lc/b Cotg α Lc/Lℓ b/Lℓ Lc/b Cotg α 1,00 0,00 - 0,00 90 1,00 0,00 - 0,00 90 0,95 0,14 7 0,59 59 0,95 0,14 6,8 0,59 59 0,90 0,19 5 0,89 48 0,90 0,19 4,7 0,85 51 0,85 0,24 3,5 1,18 40 0,85 0,24 3,5 1,14 42 0,80 0,27 3,0 1,47 34 0,80 0,27 3,0 1,33 36 0,75 0,29 2,6 1,80 29 0,75 0,30 2,5 1,60 32 0,70 0,32 2,2 2,16 25 0,70 0,33 2,1 1,90 29 0,65 0,34 1,9 2,58 21 0,65 0,35 1,8 2,20 25 0,60 0,36 1,7 3,06 18 0,60 0,37 1,6 2,50 22 0,55 0,38 1,5 3,6 15 0,55 0,39 1,4 2,86 20 0,50 0,40 1,3 4,3 13 0,50 0,41 1,2 3,33 17 0,45 0,41 1,1 5,2 11 0,45 0,42 1,1 3,8 15 0,40 0,43 0,93 6,4 8 0,40 0,44 0,91 4,4 13 0,35 0,44 0,80 7,9 7 0,35 0,45 0,78 5,2 11 0,30 0,45 0,67 10 6 0,30 0,46 0,65 6,2 9 0,25 0,46 0,54 13 4 0,25 0,47 0,53 7,6 8 0,20 0,47 0,42 18 3 0,20 0,48 0,42 9,6 6 0,15 0,48 0,31 26 2 0,15 0,49 0,307 13 4 0,10 0,49 0,20 45 1 0,10 0,50 0,202 20 3 0,05 0,50 0,10 107 - 0,05 0,50 0,1004 40 1 Thí dụ 2.13 Người ta tính được sức căng T của dây nối giữa đầu lưới rê và tàu tại điểm cao nhất (tại mạn tàu) của nó là 800 kg và trọng lượng của dây trong nước là Fs = 0,8 kg/m. Độ 37
39. sâu thả lưới là 120 m. Hãy tính chiều dài tối thiểu cần thiết của dây để không gây cho lưới bị nâng lên khi thả neo Giải: Do dây chỉ chịu lực tải ngang do trọng lượng của nó và lực nổi của phao, do vậy nó được xem tương tự như dây OA hoặc OB (H 2.24) với chiều dài là Lℓ/2. Đầu lưới thì nằm ở điểm O và tàu thì ở điểm B.Ở đây bởi dây có dạng là một nữa của đường cong parabol, nên công thức (2.29) sẽ là: L 2.b.T l = b 2 + 0 2 Fs Mặt khác, vì dây thì nằm ngang tại điểm kết với lưới, nên sức căng tại điểm thấp hơn nó được tính theo công thức (2.28) là: T0 = T – Fs.y ở đây b = y là độ sâu thả lưới. Do đó, sức căng tại đầu dây sẽ là: T0 = 800 – (0,8 x 120) = 704 kg Vậy chiều dài tối thiểu cần thiết phải thả dây là: L 2×120× 704 l = 1202 + = 475 m 2 0,8 Thí dụ 2.14 Lc b = 4 m T0 = 30 kg Fs = 0,2 kg/m H 2.25 - Các đoạn viền phao của lưới rùng Người ta lắp các phao dọc theo chiều dài của lưới rùng để đảm bảo cho giềng phao không bị hạ xuống sát đáy khi chúng được kéo vào bờ (H 2.25). Biết rằng sức căng của dây tại mỗi phao khi chưa kéo lưới là 30 kg và có thể tăng lên đến 500 kg khi chịu kéo. Trọng lượng trong nước của giềng phao là 0,2 kg/m. Độ võng cho phép tối đa là 4 m. Hãy tính lực nổi cần thiết của phao và sự phân bố của phao dọc theo giềng phao. Giải: Lực làm chùn giềng phao tại điểm giữa đoạn giềng của hai phao cần phải lớn hơn lực căng kéo xuống khi lưới hoạt động. Như trong H 2.25, khoảng cách giữa hai phao kế cận nhau là Lc và giả sử rằng độ chùn của dây thì đủ nhỏ để cho phép ta xem chúng có dạng parabol, nghĩa là Fx ≈ Fs. Khi đó ta có thể áp dụng công thức (2.33) để tính chiều dài dây cung Lc cần thiết khi kéo lưới là: 8.T0 .b 8.(30).(4) Lc ≈ = = 70 m Fs 0,2 Điều này cho thấy rằng dưới tác dụng của sức căng của dây là 30 kg, thì khoảng cách tối thiểu giữa hai phao phải là 70 m. 38
40. Giả sử độ chùng thì đủ nhỏ, để mà Lc≈Lℓ, thì trọng lượng trong nước của mỗi đoạn giềng giữa hai phao sẽ là: Qℓ = Fs . Lc = 0,2 x 70 = 14 kg Với mức an toàn tăng thêm 50%, Lực nổi của phao sẽ là: Qf = 1,5 x Ql = 1,5 x 14 = 21 kg Lưu ý rằng, ta có thể dùng nhiều phao loại nhỏ hơn nhưng có tổng lực nổi bằng với lực nổi trên để cải thiện độ chùng của viền phao. Thí dụ 2.15 Tấm đăng của lưới đăng có độ cao 10 m được đặt nơi có độ sâu 7 m. Tìm lực nổi của giềng phao Qf và lực chìm do đá dằn Fs, đảm bảo giềng phao không bị chìm xuống và giềng chì không bị nâng lên khi áp lực dòng chảy lên tấm đăng là 0,6 kg/m2. Giải: Ta hãy xem mặt cắt ngang của tấm đăng có dạng của H. 2.23 để mà lực nổi và lực chìm ở hai đầu dây (tại giềng phao và giềng chì) thì cân bằng với áp lực thủy động lên lưới. Theo công thức (2.34) ta có: Ff = Fs = Tx =T0 Bởi mặt cắt có dạng parabol, nên công thức (2.33) có thể được áp dụng. Nhưng trước hết ta cần tính độ võng b (H 2.24). Chiều dài dây cung Lc thì bằng với độ sâu nước và chiều dài Lℓ thì bằng với chiều cao tấm lưới, ta được: Lc/Lℓ = 7/10 = 0,7. Tra Bảng 2.8 cho dây parabol ta được b/Lℓ = 0,33, suy ra được: b = 0,33 x 10 = 3,3 m. Áp dụng công thức (2.33) để tính lực nổi của phao và lực chìm tối thiểu của đá dằn trên 1m chiều dài tấm đăng sẽ là: F .L2 0,6.(7) 2 T = F = F = x c = = 1,1 kg/m 0 f s 8.b 8.