HƯỚNG dẫn lập hồ sơ ĐĂNG ký dự THI NGHIÊN cứu SINH

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan tất cả các kết quả nghiên cứu trong đề tài luận án: “Ứng dụng phương pháp tính toán động lực học lưu chất CFD trong tối ưu hóa hình dạng mũi tàu quả lê” l

HUỲNH VĂN CHÍNH

ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC LƯU CHẤT (CFD) TRONG TỐI ƯU HÓA

HÌNH DẠNG MŨI TÀU QUẢ LÊ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

TP HỒ CHÍ MINH – 2022

HUỲNH VĂN CHÍNH

ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC LƯU CHẤT (CFD) TRONG TỐI ƯU HÓA

HÌNH DẠNG MŨI TÀU QUẢ LÊ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan tất cả các kết quả nghiên cứu trong đề tài luận án: “Ứng dụng

phương pháp tính toán động lực học lưu chất (CFD) trong tối ưu hóa hình dạng

mũi tàu quả lê” là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn khoa học

của PGS.TS Trần Gia Thái và TS Bùi Hồng Dương và chưa từng công bố trong bất

cứ công trình khoa học nào khác cho tới thời điểm này

Tp Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 4 năm 2022

Nghiên cứu sinh

Huỳnh Văn Chính

LỜI CÁM ƠN

Trong suốt quá trình thực hiện luận án, bản thân tôi đã nhận được sự giúp đỡ

tận tình của Phòng, Ban Trường Đại học Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh

Đặc biệt là sự hướng dẫn tận tâm của PGS.TS Trần Gia Thái và TS Bùi Hồng Dương

Qua đây, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến các Thầy về sự giúp đỡ này

Nhân dịp này tôi cũng xin gởi lời cảm ơn đến Ban Giám hiệu, Thầy Cô Viện Cơ Khí,

Viện Đào tạo Sau Đại học Trường Đại học Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí

Minh và các bạn đồng nghiệp đã tạo điều kiện, giúp đỡ và động viên tôi trong suốt quá

trình học tập, nghiên cứu thực hiện luận án tại Trường

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Tp Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 4 năm 2022

Tác giả

Huỳnh Văn Chính

TÓM TẮT

Sử dụng mũi quả lê không chỉ là giải pháp hiệu quả để làm giảm sức cản, mà còn cho phép cải thiện hầu hết các tính năng tàu, nhờ vậy có thể giảm chi phí nhiên liệu, tăng tốc độ, nâng cao mức độ an toàn và các hiệu quả kinh tế - kỹ thuật cho tàu đi biển Với tàu cá, mũi quả lê còn cho phép cải thiện được hiệu quả đánh bắt trên biển nhờ tàu

có độ chúi dọc và độ ổn định khi lắc dọc tốt hơn so với khi không trang bị dạng mũi này Tuy nhiên cho đến hiện nay, việc thiết kế và dự đoán công suất của tàu có mũi quả lê vẫn còn rất khó khăn do tương tác phức tạp giữa hệ thống sóng của thân tàu và quả lê Trong trường hợp thuận lợi, dạng mũi quả lê tối ưu có thể tạo ra hệ thống sóng giao thoa tích cực với hệ thống sóng tàu và có thể làm giảm đến (10-15)% sức cản tổng của tàu, nhưng nếu có hình dạng hoặc vị trí không thuận lợi, quả lê có thể gây ra

sự giao thoa tiêu cực, làm tăng hệ thống sóng tổng hợp và dẫn đến làm tăng lớn

sức cản tổng của tàu

Các nghiên cứu trước đây thường thử mô hình một loạt hình dạng thân tàu và quả lê,

và dựa trên cơ sở đó để tìm hình dạng quả lê phù hợp, tương ứng sức cản tàu là nhỏ nhất, nhưng các thử nghiệm như thế thường mất nhiều thời gian, công sức, chi phí tốn kém Một trong những nghiên cứu thực nghiệm toàn diện và nổi tiếng đã được thực hiện bởi M.Kracht (1978), trong đó ông đã phân tích dữ liệu thử nghiệm nhiều mô hình quả lê để thiết lập các đồ thị thiết kế sử dụng để thiết kế mũi quả lê cho các tàu đi biển hiện nay, tuy nhiên phương pháp này cũng có những nhược điểm cần được bổ sung, hoàn thiện Các nghiên cứu gần đây thường tối ưu hóa quả lê cho các tàu đã có sẵn dạng mũi này, bằng cách thay đổi các kích thước của nó và sử dụng phương pháp tính hiện đại CFD (Computational Fluid Dynamics) để ước tính giá trị hàm đơn mục tiêu vế sức cản tàu Từ những phân tích trên đây, cùng với chủ trương hiện đại hóa đội tàu cá của nhà nước trong thời gian gần đây, nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài luận án:

Ứng dụng phương pháp tính toán động lực học lưu chất (CFD) trong tối ưu hóa hình

dạng của mũi tàu quả lê với mục tiêu thiết kế mũi quả lê cho các tàu cá chưa có sẵn

dạng mũi này và ứng dụng CFD xác định hình dạng quả lê tối ưu đảm bảo độ giảm sức cản tổng của tàu là lớn nhất

Trên cơ sở tổng hợp và phân tích các nghiên cứu và các cơ sở lý luận có liên quan, tác giả đã xây dựng hướng nghiên cứu và các dữ liệu khoa học cần thiết để giải quyết mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận án, với những kết quả đạt được như sau:

Các nghiên cứu tính sức cản để tối ưu hóa quả lê hiện nay thường thực hiện cho

mô hình tàu có sẵn và không có giải pháp đảm bảo độ chính xác của kết quả tính CFD Nghiên cứu đã được ứng dụng để tính sức cản các tàu FAO 72 và FAO 75 bằng CFD với độ chính xác mong đợi, trên cơ sở đảm bảo độ chính xác của các thông số đầu vào, bao gồm mô hình tàu 3D, kích thước miền tính toán và các hệ số của mô hình rối

 Bổ sung, hoàn thiện phương pháp thiết kế mũi quả lê bằng đồ thị Kracht

Phương pháp thiết kế quả lê hiệu quả nhất hiện nay là sử dụng các đồ thị Kracht, tuy nhiên phương pháp này chỉ áp dụng cho tàu có hệ số béo trong phạm vi (0.56 - 0.82), kích thước quả lê chỉ gần tối ưu, không đề cập việc nối quả lê thiết kế vào phần thân tàu Kết quả nghiên cứu đã bổ sung, hoàn thiện phương pháp tính quả lê bằng đồ thị Kracht bằng cách xây dựng các đường cong nội suy và ngoại suy để tính quả lê tàu FAO 75 có hệ số béo CB = 0.524 nằm ngoài phạm vi áp dụng (0.56-0.82) của đồ thị này, với quả lê ban đầu có chiều dài LPRo= 1.50 m, chiều rộng BBo= 1.70 m, chiều cao ZBo = 2.1 m, sau đó sử dụng AutoShip xây dựng đường biên dạng và tích hợp quả lê vào thân tàu đảm bảo bề mặt tiếp giáp giữa quả lê và thân tàu trơn đều

và các thông số quả lê không đổi

(3) Xây dựng mô hình toán và phương pháp tối ưu hóa mũi quả lê tàu cá

Các nghiên cứu tối ưu quả lê hiện nay thường dựa trên hàm đơn mục tiêu sức cản không phù hợp với tàu cá và không đưa ra ràng buộc hoặc cơ sở khi thay đổi kích thước quả lê, dẫn đến các phương án tính quả lê có thể là không đầy đủ hoặc không cần thiết Kết quả nghiên cứu đã xây dựng được mô hình và phương pháp tối ưu mũi quả lê tàu cá với hàm đa mục tiêu về độ giảm công suất có ích phù hợp các chế độ làm việc tàu cá nhằm phát huy tối đa hiệu quả của quả lê, xác định các giới hạn và ràng buộc thay đổi kích thước để xây dựng ma trận phương án tính quả lê phù hợp và giải bài toán tối ưu dựa trên sự kết hợp CFD và mô hình thay thê Kết quả đã tính được quả lê tối ưu của tàu FAO 75 có chiều dài LPRop = 1.65 m, chiều rộng BBop = 1.91 m, chiều cao ZBop = 2.10 m dựa trên việc thay đổi đồng thời chiều dài và chiều rộng quả lê ban đầu với các gia số LPR = 0.11 m, BB = 0.21 m, và độ giảm sức cản tổng của tàu bằng khoảng 14%

Từ khóa: mũi quả lê, FAO 75, tối ưu, CFD, đồ thi Kracht, tàu cá

ABSTRACT

The use of a bulbous bow is not only an effective solution to reducing resistance but can also improve most of the ship's features, thereby, reducing fuel consumption, increasing speed, stability, and some economic-technical efficiencies for seagoing ships For fishing vessels, a bulbous bow improves fishing efficiency due to better trim and pitch motion Until now, the optimal design and required power prediction of the vessel with a bulbous bow has still been difficult due to the complex interference between the waves generated by the bulbous bow, and the waves of the hull when the

ship moves In case of positive interference between these waves, the ship resistance

can be reduced by about (12-15)%, but a negative interference can greatly increase the resistance Previous studies have often performed model tests for a series of hull and bulb shapes and based on that to find the optimal bulb, corresponding to the smallest ship resistance, however, such model tests are often time-consuming, and especially very expensive One of the most comprehensive and well-known model testing studies was performed by M.Kracht (1978), in which he analyzed the test data of many bulb models to establish design graphs, called Kracht charts, used to design the bulb for current seagoing ships, however, this method also has limitations that need to be completed and improved Recent studies have often optimized the bulb for ships that already have this bow shape, by varying its sizes and using the modern CFD method (Computational Fluid Dynamics) to predict the value of a single objective function in terms of the ship’s total resistance From the above analysis and the recent policy of modernizing the state's fishing fleet, the author has selected the thesis topic as

“Application of computational fluid dynamics (CFD) method in the optimization of the bulbous bow shape” with the objective of designing a bulbous bow for fishing

vessels, and appying the CFD method to find an optimal bulbous bow to achieve the maximum reduction in ship’s total resistance

Based on synthesizing and analyzing relevant studies and theoretical bases, the author has determined research directions and necessary scientific databases to solve the research objectives and contents of the thesis, and has achieved new research results, specifically as follows

Current studies on resistance predicting for bulb optimizing are often performed for existing hull models without a solution to ensure the accuracy of CFD-based results This research has been applied to predict the resistance of fishing vessels

FAO72 and FAO 75, with the expected accuracy based on ensuring the accuracy of

input parameters, including 3D hull models, domain computation size, and turbulence

the rest hull The research results have completed and improved the design bulb method using Kracht charts by determining the interpolation and extrapolation curves

to design the initial bulb of the FAO 75 vessel with a block coefficient of 0.524 outside range of (0.56 - 0.82), with length LPRo = 1.50 m, breadth BBo = 1.70 m, and height ZBo = 2.1 m, then use AutoShip to contour and join the bulb to the rest hull

so that the transition surface between the bulb and the rest hull are smooth, and the

bulb parameters are unchanged

(3) Establishing a mathematical model and optimization method for fishing vessel

bulbs

Current bulb optimization studies are often based on a single-objective function

of resistance which is unsuitable for fishing vessels, and do not provide constraints or

bases for changing bulb sizes, leading to bulb variants are set incompletely or unnecessarily The research results have established a mathematical model and an optimization method for bulbous bow with a multi-objective function of effective

power reduction suitable for the operating modes of the fishing vessels to maximize

the efficiency of the bulb, define the limits and constraints to establish a suitable matrix of the bulb size variants, and solve the optimization problem using a combination of CFD and surrogate models An optimal bulb of FAO 75 vessel was

obtained with length LPRop = 1.65 m, breadth BBop = 1.91 m, height ZBop = 2.10 m

based on a change of 0.11 m in length and 0.21 m in the breadth of the initial bulb,

and maximum total resistance reduction of about 14%

Keywords: bulbous bow, FAO 75, optimization, CFD, Kracht charts, fishing vessel

Chương 2 TÍNH SỨC CẢN TÀU BẰNG CFD 31

2.2.2 Xây dựng mô hình 3D và tính sơ bộ sức cản của tàu tính toán 50 2.2.3 Xác định các thông số mô phỏng phù hợp với tàu tính toán 54

3.1.3 Ảnh hưởng của các thông số hình học đến hiệu quả làm việc quả lê 72 3.2 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MŨI QUẢ LÊ BẰNG ĐỒ THỊ KRACHT 73 3.2.1 Xác định các hệ số hình học của quả lê cho tàu tính toán 75 3.2.2 Xây dựng đường hình dáng của quả lê tính toán 78 3.2.3 Tích hợp hình dạng quả lê vào đường hình tàu tính toán 81 3.3 MÔ HÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU HÓA MŨI QUẢ LÊ TÀU CÁ 86

3.3.2 Mô hình bài toán tối ưu hóa mũi quả lê tàu cá 88 3.3.3 Phương pháp giải bài toán tối ưu hóa mũi quả lê 95

3.4 ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHO TÀU TÍNH TOÁN 99 3.4.1 Thiết lập ma trận các phương án tính toán quả lê 99