(3,3) Ngoài các phương pháp tính toán nêu trên, ta còn có thể áp dụng các phương pháp đồ hoạ để giải những bài toán tương tự hoặc có thể còn phức tạp hơn thế nữa. 2.2.4 Tính toán hình dạng và sức căng dây giềng bằng phương pháp mô phỏng cơ học Phương pháp đồ họa thì rất hữu ích cho những trường hợp phức tạp, chẳng hạn khi có ngoại lực tác dụng lên dây thì không đồng nhất, khi điểm chịu lực tác động và điểm đảm bảo độ bền cho dây thì có độ cao khác nhau và có nhiều hơn một đường dây. Một trong những công cụ đơn giản để tính toán theo phương pháp mô phỏng lực học là lắp một bộ khung có hai thanh gỗ H 2.26. Đối với dây xích nặng thì để đảm bảo đầu xích luôn ở vị trí A và B thì cần có trọng vật. Trọng vật tượng trưng cho các lực thẳng đứng được phân bố đều dọc theo chiều dài của dây, để khi khung gỗ được dựng đứng dưới tác dụng trọng lực, dây sẽ tạo ra đúng như dạng dây xích treo. Như thế, đường dây treo sẽ là mô hình cơ học của một dây thừng đang làm việc ngoại thực tế. Để có thể đánh giá sức căng tại điểm B, đầu dây xích cần được giữ tại thanh ngang OE bởi một đối trọng có thể điều chỉnh (WBh) kéo thẳng đứng xuống và đối trọng điều chỉnh khác (WBv) kéo theo phương ngang để điểm B luôn ở vị trí cố định. Giá trị của WBh và WBv là tượng trưng cho sức căng ngang và đứng của đường dây tại vị trí B. Ta 39
41. cũng có thể áp dụng kỹ thuật tương tự tại điểm A để được tính thành phần sức căng tại đó. TA WAv Xb WAh Trọng vật có thể điều chỉnh A WAv WBv Dây thừng TB Ròng rọc A WAh hoặc xích Y ít ma sát WBv WBh O B E c Y WBh C Xc H 2.26 - Khung đứng để nghiên cứu mô phỏng cơ học Độ lớn của các sức căng này và góc hợp giữa đầu dây và véc-tơ chịu tải đứng 2 2 Wb được xác định là: T Wh +Wv và tgα = WV ở đây: T - là sức căng theo phương hợp với góc tang α của đường cong; Wh và Wv - là 2 thành phần của sức căng này theo phương ngang và phương đứng. Dĩ nhiên là các kết quả này chỉ áp dụng cho mô hình cơ học. Điều kiện cần thiết để chuyển kết quả thí nghiệm mô hình cho đúng với thực tế thì cần phải giữ các kích thước thực tế theo đúng tỉ lệ mô hình thí nghiệm. Đó là: L p X p Yp S L = = = (2.42) Lm X m Ym Nếu điều kiện này được thoả mãn, khi đó tất cả các lực (lực cản, sức căng và ứng lực) Rp và Tp tác dụng lên dây thừng, dây chỉ se xoắn, sẽ cũng tương quan với các lực Rm và Tm theo cùng tham số tỉ lệ lực SF. Do vậy: R p X p Yp S F = = = (2.43) Rm X m Ym Chú rằng rằng tải lực trên một đơn vị sẽ là tham số tỉ lệ là SF/SL. Các tham số tỉ lệ SL và SF có thể tùy chọn sao cho thuận lợi. Thí dụ 2.16 40
42. Một sợi cáp có chiều dài Lℓp=70 m cố định tại 2 điểm: A và B (H 2.27). Điểm A cao hơn B là YA=25 m. Khoảng cách ngang giữa A và B là XB= 43 m. Trọng lượng của một mét cáp trong nước là Fs= 0,5 kg/m. Dùng kỹ thuật mô phỏng cơ học để xác định vị trí C của điểm thấp nhất của đường dây và các sức căng tại các điểm của gối đở A và B. G G G D C E A F G G B G H 2.27 - Bảng gỗ nằm ngang cho nghiên cứu mô phỏng cơ học Giải: Chọn tham số tỉ lệ chiều dài là SL=100, chiều dài dây xích cho mô hình theo công thức (2.42) là Lm=Lp/SL=70/100=0,7 m. Cắt một đoạn xích có chiều dài 0,7 m, cân nặng được Rm =12,8 g. Lắp một tấm bảng khung và xác định các điểm A và B theo đúng với tham số tỉ lệ Sl =100, nghĩa là điểm A cao hơn điểm B là 0,25 m và cách B là 0,43 m theo phương ngang. Cài một đĩa cân trọng lượng bởi một sợi dây mềm, nhẹ ở mỗi đầu dây xích và mắc qua một ròng rọc gần điểm A và B. Điều chỉnh trọng lượng trong các đĩa cân mãi đến khi các đầu xích trùng chính xác tại các điểm A và B. Các trọng lượng này khi đó bằng với sức căng tại điểm A là TAM = 9,2 g; và tại điểm B là TBm = 4,6 g. Các tọa độ tại điểm C trong mô hình xích được đo trực tiếp là XCm = 0,26 m và YCm = 0,12 m. Bởi tham số tỉ lệ được chọn là 100, tọa độ của điểm thấp nhất trong dây sẽ là: XCp = XCm . SL = 0,26 x 100 = 26 m YCp = YCm . SL = 0,12 x 100 = 12 m Tổng lực chìm trên dây sẽ là: Rp = Fs . Llp = 0,5 x 70 = 35 kg và tổng trọng lượng của xích là 12,8 g. Do đó, tham số tỉ lệ đối với các lực từ công thức (2.43) là: SF = 35/0,0128 = 2734 và các sức căng ở hai đầu dây sẽ là: TAp = TAM . SF = 0,0092 x 2374 = 25,2 kg TBp = TBm . SF = 0,0046 x 2734 = 12,6 kg Hình 2.27 đã chỉ cho thấy là làm thế nào những vấn đề về hình dạng và sức căng của dây có thể được giải quyết trên một bảng nằm ngang. Ở đây các ngoại lực được mô phỏng không phải bằng trọng lượng như của mô hình xích hoặc thừng, nhưng với 41