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ABS American Bureau of Shipping Đăng kiểm Mỹ

BEM Boundary Element Method Phương pháp phần tử biên

CFD Computational Fluid Dynamics Tính toán động động lực học lưu chất DNS Direct Numerical Simulation Mô phỏng số trực tiếp

DTMB David Taylor Model Basin Bể thử mô hình Taylor

FAO Food and Agriculture Oganization Tổ chức Nông Lương Liên Hiệp Quốc FVM Finite Volume Method Phương pháp thể tích hữu hạn

ITTC International Towing Tank Conference Hội nghị quốc tế các bể thử tàu

JHSS Joint High Speed Sealift Tổ chức vận tải biển tốc độ cao

KCS KRISO Container Ship Tàu container KRISO

KRISO Korean Research Institute for Ship and

Ocean Engineering

Viện nghiên cứu tàu thủy và công trình biển Hàn Quốc

LES Large Eddy Simulation Mô phỏng xoáy lớn

NPL National Physical Laboratory Phòng thí nghiệm vật lý quốc gia NURBS Non Uniform Ration B-Splines Các đường B-Spline không đồng dạng RANSE Reynolds Average Navier-Stokes Equa-

tions

Trung bình Reynolds các phương trình Navier-Stokes

RBF Radial Basis Function Hàm cơ sở xuyên tâm

RSM Reponse Surface Method Phương pháp bề mặt đáp ứng

SSPA Swedish State Shipbuilding Tank Bể thử đóng tàu quốc gia Thụy Điển SST Shear Stress Transport Chuyển vị ứng suất cắt

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Các ký hiệu liên quan đến thông số tàu

LOA chiều dài lớn nhất của tàu, m

LWL chiều dài đường nước thiết kế, m

Lpp chiều dài hai đường vuông góc, m

Lfz chiều dài phía mũi của tàu tại chiều cao z, m

Laz chiều dài phía đuôi của tàu tại chiều cao z, m

B chiều rộng tàu ở đường nước thiết kế, m

T, d chiều chìm thiết kế của tàu, m

TFP chiều chìm phía mũi tàu, m

TAP chiều chìm phía đuôi tàu, m

CB hệ số đầy thể tích (hệ số béo)

CBf, CBa hệ số béo thể tích phía mũi và phía đuôi

CP hệ số lăng trụ dọc tàu

Cw hệ số đầy mặt đường nước

Cwf, Cwa hệ số béo đường nước phía mũi và phía đuôi

CM hệ số đầy mặt cắt ngang giữa tàu

Cp hệ số đầy lăng trụ dọc

LCB hoành độ tâm nổi, m

αE, αR góc vào nước phía mũi và phía đuôi, độ

 lượng chiếm nước, tấn

 thể tích chiếm nước, m3

AMS diện tích mặt cắt ngang giữa tàu, m2

, S diện tích mặt ướt của tàu, m2

RT sức cản tổng (hay sức cản chung) của tàu, KG

RTi sức cản tổng của tàu ở chế độ làm việc (i), KG

Rtn sức cản tàu tính từ thử nghiệm mô hình tàu trong bể thử, KG

 R độ sai lệch kết quả giữa sức cản tính từ XFlow và từ thử mô hình, %

độ biến đổi mật độ chất lỏng theo thời gian tại điểm cố định

 toán tử Haminlton (hay vector nabla)

u, v, w các thành phần vận tốc theo các vector đơn vị của hệ tọa độ Descartes

i, j, k vector đơn vị của hệ tọa độ Descartes

ω tốc độ khuếch tán động năng rối

Gk động năng rối do các gradient vận tốc trung bình sinh ra

G phát sinh hệ số 

k, m độ khuyếch tán hiệu quả của các hệ số k và ω

Yk, Y sự tiêu tán của các hệ số k và ω do rối

D số hạng khuếch tán chéo

Sk, S các số hạng do người dùng định nghĩa

k1, ω1, ω2 các hằng số của mô hình rối SST k-

i, i1 các hằng số của mô hình rối SST k-

Pk suất năng lượng rối

UF vận tốc dòng lưu chất tại điểm đang xét lấy bằng vận tốc tàu U

U vận tốc dòng xa vô cùng

p ápsuất trong dòng chảy

P áp suất trong dòng xa vô cùng

tốc độ thay đổi áp suất dòng chảy

Các ký hiệu liên quan đến quả lê

LPR chiều dài quả lê, m

BB chiều rộng lớn nhất của mặt cắt ngang quả lê, m

BMS chiều rộng mặt cắt ngang giữa tàu, m

ZB chiều cao quả lê, m

ABT diện tích mặt cắt ngang quả lê tính tại đường vuông góc mũi tàu FP, m2

A diện tích phần nhô ra của quả lê trong mặt cắt dọc, m2

VBtot thể tích toàn phần của quả lê, m3

VF thể tích của phần trơn để lắp quả lê vào thân tàu, m3

CLPR hệ số chiều dài quả lê

CBB hệ số chiều rộng quả lê

CZB hệ số chiều cao quả lê

CABT hệ số mặt cắt ngang của quả lê

CABL hệ số cạnh bên của quả lê

C PR hệ số thể tích quả lê

CP  R hệ số giảm công suất dư, %

RT, RTi độ thay đổi sức cản tổng của tàu sau khi lắp quả lê ở tốc độ tàu U và Ui, %