43. sự hổ trợ của các trọng lượng mà tác động của nó được truyền đến mô hình ở các điểm A, C, D, E, F, B bởi các dây phụ trợ mắc qua các ròng rọc ma sát nhỏ. Mô hình (xích hoặc dây) được đặt trên tấm bảng gỗ dưới tác động của các trọng lượng này sẽ đạt được hình dạng xấp xĩ như dây chịu tải tương tự. CHƯƠNG 3. KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH NGƯ CỤ 3.1 Giới thiệu Các phần trong ngư cụ thì đa dạng và phức tạp, vì thế các phương pháp được dùng để ước lượng chúng thì thường dựa trên phân tích đã đơn giản hóa bớt những gì nó thật sự thể hiện. Tuy nhiên, do sự đơn giản hoá này, thường các hiện tượng quan trọng có thể bị vô tình bỏ qua. Mặt khác, trong nhiều trường hợp lý thuyết tính toán cho chúng cũng chưa được đầy đủ. Do vậy, để đạt kết quả có thể tin cậy, các phương pháp thí nghiệm mô hình thì thường được dùng để chọn lựa thành phần nào thuần về khai thác để lập nên các bản vẽ kỹ thuật đối với ngư cụ và để tính toán các mối quan hệ có chi phối đến ngư cụ trong quá trình hoạt động. Vì thế có nhiều mô hình mô phỏng đã được ứng dụng trên cơ sở thiết bị có thể quản lý được (Fridman, 1973). Kiểm định mô hình là phương pháp đã được áp dụng trong nhiều lãnh vực khoa học, công nghệ. Nó không chỉ là thuận lợi và rẽ hơn cho nghiên cứu các hiện tượng, mà còn là cách duy nhất để nghiên cứu với các vật thể lớn. Đối với ngư cụ, kỹ thuật kiểm định mô hình có thể được dùng để giải quyết cho một loạt các vấn đề, chẳng hạn: giúp đánh giá hình dạng không gian của ngư cụ; giúp đánh giá lực cản và các hệ số thủy động lên lưới, thừng và thiết bị; giúp giải quyết các vấn đề liên quan đến việc kiểm soát ngư cụ trong quá trình khai thác và trong khi tàu đang di chuyển; và còn nhằm mục đích cải tiến các thiết bị điều khiển ngư cụ. Nghiên cứu mô hình còn được dùng để đánh giá các biến động trong thi công ngư cụ, để chỉ ra chổ nào là tốt nhất cho thiết kế mẫu đầu tiên, và cho những nghiên cứu tiếp sau với các kiểu bố trí khác nhau, như: trong các bể kiểm định tàu, các máng nước, các ống khí động lực học; và các không gian nước mở như biển, hồ và ao. Đôi khi cả máng nước của nhà máy điện cũng có thể được dùng để kiểm định các mô hình ngư cụ. 3.2 Nguyên lý kiểm định mô hình 3.2.1 Đồng dạng hình học Các kiểm định mô hình đều được dựa trên nguyên lý về đồng dạng giữa nguyên mẫu và mô hình của nó. Trước hết, mô hình và nguyên mẫu cần phải tương đồng về hình dạng. Hình 3.1 cho thấy hai tam giác đồng dạng hình học ABC và A’B’C’ có các cạnh tương ứng cùng tỉ lệ chiều dài, nghĩa là: AB BC AC = = = S A'B' B'C' A'C' L ở đây: SL được gọi là hệ số tỉ lệ đồng dạng hình học. 42
44. Trong đồng dạng hình học, mỗi phần của hình này thì sẽ có một phần khác tương ứng đồng dạng với nó. Chẳng hạn, phần BD và B’D’ là đồng dạng với nhau, vì thế tỉ lệ chiều dài thì như nhau cho tất cả các phần, nghĩa là: BD = S B'D' L và góc giữa chúng và các cạnh AC và A’C’ thì như nhau. Tương tự, tất cả các góc được tạo thành từ các cạnh tương ứng thì bằng nhau trong hai tam giác. Lm Lp B β B’ β α α δ γ δ γ A’ C’ A C D’ D H 3.1 - Sự đồng dạng hình học giữa hai hình Do vậy, trong đồng dạng hình học của 2 hình, cái này sẽ là mô hình của các kia, và phải thỏa mãn: Lp = S L và αp = αm (3.1) Lm ở đây: L - là các kích thước; α - là góc; và các chỉ số dưới p và m chỉ định cho nguyên mẫu và mô hình. 2 3 Lm Lp 3 3 Lm Lp H 3.2 - Tương đồng về kích thước, diện tích và thể tích Ta dễ dàng thấy trong Hình 3.2 là tỉ lệ về đồng dạng diện tích giữa hai khối hình học, trong đó một cái là nguyên mẫu và cái kia là mô hình. Tỉ lệ đó là: 43
45. 2 S p L p 2 = 2 = S L S m Lm 3 V p L p 3 và tỉ lệ thể tích là: = 3 = S L Vm Lm Đồng dạng hình học thường được thấy phổ biến trong thực tế. Chẳng hạn, cá cùng loài, có nhóm tuổi khác nhau, sẽ có đồng dạng hình học nhất định nào đó (H 3.3). L1 L2 m1 m2 H 3.3 - Đồng dạng hình học của cá và mắt lưới Tương tự, mắt lưới dù có cỡ khác nhau nhưng nếu cùng hệ số rút gọn thì đồng dạng nhau. Giả sử ta chưa từng biết là lưới rê với cỡ mắt lưới m1 sẽ bắt được nhiều nhất cỡ cá có chiều dài L1; và cỡ mắt lưới L2 sẽ bắt được nhiều nhất cở cá có chiều dài L2. Khi đó, theo nguyên lý đồng dạng hình học ta sẽ có: L m 2 = 2 L1 m1 Từ đây, ta có thể dự đoán chiều dài L2 cho cỡ cá được bắt nhiều nhất với cỡ mắt lưới m2 là: m2 L2 = .L1 m1 và cỡ mắt lưới tối ưu m2 cho việc bắt cá có chiều dài L2 cũng có thể được tính là: L2 m2 = .m1 L1 Các nhận định trên có thể được áp dụng nếu dữ liệu về tính chọn lọc lưới thực L1 nghiệm thì sẳn có. Khi đó, giá trị của tỉ lệ = K m thì được tính riêng cho từng loài m1 cá, gọi là tham số chọn lọc mắt lưới. Từ đây, ta cũng có thể tính cho mắt lưới rê kéo căng (m0) là: L m0 = (mm) (3.2) K m ở đây: L - là chiều dài cá (mm); Km - là tham số chọn lọc mắt lưới. Thí dụ 3.1 Từ thí nghiệm đánh bắt lưới rê cho thấy cỡ mắt lưới kéo căng là m1 = 53 mm thì bắt cá được nhiều nhất cá Trích có chiều dài L1 = 280 mm. Hãy tìm chiều dài cá Trích L2 để có thể bắt được nhiều nhất ứng với mắt lưới kéo căng là m2 = 47 mm. Giải: 44