RT, RTi sức cản tổng của tàu trước khi lắp quả lê ở tốc độ tàu U và Ui, KG

RTb, Rbi sức cản tổng của tàu sau khi lắp quả lê ở tốc độ tàu U và Ui, KG

Pei, Pebi công suất có ích của tàu trước và sau khi lắp quả lê ở tốc độ Ui, PS

Pei độ thay đổi công suất có ích của tàu sau khi lắp quả lê ở tốc độ tàu Ui, %

wi trọng số hàm mục tiêu

RT1, RT2, RT3 độ thay đổi sức cản tổng của tàu tính tại các tốc độ U1, U2, U3

ở chế độ chạy hành trình, chạy dắt lưới và chạy kéo, thả lưới

CB, LCB, MG độ thay đổi của hệ số béo, lượng chiếm nước hoành độ tâm nổi

và độ cao tâm ổn định của tàu

LPRo, LPri, LPRop chiều dài quả lê ban đầu, ở phương án (i) và tối ưu

BBo, BBi, BBop chiều rộng quả lê ban đầu, ở phương án (i) và tối ưu

ZBo, ZBi, ZBop chiều cao quả lê ban đầu, ở phương án (i) và tối ưu

DANH MỤC CÁC BIỂU BẢNG

Bảng 1.1 Kết quả tính và so sánh mức độ thay đổi của công suất (%) đối với 09

phương án thiết kế mũi quả lê mới so với mũi quả lê ban đầu

12

Bảng 1.3 Kết quả tối ưu của hàm mục tiêu và các điều kiện ràng buộc 17

Bảng 2.1 Đặc điểm hình học tàu cá Việt Nam phân theo nghề khai thác 44 Bảng 2.2 Đường hình và các thông số chính của mẫu tàu FAO 72 46 Bảng 2.3 Đường hình và các thông số chính của mẫu tàu FAO 75 48 Bảng 2.4 So sánh thông số mô hình tàu FAO 75 dựng trong Autoship và tàu thật 52 Bảng 2.5 Các khuyến nghị về các kích thước của không gian miền tính 55 Bảng 2.6 Các phương án kích thước không gian miền tính 56 Bảng 2.7 Giá trị sức cản tổng R (KG) ở các phương án kích thước miền tính toán 56 Bảng 2.8 Các điều kiện biên trong mô hình tính của tàu tính toán 59 Bảng 2.9 Kết quả tính sức cản ở các phương án tham số mô hình rối tàu FAO 75 61 Bảng 2.10 Giá trị các hệ số trong mô hình rối khi mô phỏng số tàu FAO 75 62 Bảng 2.11 So sánh các thông số hình học thực tế của tàu FAO 75 với các số liệu

tương ứng xuất ra từ phần mềm XFlow ở trường hợp thử nghiệm I

Bảng 3.4 Giá trị các thông số hình học của tàu và của quả lê tính toán 77 Bảng 3.5 Tọa độ đường cong biên dạng dọc ở phần dưới quả lê 79 Bảng 3.6 So sánh các thông số hình học của quả lê tàu thiết kế với quả lê của mô

hình tàu xây dựng trên phần mềm AutoShip

85

Bảng 3.7 Phân bố các chế độ vận tốc và mớn nước của tàu cá 92 Bảng 3.8 Ma trận các phương án kích thước quả lê của tàu tính toán 99

Bảng 3.10 Độ thay đổi sức cản tổng của tàu tại các phương án thay đổi chiều dài

và chiều cao quả lê ban đầu ở các mớn nước khảo sát (%)

103

Bảng 3.11 Độ thay đổi công suất có ích của tàu Pe (%) ở các phương án quả lê 104 Bảng 3.12 Phương án quả lê tối ưu của các mô hình thay thế ở lần tính thứ nhất 105 Bảng 3.13 So sánh giá trị Pemax (%) tính từ XFlow và từ các mô hình thay thế

trong lần tính thứ nhất

106

Bảng 3.14 Phương án chiều dài và chiều rộng của quả lê tối ưu và giá trị Pe (%)

của tàu tính theo các mô hình thay thế ở lần tính thứ hai

107

Bảng 3.15 So sánh giá trị Pemax (%) tính từ XFlow và từ các mô hình thay thế ở

trong lần tính thứ hai

107

Bảng 3.16 Độ thay đổi sức cản tổng của tàu RT (%) tại các phương án thay đổi

chiều dài và chiều rộng quả lê ban đầu ở các mớn nước khảo sát

109

Bảng 3.17 Giá trị Pe (%) ở các phương án thay đổi chiều dài – chiều cao quả lê 110 Bảng 3.18 Phương án quả lê tối ưu của các mô hình thay thế ở lần tính thứ nhất 111 Bảng 3.19 So sánh giá trị Pemax (%) tính từ XFlow và từ các mô hình thay thế

trong lần tính thứ nhất

111

Bảng 3.20 Phương án chiều dài và chiều cao của quả lê tối ưu và giá trị Pe (%)

của tàu tính theo các mô hình thay thế trong lần tính thứ hai

113

Bảng 3.21 So sánh giá trị Pemax (%) tính từ XFlow và từ các mô hình thay thế

trong lần tính thứ hai

113

Bảng 3.22 Độ thay đổi sức cản tổng của tàu RT (%) tại các phương án thay đổi

chiều rộng và chiều cao quả lê ban đầu ở các mớn nước khảo sát

115

Bảng 3.23 Giá trị Pe (%) ở các phương án thay đổi chiều dài – chiều cao quả lê 116 Bảng 3.24 Phương án quả lê tối ưu của các mô hình thay thế ở lần tính thứ nhất 117 Bảng 3.25 So sánh giá trị Pemax (%) tính từ XFlow và từ các mô hình thay thế

trong lần tính thứ nhất

117

Bảng 3.26 Phương án chiều rộng và chiều cao quả lê tối ưu và giá trị Pemax (%)

của tàu tính theo các mô hình thay thế ở lần tính thứ hai

119

Bảng 3.27 So sánh giá trị Pemax (%) tính từ XFlow và từ các mô hình thay thế

trong lần tính thứ hai

119

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Minh họa tương tác của sóng mũi tàu và sóng tạo ra bởi quả lê 6

Hình 1.7 Bề mặt đáp ứng biểu diễn cho giá trị độ giảm công suất có ích với các

điểm đen là dữ liệu ban đầu và điểm đỏ biểu diễn độ giảm công suất tối đa

13

Hình 1.8 Các đường bao và đường đặc tính xây dựng mô hình tham số của tàu 14

Hình 1.10 Thay đổi hình dạng quả lê (a) ban đầu, (b) sau khi biến đổi 15

Hình 1.12 Sơ đồ khối của quá trình tối ưu quả lê theo mô hình tham số 16 Hình 1.13 Hình ảnh quả lê trước (Hình a) và sau tối ưu (Hình b) 17

Hình 1.15 Đường hình tàu nghiên cứu cùng mũi quả lê trước và sau khi tối ưu 19 Hình 1.16 Kết quả tính sức cản sóng và độ dâng của mặt sóng 19

Hình 1.19 Thân tàu seri 60 trước khi cải hoán (trên) và sau khi có quả lê (dưới) 21

Hình 1.24 Mũi tàu dạng quả lê và các tham số xác định nó 25 Hình 2.1 Các biến số trung bình và biến động của dòng lưu chất theo RANSE 34

Hình 2.3 Sơ đồ khối giải bài toán tính sức cản phù hợp với tàu nghiên cứu 42

Hình 2.5 Đồ thị sức cản của mẫu tàu FAO 72 ở các trường hợp thử nghiệm 47 Hình 2.6 Đồ thị sức cản của mẫu tàu FAO 75 ở các trường hợp thử nghiệm 49 Hình 2.7 Xây dựng lại bản vẽ mặt cắt ngang tàu FAO 75 50 Hình 2.8 Hiệu chỉnh các hàng và cột của bề mặt vỏ tàu 51 Hình 2.9 Mô hình 3D của tàu FAO 75 trong phần mềm AutoShip 51