46. m2 Áp dụng công thức quan hệ: L2 = .L1 m1 47 Chiều dài cá Trích bắt được nhiều nhất là: L = × 280 = 250 mm 2 53 3.2.1 Đồng dạng động học Xét hai điểm tương ứng Pp và Pm trên giềng chì của lưới vây rút chì thực tế và mô hình của nó (H 3.4) khi được thả xuống nước. Trong quá trình làm việc, giềng chì của nguyên mẫu và mô hình đều chìm với tốc độ bằng nhau. Nhưng do độ lớn của từng phần tương ứng trong nguyên mẫu thì lớn hơn mô hình nên mất nhiều thời gian hơn để nguyên mẫu chìm hết độ sâu của nó so với mô hình. Vì thế, điểm Pp của nguyên mẫu chìm một khoảng cách Lp1 trong thời gian Tp1; và điểm Pm của mô hình chìm một khoảng cách Lm1 trong thời gian Tm1. Nếu lưới của cả nguyên mẫu và mô hình giống L p1 Tp1 nhau, khi đó các điều kiện: = S L và = ST thì sẳn có (ở đây L1 là độ sâu được Lm1 Tm1 cho ở thời gian T1). Pp Pm T = 0 m1 L m2 L p1 thời gian Tm1 m3 L L p2 L thời gian T thời gian Tp1 m2 p3 L thời gian Tm3 thời gian Tp2 thời gian Tp3 H 3.4 - Đồng dạng động học của giềng chì lưới vây khi chìm trong nước Lp2 Tp2 Thời gian tiếp theo, ứng với Tp2 và Tm2 , sẽ là: = S L và = ST (3.3) Lm2 Tm2 Như vậy, các hệ số tỉ lệ về khoảng cách (SL) và về thời gian (ST) cũng đều không đổi. Kết quả, việc chìm của hai lưới vây đồng dạng (cái này là mô hình của cái kia) thì tương tự nhau về phương diện động học, nghĩa là có sự tương đồng cả về hình dạng và về vận động. Do đó, đồng dạng động học giữa nguyên mẫu và mô hình có nghĩa là ngoài đồng dạng hình học thì cũng phải tương đồng về khoảng thời gian. Nói chung cả hai tỉ lệ Lp Tp đống dạng: = S L và = ST đều phải thỏa mãn. Chia SL cho ST ta được: Lm Tm 45
47. S ⎛ L ⎞ ⎛ T ⎞ V L = ⎜ p ⎟.⎜ m ⎟ = p = S ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ V ST ⎝ Tp ⎠ ⎝ Lm ⎠ Vm ở đây: V là vận tốc và cũng là tiêu chuẩn cho đồng dạng động học. 3.2.2 Đồng dạng lực học Đồng dạng về lực học giữa ngư cụ nguyên mẫu và mô hình của nó chỉ khi cả hai phải tương đồng nhau về hình học, đồng thời cũng cùng tỉ lệ và phương tác động của lực. Trong trường hợp các lực và các trạng thái cân bằng của chúng không đổi, nghĩa là khi ngư cụ và mô hình của nó cùng ổn định hoặc cùng vận động ổn định, khi đó được coi là đồng dạng tĩnh. Như vậy, đồng dạng lực học phải thoả mãn các phương trình: Lp Fp = S L và = S F (3.4) Lm Fm Điều này có nghĩa rằng, trong kiểm định mô hình, tất cả các lực tác động lên chúng dù là ổn định (chỉ chịu ảnh hưởng của lực trọng trường hoặc lực nổi) hay biến động (chịu ảnh hưởng của lực ma sát chất lỏng hoặc ma sát quán tính) phải được giảm so với lực nguyên mẫu Fp theo cùng tham số tỉ lệ. Thí dụ, lực nâng thủy tĩnh của một phao xốp và mô hình của nó khi cả hai chìm trong nước, là: Fp = vp . (γp - γw) Fm = vm . (γm - γw) ở đây: Fp và Fm tương ứng là lực nâng của phao nguyễn mẫu và mô hình của nó; v là thể tích của phao; γp và γm tương ứng là trọng lượng riêng (g/ml) của phao; γw là trọng lượng riêng của nước. 3 v p .(γ p − γ w ) L p (γ p − γ w ) Khi đó tham số tỉ lệ lực sẽ là: S F = = 3 vm .(γ m − γ w ) Lm (γ m − γ w ) Trường hợp đơn giản, cả hai phao được làm cùng nguyên liệu và được kiểm định cùng môi trường chất lỏng. Nghĩa là γp = γm là hằng số, khi đó: 3 L p S F = 3 (3.5) Lm 3 Kết hợp (3.5) với công thức đồng dạng hình học (3.1), ta sẽ được: S F = S L đối với lực nổi. Thí dụ 3.2 Có hai phao dạng thoi-ellip có cùng nguyên liệu, với các đường kính là D1 = 10 cm và D2 = 7 cm và cùng đồng dạng hình học. Hãy so sánh sức nổi và lực cản của chúng. Giải: Ta xem phao lớn hơn như là mô hình chưa theo tỉ lệ của phao nhỏ hơn và ta sẽ tìm tỉ lệ mô hình cho việc làm lớn thêm diện tích của nó (khi đó nó sẽ tỉ lệ với lực cản) và thể tích của nó (khi đó nó sẽ tỉ lệ với sức nổi). Ta biết rằng, tỉ lệ của các đường kính và của bất cứ kích thước tương ứng nào thì đều theo tham số tỉ lệ là: 46
48. Dm D1 10 S L = = = = 1,4 D p D2 7 và tỉ lệ của các diện tích Am và Ap của hai phao là bình phương của tham số tỉ lệ kích thước, ở đây: 2 2 Ap D p 2 ⎛10 ⎞ = 2 = S L = ⎜ ⎟ ≈ 2 Am Dm ⎝ 7 ⎠ và tỉ lệ của các thể tích Vm và Vp sẽ là lập phương của tham số tỉ lệ kích thước: 3 3 V p D p 3 ⎛10 ⎞ = 3 = S L = ⎜ ⎟ ≈ 3 Vm Dm ⎝ 7 ⎠ Do vậy, ta có kết luận ở đây là: lực cản của phao nào lớn hơn sẽ là gấp 2 lần lực cản của phao nhỏ hơn; và sức nổi của phao lớn hơn sẽ gấp 3 lần sức nổi của phao nhỏ hơn, với các điều kiện khác thì bằng nhau. Ta có thể đạt được các kết quả này mà không cần phải các tính toán phức tạp vể diện tích thật sự và thể tích của phao. 3.24 Đồng dạng động lực học Ở những nơi mà có các cân bằng lực thay đổi theo thời gian, thì 3 biến số cần phải được tính tỉ lệ để có được đồng dạng động lực học là: L p Tp Fp = S L ; = ST ; = S F (3.6) Lm Tm Fm Các điều kiện của (3.6) chỉ được thỏa mãn khi có một sự đồng dạng vận động thay đổi theo thời gian giữa nguyên mẫu và mô hình, như khi tăng lên hoặc giảm xuống của tốc độ kéo hoặc thay đổi hướng kéo. Nhưng nếu các đặc trưng của vận động là không đổi theo thời gian, chẳng hạn kéo lưới theo đường thẳng với tốc độ không đổi, thì các điều kiện cho trong (3.6) sẽ được đơn giản đi như khi áp dụng cho trường hợp đặc biệt (3.4). Trong những tình huống phức tạp có thể cần phải xác định thêm một số biến số khác nữa như: khối lượng, tốc độ và gia tốc. Khi đó cần phải có sự so sánh mối quan hệ hằng số trong mỗi biến giữa mô hình và nguyên mẫu. Để cuối cùng đạt cho được các tỉ lệ đồng dạng về khối lượng, tốc độ và gia tốc, 3.2.5Tiêu chuẩn đồng dạng Khi kiểm định mô hình được thực hiện đúng sẽ cho ta thông tin đáng tin cậy của nguyên mẫu về chất lượng và số lượng. Các điều kiện kiểm định mô hình cần phải thực hiện càng phù hợp càng tốt theo chế độ thí nghiệm mô hình, như: năng lượng tiêu tốn phải ít, tốc độ phải chậm và dễ dàng quan sát toàn bộ mô hình. Việc thiết kế, xây dựng đúng mô hình, bố trí thí nghiệm và ngoại suy các kết quả kiểm định mô hình đúng sẽ phải theo đúng với nguyên lý đồng dạng. Như đã biết, nếu có sự đồng dạng giữa nguyên mẫu và mô hình, và nếu các tỉ lệ đồng dạng được thiết lập, khi đó các công thức dưới đây (3.7) có thể được áp dụng để chuyển đổi các kết quả thí nghiệm mô hình thành các dự đoán cho nguyên mẫu: Lp = Lm . SL; Tp = Tm . ST; Fp = Fm . SF; Vp = Vm . SV (3.7) 47
49. Việc tìm đầy đủ các tham số tỉ lệ trong một tình huống phức tạp là một công việc rắc rối và tốn nhiều công sức. Trước hết, cần phải có đồng dạng về hình học giữa mô hình và nguyên mẫu; điều kiện này chỉ thỏa mãn nếu như mô hình được làm đúng như nguyên mẫu. Thứ hai, các đặc trưng cơ học về tính vận động của mô hình cũng cần phải tương tự nguyên mẫu. Tuy vậy, các điều kiện trên vẫn có thể xác định được nếu đứng về phương diện số học gọi là tiêu chuẩn đồng dạng. Các tiêu chuẩn đồng dạng thì được đánh giá dựa trên các đặc điểm kỹ thuật của mô hình và việc bố trí thí nghiệm kiểm định mô hình. Thí dụ, chúng sẽ thiết lập tốc độ vận động của mô hình như là một hàm của: các kích thước, các tính chất vật lý của vật liệu mô hình, và các tính chất của môi trường kiểm định. Số tiêu chuẩn cần phải thỏa mãn đối với từng ngư cụ là khác nhau; và các điều kiện kiểm định mô hình khác nhau phụ thuộc vào vấn đề cần giải quyết. Tiêu chuẩn đồng dạng được xác định bởi các biến số: kích thước vật lý của ngư cụ; tính vận động; và tính chất vật lý của môi trường chất lỏng. Thì số Reynolds sẽ là đại diện cho tính chất này. Một khi đat được đồng dạng giữa mô hình và ngư cụ, giá trị của một tiêu chuẩn đồng dạng tương ứng nào đó thì bằng nhau. Do đó, để đảm bảo sự đồng dạng cần phải chọn đúng các đặc trưng vật lý của mô hình và các điều kiện mà dưới các điều kiện này nó được kiểm định, để mà giá trị của bất cứ cặp tiêu chuẩn đồng dạng B tương ứng cho mô hình Bm và nguyên mẫu Bp là bằng nhau, nghĩa là: Bm = Bp (3.8) Qui tắc theo công thức (3.8) là một tiêu chuẩn chung mà từ đây ta tìm ra tất cả các tiêu chuẩn cụ thể. Nhưng qui tắc này thì thường không dễ đạt được trong thi công mô hình, bởi các lý do thực tế như: thứ nhất, thiếu vật liệu thích hợp, hoặc thiều điều kiện kiểm định. Thứ đến, các giá trị số học của tiêu chuẩn đồng dạng của mô hình cũng không bằng nhau đối với nguyên mẫu hoặc tất cả các điều kiện được diễn tả bởi công thức tỉ lệ (3.7) cũng không thể đồng thời thoả đáng. Thỉnh thoảng, cả hai thiếu sót cùng xảy ra đồng thời. Tuy vậy, dù có bất cứ sự khác biệt nào tồn tại, thì một vài sai lệch so với qui tắc đồng dạng cũng có thể được chấp nhận, khi đó điều kiện đồng dạng xấp xĩ có thể được áp dụng. Khi kiểm định mô hình được tạo dựng dưới những điều kiện xấp xĩ như thế, thì mức sai lệch do ”xấp xĩ” cũng cần phải được đánh giá, được gọi là đánh giá ảnh hưởng tỉ lệ. Để cuối cùng, các tham số của ảnh hưởng tỉ lệ sẽ được sử