Hình 2.11 Mô hình 3D của tàu FAO 75 trong phần mềm XFlow 53 Hình 2.12 Các kích thước và vị trí các biên của không gian miền tính 54 Hình 2.13 Kích thước không gian miền tính phù hợp với tàu tính toán 57 Hình 2.14 Kích thước không gian miền tính phù hợp tàu FAO 75 trong XFlow 57 Hình 2.15 Kết quả tính sức cản tàu FAO 75 ở một số giá trị vận tốc tàu 63 Hình 2.16 Đồ thị sức cản tàu FAO 75 từ XFlow và từ thử mô hình ở trường hợp I 65 Hình 2.17 Đồ thị sức cản tàu FAO 72 từ XFlow và từ thử mô hình ở trường hợp II 66

Hình 3.3 Xác định các hệ số chiều dài và chiều rộng quả lê 70

Hình 3.5 Cách xác định hệ số mặt cắt ngang và hệ số cạnh bên quả lê 71 Hình 3.6 Cách xác định hệ số thể tích CPR quả lê 71 Hình 3.7 Đồ thị thiết kế quả lê của Kracht ở hệ số béo CB = 0.70 74

Hình 3.8 Các đường cong nội suy thể hiện mối quan hệ giữa các thông số

quả lê với hệ số béo ở số Fn = 0.377 của tàu FAO 75

75

Hình 3.9 Đồ thị thể hiện mối quan hệ CP R = f(CLPR, Fn) ở hệ số béo CB = 0.56 76 Hình 3.10 Dựng đường cong biên dạng dọc cho phần trên của quả lê 78

Hình 3.12 Hiệu chỉnh các cột ở khu vực mũi để tạo biên dạng dọc quả lê 81 Hình 3.13 Hiệu chỉnh các đường sườn để tạo biên dạng ngang của quả lê 82

Hình 3.17 Bản vẽ đường hình quả lê đã được tích hợp với đường hình tàu 85 Hình 3.18 Biến thiết kế là các tham số kích thước của quả lê 88 Hình 3.19 Cách xác định giới hạn phạm vi thay đổi của hệ số hình học CLPR 89

Hình 3.21 Sơ đồ khối phương pháp tối ưu hóa mũi quả lê theo mô hình thay thế 98 Hình 3.22 Thay đổi tọa độ các điểm sườn mũi để tạo các phương án quả lê 100 Hình 3.23 Các phương án thay đổi đồng thời chiều dài và chiều rộng quả lê 101 Hình 3.24 Thay đổi đồng thời chiều dài và chiều rộng quả lê tàu FAO 75 102 Hình 3.25 Các mô hình thay thế Pe = f (LPRi, BBi) trong lần tính thứ nhất 104 Hình 3.26 Các mô hình thay thế Pe = f (LPRi, BBi) ở mớn nước T = 4.57 m

trong lần tính thứ 2

106

Hình 3.27 Các phương án thay đổi đồng thời chiều dài và chiều cao quả lê 108 Hình 3.28 Các mô hình thay thế Pe = f (LPRi, ZBi) trong lần tính thứ nhất 110 Hình 3.29 Các mô hình thay thế Pe = f (LPRi, ZBi) ở mớn nước T = 4.57 m

trong lần tính thứ hai

112

Hình 3.30 Các phương án thay đổi đồng thời chiều rộng và chiều cao quả lê 114

Hình 3.31 Các mô hình thay thế Pe = f (BBi, ZBi) trong lần tính thứ nhất 116 Hình 3.32 Các mô hình thay thế Pe = f (BBi, ZBi) ở mớn nước T = 4.57 m

trong lần tính thứ hai

118

Hình 3.33 Phân bố trường vận tốc và trường áp suất trong dòng lưu chất

xung quanh thân tàu FAO 75 trong trường hợp không có quả lê

121

Hình 3.34 Phân bố trường vận tốc và trường áp suất trong dòng lưu chất

xung quanh thân tàu FAO 75 trong trường hợp có quả lê tối ưu

122

Hình 3.35 Bản vẽ đường hình mũi quả lê ban đầu và quả lê tối ưu 123

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO LỰA CHỌN ĐỀ TÀI

Sử dụng mũi quả lê không chỉ là giải pháp hiệu quả để làm giảm sức cản, mà còn cho phép cải thiện hầu hết các tính năng tàu, nhờ vậy có thể giảm chi phí nhiên liệu, tăng tốc độ, nâng cao mức độ an toàn và hiệu quả kinh tế-kỹ thuật cho tàu đi biển [1] Tuy nhiên cho đến hiện nay, việc thiết kế và dự đoán công suất của tàu có mũi quả lê vẫn còn rất khó khăn do tương tác phức tạp giữa hệ thống sóng của thân tàu và quả lê Trong trường hợp thuận lợi, dạng mũi quả lê tối ưu có thể tạo ra hệ thống sóng giao thoa tích cực với hệ thống sóng tàu và làm giảm đến (12-15)% sức cản tổng của tàu [2], [3], nhưng nếu có hình dạng hoặc vị trí không thuận lợi, quả lê có thể gây ra sự giao thoa tiêu cực, làm tăng hệ thống sóng tổng hợp và dẫn đến làm tăng lớn sức cản tổng của tàu Trước đây, hình dạng và vị trí mũi quả lê thường được xác định thông qua thử nghiệm mô hình trong bể thử với nhiều phương án đặc điểm hình học khác nhau nhằm xác định phương án hình dạng quả lê phù hợp, tương ứng giá trị sức cản tổng của tàu là nhỏ nhất Rõ ràng các thử nghiệm như thế thường mất nhiều thời gian, công sức, chi phí tốn kém Gần đây, cùng với sự phát triển máy tính là sự xuất hiện phương pháp tính động lực học lưu chất, còn được gọi tắt bằng thuật ngữ CFD (Computational Fluid Dynamics) đã giúp giải quyết hiệu quả nhiều bài toán thực tế như thiết kế tối ưu, kiểm nghiệm và dự báo kết quả nghiên cứu, mô phỏng dòng lưu chất và nhiều bài toán phức tạp khác [4], [5] Với vai trò quan trọng như thế nên CFD

đã được nhìn nhận là “phương pháp thứ ba”, cùng hai phương pháp truyền thống là nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm thuần túy, trong nghiên cứu và phát triển những ứng dụng trong khoa học kỹ thuật [6], [7], [8] Với lý do đó, nghiên cứu sinh (NCS) đã lựa chọn hướng nghiên cứu ứng dụng phương pháp CFD trong xác định hình dạng tối

ưu của mũi tàu quả lê, bắt đầu từ việc giải bài toán xác định sức cản trong trường hợp tàu có và không có trang bị dạng mũi này và dựa trên cơ sở đó xây dựng và tính sức cản cho các phương án hình dạng khác nhau của quả lê để xác định phương án vị trí, kích thước và hình dạng phù hợp của mũi quả lê khi gắn nó lên tàu nhằm đạt được một

sự tối ưu về phương diện sức cản tổng cho những mẫu tàu tính toán

Ngoài ra trong thời gian gần đây, cùng với sự phát triển mạnh của ngành thủy sản

và sự hỗ trợ của nhà nước thông qua Nghị định 67/2014/NĐ-CP, ở nước ta đã đóng mới hàng loạt tàu cá vỏ thép có chiều dài dưới 30 m để phục vụ hoạt động khai thác xa

bờ Các tàu này chủ yếu đóng theo các mẫu thiết kế của các cơ quan, đơn vị trong nước, hầu hết không qua thử mô hình nên thực tế vẫn còn có một số mẫu khi hoạt động chưa thật sự phù hợp nghề khai thác, dẫn đến tính năng và hiệu quả làm việc chưa cao [49] Bên cạnh đó, do không có điều kiện và số liệu thử nghiệm hoạt động của mũi quả lê nên hầu hết mẫu tàu đánh cá ở nước ta đều thiết kế dạng mũi thẳng, không trang bị quả lê Điều này cũng góp phần làm ảnh hưởng đến tính năng hàng hải tàu khi đi trong sóng, nhất là đối với sức cản và tính lắc, những tính năng hàng hải rất cần cho tàu cá [9], [50] Với chủ trương hiện đại hóa đội tàu cá trong thời gian sắp tới nên hiện nhà nước ta rất mong muốn phát triển thiết kế các mẫu tàu cá vỏ thép hiện đại

có chiều dài trên 40 m nhằm mục tiêu đánh bắt các ngư trường xa bờ và bảo vệ an ninh quốc phòng trên biển Từ thực tiễn đội tàu cá ở nước ta đã nêu, PGS TS Trần Gia Thái

đã đặt vấn đề nghiên cứu và phát triển mẫu tàu cá vỏ thép cỡ vừa và nhỏ đã được các nhà khoa học của Tổ chức Nông Lương Liên Hiệp Quốc FAO (Food and Agriculture Organization) thử nghiệm ở các bể thử nổi tiếng thế giới NPL (Anh), SSPA (Thụy Điển) [10], [11], với mong muốn sử dụng các mẫu tàu này làm cơ sở thiết kế các mẫu tàu cá trên 40 m đảm bảo các tính năng hàng hải và phù hợp hoạt động khai thác ở nước ta hiện nay [49] Điểm đặc biệt là khi đó, các nhà khoa học của FAO đã tiến hành thử nghiệm hai nhóm tàu đánh cá vỏ thép có đặc điểm hình dạng và thông số hình học gần giống với nhau, với một nhóm có dạng quả lê và một nhóm không thiết

kế dạng mũi đặc biệt này [12] Tuy nhiên theo phân tích, đánh giá sơ bộ của NCS dựa trên các kết quả thử nghiệm mô hình của cả hai nhóm tàu này, kết cấu và hình dạng mũi quả lê trong trường hợp này đã không phát huy được hết tính năng ưu việt của chúng, đặc biệt là về vấn đề sức cản

Từ những phân tích về tính chất cấp thiết về mặt lý thuyết và thực tiễn nêu trên,

NCS lựa chọn thực hiện đề tài luận án tiến sĩ với tên gọi “Ứng dụng phương pháp tính toán động lực học lưu chất (CFD) trong tối ưu hóa hình dạng mũi tàu quả lê “ nhằm

mục đích xây dựng các cơ sở dữ liệu cần thiết để phục vụ công tác thiết kế các mẫu tàu

cá vỏ thép ở nước ta hiện nay

2 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

2.1 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chung của đề tài luận án là nghiên cứu ứng dụng phương pháp CFD trong tối ưu hình dạng mũi quả lê trên cơ sở đảm bảo độ giảm sức cản tổng của tàu là lớn nhất, và thỏa mãn được các ràng buộc đặt ra về hình học và các tính năng hàng hải của tàu Với mục tiêu chung này, cần thiết đặt và giải quyết được các mục tiêu cụ thể như sau:

- Phân tích các tài liệu và công trình nghiên cứu có liên quan phương pháp CFD

và ứng dụng nó trong tính sức cản tàu và tối ưu hóa hình dạng mũi tàu quả lê nhằm xây dựng hướng nghiên cứu và các cơ sở phương pháp luận cần thiết nhằm giải quyết mục tiêu và nội dung nghiên cứu đặt ra trong luận án

- Ứng dụng CFD tính sức cản của tàu nghiên cứu với độ chính xác mong đợi

để làm cơ sở giải quyết bài toán tối ưu hóa quả lê theo hàm mục tiêu sức cản

- Xây dựng phương pháp tối ưu hình dạng mũi quả lê phù hợp với tàu nghiên cứu 2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Từ thực tiễn nước ta hiện nay, luận án sẽ lựa chọn các mẫu tàu đánh cá vỏ thép của Tổ chức Nông lương Liên Hiệp Quốc FAO (Food and Agriculture Ỏrganization) Đây là các mẫu tàu cá vỏ thép có và không có trang bị kết cấu quả lê cỡ vừa và nhỏ đã được các nhà khoa học của FAO tổ chức thử nghiệm mô hình để xác định sức cản trong các bể thử mô hình tàu nổi tiếng thế giới như NPL (Anh), SSPA (Thụy Điển) [10], [11] Với đối tượng nghiên cứu cụ thể như trên, nội dung nghiên cứu của đề tài được giới hạn trong phạm vi như sau:

- Mô phỏng và tính sức cản tàu làm việc ở chế độ bơi theo định luật Archimede

và xem như tàu chuyển động thẳng đều trong môi trường nước tĩnh không chịu tác động bởi hệ thống sóng biển, sức cản không khí và có độ sâu không hạn chế