dụng để hiệu chỉnh các kết quả của kiểm định mô hình. 3.3Các đánh giá về tính đồng dạng trong thi công và kiểm định mô hình ngư cụ Các bước cơ bản trong kiểm định mô hình ngư cụ là: (i) đánh giá các tham số cấu trúc của mô hình để thi công; (ii) đo các biến của mô hình trong thí nghiệm; (iii) ngoại suy dữ liệu mô hình cho thi công ngư cụ đánh bắt. Tất cả các bước này cần phải theo tiêu chuẩn về đồng dạng. Tuy nhiên, ta biết rằng thành phần chủ yếu của ngư cụ là lưới và các phụ tùng của nó (dây viền, các ma ní, khoá xoay, ) nên việc tạo dựng các mô hình có đầy đủ như thế thì khá là phức tạp. Tuy vậy, mô hình không nhất thiết phải là một bản sao của nguyên mẫu với tỉ lệ nhỏ chính xác như thế. 48
50. 3.3.1Điều kiện đồng dạng Để mô hình và nguyên mẫu được xem là đồng dạng theo Fridman (1973) phải thoả mãn 6 điều kiện như sau: 1) Các đường viền trong bản vẽ mô hình phải đồng dạng về hình học và các tỉ số diện tích phần chỉ lưới chiếm chổ phải bằng với tỉ số của nguyên mẫu, nghĩa là: Esm = Esp. 2) Các điều kiện biên trong thí nghiệm mô hình so nguyên mẫu khi có dòng chảy nên theo tiêu chuẩn đồng dạng thủy động lực đã có trong thực tế. 3) Các điều kiện ban đầu của vận động (hình dạng, tốc độ, hướng ở thời điểm T = 0) của mô hình và nguyên mẫu cũng phải theo tiêu chuẩn đồng dạng đã có trong thực tế. 4) Các tham số tỉ lệ của các lực tác động lên mô hình và nguyên mẫu, kể cả lên các phụ tùng, cần phải giống nhau về tất cả các lực, nghĩa là: Fm/Fp = hằng số. Vì thế, số Newton (Ne) (xem mục 3.4.5) phải là như nhau đối với cả hai mô hình và nguyên mẫu, nghĩa là: Nem = Nep. 5) Với các phụ tùng tương đối nặng (cáp, xích, ) ở đó lực trọng trường cũng là một nhân tố ảnh hưởng thì số Froude khái quát (Fr) (xem mục 3.4.6) phải như nhau ở cả mô hình và nguyên mẫu, nghĩa là: Frm = Frp. 6) Trường hợp có sự vận động tăng hoặc giảm tốc thì số Strouhal (Sr), (xem mục 3.4.7) cũng phải bằng nhau, nghĩa là: Srm = Srp đối với đồng dạng động lực học. 3.3.2Đồng dạng hình học Trong thiết kế mô hình, đồng dạng hình học so với nguyên mẫu thì được xét qua các kích thước tổng. Tuy nhiên, ta có thể sử dụng tham số về cỡ mắt lưới (m), độ thô (Dt) và hệ số rút gọn (U) để tính tỉ số diện tích phần chỉ chiếm chổ (Es) của cả hai mô hình và nguyên mẫu là bằng nhau, nghĩa là: Esm=Esp. Áp dụng công thức (2.9), ta có: Ekm .Dtm Ekp .Dtp Esm = = = Esp (3.9) Eum .m1m Eup .m1p ở đây: m1 = 2a lá kích thước 2 cạnh mắt lưới kéo căng. Tỉ số diện tích chỉ lưới chiếm chổ (Es) mà ở đó các lực thủy động trên một đơn vị diện tích lưới phụ thuộc vào nó có thể đạt được bởi các kết hợp của m1, Dt, Ek và Eu khác nhau. Điều kiện này sẽ đơn giản bớt đi việc chuẩn bị cho lưới mô hình bởi không nhất thiết phải dùng lưới có cở mắt lưới quá nhỏ và mịn. Thậm chí lưới mô hình cũng có thể làm giống như lưới nguyên mẫu. Từ công thức (3.9), chia biểu thức thứ 2 cho biểu thức thứ 3, ta được tiêu chuẩn đồng dạng hình học cho lưới. D m E tp . 1m . um = 1 (3.10) Dtm m1p Eup Trong nhiều loại ngư cụ, các phần lưới khác nhau thường có cỡ mắt lưới, độ thô và hệ số rút gọn khác nhau. Do đó, để giảm bớt việc tính toán, các giá trị khái quát tương đương cho D, m, và E mà chúng đặc trưng cho toàn bộ lưới như thể tất cả chúng làm cùng loại lưới, thì cũng có thể được áp dụng. Khi đó, trung bình cho mỗi tham số của 49
51. tổng k tấm lưới được cân theo diện tích chỉ (Si) của mỗi tấm nên được áp dụng. Ở đây Di, mi, và Ei là các giá trị của các tham số trong tấm lưới thứ i, các giá trị trung bình trọng lượng được định nghĩa sau: k k k ∑ Di .Si ∑ mi .Si ∑ Ei .Si i=1 i=1 i=1 D = k (3.11); m = k (3.12); E = k (3.13) ∑ Si ∑ Si ∑ Si i=1 i=1 i=1 Thí dụ 3.3 Tính đường kính trung bình của chỉ lưới hình nón cụt và hình trụ trong thí dụ 2.5. Giải: Đối với hình nón cụt đường kính chỉ lưới là Dtc = 1,5 mm và diện tích chỉ là Stc = 2 20,6 m . Đối với lưới hình trụ, đường kính chỉ lưới là Dt0 = 2,1 mm và diện tích chỉ 2 lưới là St0 = 40,7 m . Do đó, đường kính trung bình của các loại chỉ trong toàn bộ lưới là: (1,5× 20,6) + (2,1× 40,7) D = = 1,9 mm t 20,6 + 40,7 Các tham số trung bình này có thể được sử dụng để tìm ra các tham số tỉ lệ theo yêu cầu của tiêu chuẩn (3.10). Vậy: Tham số tỉ lệ đối với đường kính chỉ lưới là: S D = D p / D m (3.14) Tham số tỉ lệ đối với cở mắt lưới là: S m = m p / m m (3.15) Tham số tỉ lệ đối với hệ số rút gọn là: S E = E p / E m (3.16) Các tham số tỉ lệ này có thể được chọn làm các tham số thiết kế cho lưới mô hình, để duy trì tính