- Lưu chất sử dụng trong mô phỏng là đồng chất, có tính nhớt và không nén được

- Số liệu thử sức cản trong bể thử dùng so sánh trong luận án được xem như là

đảm bảo được độ chính xác và là cơ sở để đánh giá và hiệu chỉnh các thông số

mô phỏng khi tính sức cản của các tàu tính toán bằng phương pháp CFD

3 PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Phương pháp sử dụng trong luận án chủ yếu là phương pháp nghiên cứu lý yết, kết hợp sử dụng các số liệu sức cản thực nghiệm sẵn có của tàu tính toán để kiểm tra và hiệu chỉnh kết quả nghiên cứu lý thuyết phù hợp với loại tàu tính toán, cụ thể như sau

thu- Phân tích, lựa chọn các mẫu tàu tính toán đáp ứng yêu cầu và có đầy đủ số liệu thử mô hình xác định sức cản làm cơ sở đánh giá kết quả nghiên cứu lý thuyết

 Nghiên cứu lý thuyết CFD và các giải pháp đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy cho kết quả tính sức cản khi ứng dụng CFD xác định sức cản cho loại tàu cụ thể Trên cơ sở đó áp dụng tính sức cản của tàu tính toán và so sánh với số liệu thử mô hình tương ứng để kiểm tra và hiệu chỉnh kết quả nghiên cứu lý thuyết

 Nghiên cứu lý thuyết mô hình và phương pháp giải bài toán tối ưu hóa hình học mũi tàu quả lê và ứng dụng cho tàu đang tính

Trên cơ sở đó, luận án được kết cấu thành 04 chương như sau:

Chương 1 Đặt vấn đề

Trình bày tổng quan các công trình nghiên cứu có liên quan đến đề tài của luận

án và dựa trên cơ sở đó NCS sẽ phân tích và lựa chọn hướng nghiên cứu để giải quyết mục tiêu và các nội dung đã đặt ra trong luận án

Chương 2 Tính sức cản tàu bằng CFD

Trình bày khái quát lý thuyết CFD và kết quả nghiên cứu ứng dụng phương pháp CFD trong ước tính chính xác sức cản của các mẫu tàu tính toán

Chương 3 Thiết kế tối ưu mũi quả lê tàu cá

Trình bày các đặc điểm hình học và phương pháp thiết kế mũi quả lê và kết quả nghiên cứu xây dựng mô hình và phương pháp giải bài toán tối ưu hóa hình dạng quả

lê cho loại tàu thông dụng nói chung và loại tàu đánh cá nói riêng

Chương 4 Kết luận và khuyến nghị

Trình bày những phát hiện mới và những kết luận, khuyến nghị rút ra từ kết quả

nghiên cứu đã đạt được và những hướng nghiên cứu tiếp theo

4 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN

Từ những trình bày trên đây, cùng với những nội dung đã đạt được trong luận án,

có thể nhận thấy kết quả nghiên cứu của luận án bước đầu đã có các đóng góp nhất định, cả về mặt khoa học và thực tiễn cụ thể như sau

4.1 Ý nghĩa khoa học của luận án

Về mặt khoa học, luận án đã đóng góp được những kết quả mới cụ thể như sau:

- Xây dựng được cơ sở lý thuyết và thực tiễn ứng dụng lý thuyết CFD ước tính chính xác sức cản của một loại tàu cụ thể, ở đây là tàu cá vỏ thép cỡ vừa và lớn, chạy tốc độ chậm, chiều dài đoạn thân ống ngắn, có và không có mũi quả lê, bao gồm các nội dung: xây dựng và kiểm tra độ chính xác của mô hình tàu 3D, xác định được các thông số mô phỏng (hay thông số đầu vào cho lời giải CFD) phù hợp với loại tàu đang tính đảm bảo sao cho mức sai lệch giữa kết quả tính từ CFD và thực nghiệm mô hình nằm trong giới hạn cho phép (dưới 5%)

- Đề xuất được phương pháp tối ưu hóa hình dạng hình học của mũi tàu quả lê, bao gồm các nội dung: xây dựng mô hình bài toán tối ưu, phân tích và lựa chọn các chế độ tính toán phù hợp với điều kiện làm việc của tàu cá, xây dựng các phương án tính toán hình học quả lê, xây dựng và hiệu chỉnh mô hình thay thế

để xác định phương án quả lê tối ưu

- Cơ sở để có thể giải quyết nhiều bài toán thủy động lực học tàu thủy nói chung

và tàu thuyền nghề cá nói riêng, nhất là với bài toán tối ưu hóa đường hình tàu

4.2 Ý nghĩa thực tiễn của luận án

Về mặt thực tiễn, luận án đã đóng góp được những kết quả mới cụ thể như sau:

- Cơ sở để thiết kế các mẫu tàu cá vỏ thép cỡ lớn có các tính năng hàng hải tốt

và phù hợp với đặc thù của nghề cá nước ta hiện nay

- Hỗ trợ công tác thiết kế, chế tạo mũi tàu quả lê cho các loại tàu nói chung và loại tàu đánh cá vỏ thép cỡ lớn nói chung

- Sử dụng làm tài liệu giảng dạy và nghiên cứu trong lĩnh vực tàu thủy nói chung và tàu thuyền nghề cá nói riêng

Chương 1 ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1 TỔNG QUAN CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN

Mũi quả lê ra đời từ đầu thế kỷ XX, nhưng đến năm 1910 mới được D.Taylor (Mỹ) đưa vào thiết kế tàu hải quân USS Delaware nhưng vẫn chưa được chấp nhận rộng rãi Đến năm 1920, quả lê xuất hiện lần đầu trên hai tàu khách Bremen và Europa của Đức Đến năm 1931, mũi quả lê tiếp tục được trang bị trên các tàu chở khách nhỏ hơn khác như các tàu mang tên tổng thống Mỹ Hoover và Coolidge với kết cấu khá cồng kềnh Năm 1935, tàu Normandie được chế tạo với mũi quả lê đã chạy đạt được đến 30 hải lý Ngoài các tàu dân sự, ngay từ thế chiến thứ II thì một số tàu hải quân của Mỹ và Nhật như tàu tuần dương mang tên Yamato đóng năm 1940 đã có sử dụng dạng mũi quả lê Kể từ cuối năm 1950 mới bắt đầu có các nghiên cứu chính thức dạng mũi này và đến năm 1960, các tàu viễn dương của dân sự và quân sự mới trang bị nhiều dạng mũi này Tàu Yamashiro Maru đóng năm 1963 tại nhà máy đóng tàu Mitsubishi ở Nhật Bản là tàu đầu tiên trang bị mũi quả lê chạy đến tốc độ 20 hải lý với công suất 13.500 mã lực, trong khi các tàu tương tự phải cần đến công suất 17.500

mã lực để đạt cùng tốc độ [13] Mục đích gắn quả lê vào mũi tàu là để tạo ra thêm một

hệ thống sóng phía trước tàu nhằm làm giảm tối đa hệ thống sóng truyền dọc theo thân tàu như minh họa ở Hình 1.1 Khi tàu chưa có mũi quả lê chuyển động, do áp lực nước ở mũi cao hơn nên thân tàu (2) tạo ra hệ thống sóng mũi (4) cản trở tàu chuyển động, gây tổn thất năng lượng cho tàu Khi gắn quả lê có hình dạng phù hợp vào mũi tàu, quả lê (1) sẽ tạo ra hệ thống sóng (3), khi tương tác với hệ thống sóng mũi tàu (4) có thể xảy ra giao thoa ngược pha tích cực, theo nghĩa là đỉnh hệ thống sóng này chồng lên đáy của hệ thống sóng kia và ngược lại, làm triệt tiêu cả hai

hệ thống sóng (5), nhờ vậy làm giảm sức cản sinh sóng của tàu [14]