không đổi của các diện tích lưới và tỉ số diện tích phần chỉ lưới chiếm chổ cho cả hai mô hình và nguyên mẫu. Tuy nhiên người ta thường chọn hệ số rút gọn (U) của mô hình là giống với nguyên mẫu, bởi hệ số rút gọn có thể ảnh hưởng đến hình dạng của mô hình trong quá trình hoạt động. Nếu mô hình kiểm định là quá nhỏ, khi đó chỉ các phần chính của mô hình được kiểm định, chẳng hạn: bộ lưới kéo không cần dây giềng quét và cáp. 3.3.4Điều kiện biên Khoảng cách giữa ngư cụ đến đáy biển (hoặc mặt nước) có thể ảnh hưởng đến hình dạng, độ lớn và hướng của các lực tác động lên ngư cụ. Chẳng hạn, lưới kéo nếu được kéo gần bề mặt của nước có thể gây ra sóng, làm tăng lực cản thủy động. Nhưng nếu được kéo ở độ sâu đủ lớn thì sóng sẽ không có và lực cản cũng giảm đi. Gần đáy biển, lực cản thủy động cũng sẽ tăng lên, và nếu lưới kéo chạm sát đáy thì lực cản ma sát sẽ xuất hiện. Vì thế, các điều kiện biên như gần bề mặt hoặc gần đáy sẽ ảnh hưởng đến hình dạng của lưới kéo khi chúng được kéo ở đó. Do đó, trong kiểm định mô hình, các điều kiện biên cần được mô phỏng đúng với những gì nguyên mẫu gặp phải. Các điều kiện biên này có thể đạt được bằng cách giữ khoảng cách giữa mô hình và biên theo đúng tỉ lệ như nguyên mẫu ở nơi nào có thể 50
52. giữ được. Do vậy, trong bố trí kiểm định các điều kiện biên nên được xem xét khi chọn tỉ lệ của mô hình. Tương tự, các khung lưới khi vận động hoặc cố định, và các phụ tùng mô hình làm việc trong điều kiện có dòng chảy cũng nên xem xét các điều kiện biên. Một vài trường hợp, ở đó khoảng cách giữa nguyên mẫu và các biên của nó khá lớn, thì khoảng cách giữa mô hình và biên của nó có thể đươc làm nhỏ hơn so với tỉ lệ của nguyên mẫu mà vẫn không bị ảnh hưởng của điều kiện biên. Tuy nhiên, một số ngư cụ như: câu, lưới cào, lưới rùng khi làm mô hình nên có các điều kiện biên như đúng thực tế làm việc của nó. Lưới thì ít bị ảnh hưởng điều kiện biên bởi dòng chảy không chỉ bao quanh mà còn chui qua lưới, nhưng đối với các phụ tùng cứng, đặc thì có thể bị ảnh hưởng của điều kiện biên. Thí dụ, đối với diện tích của mô hình ván lưới kéo không nên vượt hơn 3% diện tích mặt cắt của máng thí nghiệm, nhưng các mô hình lưới thì mặt cắt trực diện của lưới có thể lớn hơn 15 % mặt cắt ngang của máng thí nghiệm. 3.3.5Điều kiện ban đầu đối với các ngư cụ vận động Điều kiện ban đầu cũng là một nhân tố ảnh hưởng khi các biến thể hiện trạng thái của ngư cụ bị thay đổi trong quá trình thí nghiệm, như khi vận động không ổn định. Thí dụ, trong quá trình kéo lưới đáy, các biến của nó như: hình dạng, lực cản, độ sâu dắt lưới, đường đi và tốc độ thường được giữ ổn định. Nhưng trong lưới kéo tầng giữa, do phải bám cho được đàn cá nên các biến này luôn thay đổi. Trong nghiên cứu và chọn lựa sự vận động đúng cho mô hình thì nên chú ý các điều kiện ban đầu của nguyên mẫu, đó là: vị trí của bất cứ một điểm cần tham vấn nào (X0p) và tốc độ cần tham vấn của nó (V0p) tại thời điểm tham vấn (T0p) vào lúc nguyên mẫu bắt đầu vận động. ”Tốc độ tham vấn” là tốc độ ban đầu tại một điểm nào đó cần tham vấn trong ngư cụ, không nhất thiết phải là điểm trung tâm của ngư cụ. Các giá trị tương ứng giữa X0, V0, và T0 của nguyên mẫu và mô hình nên theo các tỉ lệ hằng số, đúng với qui tắc đồng dạng mô hình, nghĩa là: X 0 p V0 p T0 p = S L ; = SV ; = ST X 0m V0m T0m ở đây: SL, SV và ST tương ứng là các tham số tỉ lệ về kích thước, vận tốc và thời gian. 3.3.6Đồng dạng về lực Tính tương đồng về hình học giữa mô hình và nguyên mẫu trong quá trình hoạt động chỉ có thể được đảm bảo khi tất cả các lực có liên quan Fi có cùng tỉ lệ, đó là: Fip = S F Fim ở đây: Fi có thể biểu thị cho lực cản thủy động, hoặc trọng lượng lưới trong nước, hoặc sức nổi, hoặc lực ma sát ván trượt, v.v Tham số tỉ lệ của lực cản (SF) được đánh giá theo luật Newton, luật này nói rằng: tỉ lệ của ứng suất do áp lực thủy động, hoặc số Newton áp dụng cho các diện tích chiếm chổ của lưới, thì giống hệt nhau cho cả hai mô hình và nguyên mẫu. Số Newton để được giữ không đổi là 51
53. F.m Ne = (3.17) ρ.V 2 L2 .D ở đây: F- là lực tác động lên ngư cụ; m - là cỡ mắt lưới; D - là độ thô chỉ lưới; ρ - là mật độ của chất lỏng; V - là vận tốc tương đối; và L - là kích thước đặc trưng cần tham vấn của ngư cụ (chẳng hạn, chiều dài viền chì của lưới kéo). Việc chọn các kích thước đặc trưng tham vấn của ngư cụ cần phải như nhau đối với cả mô hình và nguyên mẫu. Luật Newton (3.17) cho ta tiêu chuẩn đồng dạng của các lực thủy động lên cả nguyên mẫu và mô hình. Tỉ lệ của các lực này, nghĩa là, tham số tỉ lệ lực cản thủy động, phải được dùng cho tất cả các lực khác tác động lên cả hai nguyên mẫu và mô hình, là phải cùng tỉ lệ. Luật Newton cần áp dụng ở những nơi lực cản thủy động là lực chính yếu gây ảnh hưởng đến ngư cụ, chẳng hạn khi ngư cụ được kéo, hoặc nơi dòng chảy đại dương ảnh hưởng đến hình dạng của lưới. Từ (3.17) sự đồng dạng giữa nguyên mẫu và mô hình có thể được viết như sau: Fp .m p Fm .mm 2 2 = 2 2 ρ p .V p .L p .D p ρ m .Vm .Lm .Dm chia biểu thức thứ 2 cho thứ 1, ta được: 2 2 Fp .m p .ρ m .Vm .Lm .Dm S F .S m 2 2 = 1 hay 2 2 2 = 1 (3.18) Fm .mm .ρ p .V p .Lp .D p S ρ .SV .S L .S D ở đây: các biến F, m, ρ, V, L, và D của (3.17) đều có thể được thay thế bởi các tham số tỉ lệ tương ứng của nó. Do vậy, tham số tỉ lệ về lực là: 2 2 S ρ .SV .S L .S D S F = (3.19) S m Việc nghiên cứu mô hình có bao hàm nghiên cứu chuyển động ổn định của lưới kéo, hoặc của các ngư cụ khác thì có thể được tạo dựng theo luật Newton. Điều này rất hữu ích, bởi nếu các tỉ lệ đồng dạng được chọn theo cách (3.19) sẽ rất thuận lợi cho việc kiểm định. Thí dụ 3.4 Hãy tính lực kéo cần thiết là bao nhiêu để kiểm định một mô hình lưới kéo tỉ lệ 5:1, vận động với vận tốc là 2:1. Lực cản và chiều dài của lưới kéo nguyên mẫu là Fp = 8000 kg và Lp = 200 m. Lưới thì giống nhau trong cả hai mô hình và nguyên mẫu. Giải: Fp Fp .Sm Từ công thức (3.19) lực cản của mô hình là: Fm = = 2 2 S F S ρ .SV .S L .S D Theo các điều kiện của bài tập, ta có: Sm = 1; Sρ = 1; SD = 1; SV = 1 8000 Vậy: F = = 80 kg m 52 × 22 Do đó, lực cần thiết để kéo được lưới kéo là 80 kg. 52
54. 3.3.7Đồng dạng về trọng lượng Trong ngư cụ, trọng lượng phao có ảnh hưởng trực tiếp đến hình dạng và ảnh hưởng gián tiếp đến độ lớn của các lực thủy động và lực ma sát tác dụng lên ngư cụ. Nếu ở đâu mà ảnh hưởng của trọng lượng là tương đối quan trọng, thì cần phải đảm bảo số Froude một khi áp dụng cho các vật thể đặc, rắn vận động trong chất lỏng phải hệt nhau giữa nguyên mẫu và mô hình. Số Froude để được giữ là hằng số là: ρ.V 2 Fr = (3.20) γ b .L ở đây: ρ - là mật độ của chất lỏng; V - là vận tốc tương đối của vật thể qua chất lỏng; L - là kích thước chiều dài đặc trưng của ngư cụ (chẳng hạn, độ thô Dt của chỉ hoặc thừng); và γb là trọng lượng riêng nổi trên đơn vị thể tích của khối vật thể trong chất lỏng được cho. Tiêu chuẩn này yêu cầu tỉ lệ về lực thủy động đối với lực trọng trường là như nhau giữa nguyên mẫu và mô hình. Fr trong công thức (3.20) gọi là số”Froude khái quát”, nó khác với số Froude Fr=V2/(g.L) dùng cho các công trình cầu cảng, bởi vì đó là sự áp dụng đặc biệt khi có sóng hình thành gần một bề mặt tự do của chất lỏng, ở đó mật độ ρ và trọng lượng riêng γ của chất lỏng một tầm quan trọng. Ở đó, γ/ρ = g là gia tốc trọng trường. Theo định nghĩa về trọng lượng riêng nổi (γb), ta có: W γ = w (3.21) b V ở đây: Ww - là trọng lượng nổi của vật thể rắn, đặc trong chất lỏng; V - là thể tích phủ ngoài của vật thể (là tích số của tiết diện và chiều dài của chỉ hoặc thừng, chẳng hạn). Đối với chỉ hoặc thừng thì γb cho dù có cùng nguyên liệu thì cũng không giống nhau bởi thường không đồng nhất về khối lượng hoặc cấu trúc (xem Bảng 3.1). Hơn nữa, γb cũng còn liên quan đến trọng lượng riêng của chất lỏng được kiểm định. Chăng hạn, nếu ở trong nước thì trọng lượng của lưới gần như bằng với sức nổi chất lỏng và nó hơi nhẹ hơn một chút. Trong khi đó nếu kiểm định trong không khí (như trong ống gió) trọng lượng của lưới thì bằng mức trọng lượng bình thường của nó, bởi sức nổi thì không đáng kể. Do vậy, trong đánh giá ảnh hưởng của trọng lượng, thì việc kiểm định mô hình trong nước thường được ưa thích hơn, bởi ảnh hưởng của tỉ lệ sẽ nhỏ hơn. Thật ra, kiểm định mô hình trong các chất lỏng đậm đặc hơn (nước muối mặn) hoặc ít đậm đặc hơn (dầu lửa) cũng giúp đánh giá của ảnh hưởng trọng lượng lên ngư cụ rất tốt, một khi vật liệu mô hình không đạt tiêu chuẩn yêu cầu cho kiểm định trong nước. Bảng 3.1 - Trọng lượng riêng nổi của một số vật liệu ngư cụ trong nước biển 3 Vật liệu γb (kg/m ) Chỉ lưới rê và lưới vây polyamide (R300 tex đến R500 tex) 45-70 Các chỉ lưới kéo nặng, dẹt hoặc bện (R5 ktex đến R50 ktex) 65-85 Thừng polyamide, chu vi 25-60 mm (40-220 g/m) 75-85 Thừng polyester, chu vi 25-60 mm (50-250 g/m) 230-270 Cáp thép 3500-5000 Ảnh hưởng của trọng lượng trong nước lên cách thể hiện của một dây giềng treo lơ lững một đầu trong dòng chảy được chỉ ra trong Hình 3.15. 53