Hình 1.1 Minh họa tương tác của sóng mũi tàu và sóng tạo ra bởi quả lê

Một cách tổng quát, có thể chia những công trình nghiên cứu về mũi tàu quả lê thành hai hướng chính như sau:

1.1.1 Các công trình nghiên cứu truyền thống

Những công trình nghiên cứu truyền thống thường tiến hành xác định hình dạng

và kích thước các dạng mũi quả lê dựa vào kết quả thử nghiệm mô hình tàu trong bể thử Ví dụ ở Hình 1.2 là hình dạng mũi quả lê dưới dạng ống trụ tròn có ký hiệu kiểu C của Đại học Michgan được thiết kế dựa theo những mô hình đã qua thực nghiệm [13]

Hình 1.2 Hình dạng mũi quả lê kiểu ống trụ tròn

Hình 1.3 trình bày dạng mũi quả lê kiểu “bóng đèn tròn” ký hệu 3A, 3B, 3C [51]

Hình 1.3 Các hình dạng mũi quả lê kiểu bóng đèn tròn

Năm 1962, giáo sư T.Inui (Nhật) công bố công trình liên quan đến sức cản sóng, với thuyết “dạng tàu không sóng” ứng dụng quả lê làm phương tiện giảm sóng [15] Thực tế dạng tàu không sóng (waveless form) của giáo sư Inui ít có khả năng thực hiện song nếu chế tạo tàu theo tỷ lệ kích thước tác giả đề nghị cộng với sử dụng mũi quả lê theo tác giả đề nghị thì sức cản sóng của tàu sẽ nhỏ hơn nhiều so với tàu bình thường Theo giáo sư Inui, với mũi quả lê thì hệ thống mũi, lái được xét là hai hệ thống riêng còn hệ thống sóng do chúng sinh ra sẽ bị triệt tiêu lẫn nhau bằng phân bố

bổ sung gồm các nguồn âm dương hoặc nói theo ngôn ngữ toán là các điểm kỳ dị

toán (singularities) Chức năng của hệ thống bổ sung này là tạo ra một hệ thống sóng

cùng biên độ với hai hệ thống sóng ở mũi và lái, lệch pha với chúng và bằng cách đó

vô hiệu hóa chúng Mũi quả lê của giáo sư Inui được lắp thử cho tàu Murasaki và Kurenai Maru của Nhật Tàu sau lắp quả lê khá to, gấp ba bình thường, đường kính đến 3.5m, thể tích 40m3 Điều rất lạ là mặc dù kích thước mũi quả lê khá to nhưng đã phát huy tác dụng tốt hơn, giảm đến 13.1% công suất của máy chính tàu so với tàu khi không có lắp mũi quả lê Ở vận tốc cao 18.5 hl/h, tàu lắp mũi quả lê lớn chạy nhanh hơn tàu đồng kiểu 0.8 hl/h Hình 1.4 là kết quả thí nghiệm tàu gắn quả lê độ lớn khác nhau chạy vùng tốc độ rộng Có thể lưu ý với kiểu “quả lê” nhất định, kết quả mới sẽ có lợi khi giảm sức cản tàu nếu tàu khai thác ở vận tốc lớn nhất định [15]

Hình 1.4 Sức cản tàu có gắn quả lê phía mũi

Ảnh hưởng mũi quả lê thường được nghiên cứu ở nhiều góc độ khác nhau nhưng thường tập trung vào ảnh hưởng của nó đến sức cản và tính năng tàu [16], [1]:

(1) Ảnh hưởng đến sức cản

Hiệu ứng quan trọng nhất của quả lê là ảnh hưởng đến các thành phần sức cản tàu

và do đó sẽ ảnh hưởng đến công suất yêu cầu đẩy tàu chạy, cụ thể như sau [17], [18]

- Sự xuất hiện của quả lê sẽ làm tăng diện tích mặt ướt thân tàu nên luôn làm tăng

thành phần sức cản ma sát RF, chiếm phần chủ yếu của sức cản nhớt của tàu RV

Ngoài ra, sự có mặt quả lê ở một số trường hợp sẽ làm tăng độ trơn xung quanh

phần mũi nên sẽ làm thay đổi trường áp suất nhớt và làm giảm sức cản nhớt Với tàu béo và chạy chậm, việc giảm sức cản nhớt do độ trơn của phần mũi tàu có

thể làm xuất hiện thêm nhiều sóng khác, làm hạn chế ảnh hưởng của quả lê Còn ảnh hưởng của quả lê đến thành phần sức cản nhớt dư RVR do thay đổi trường vận tốc trong vùng gần mũi tàu vẫn chưa thật rõ ràng nên trong phân tích

các dữ liệu thử nghiệm theo phương pháp Froude đã không tính đến điểm này

- Quả lê ảnh hưởng lớn đến thành phần sức cản sinh sóng của tàu RWF do xảy ra

hiện tượng giao thoa giữa hai hệ thống sóng độc lập của thân tàu và của quả lê

Còn thành phần sức cản bẻ gẫy sóng RWB phụ thuộc trực tiếp vào sự phát triển của

hệ thống sóng tự do và sóng cục bộ xuất hiện trong vùng lân cận mũi tàu

và là nguyên nhân gây ra hiện tượng bắn các tia nước ở khu vực này khi tàu chạy

Hai thành phần sức cản này có liên quan đến việc tạo ra hệ thống sóng của tàu và

có giá trị rất khác đối với các tàu có hệ số béo và tốc độ hành trình khác nhau

Nguyên nhân vì việc giảm sức cản do quả lê cho các tàu béo, chạy chậm có thể

vượt sức cản sinh sóng ở số Fn < 0.2 là phần không đáng kể của sức cản tổng

Do đó việc am hiểu hiện tượng phá vỡ các sóng tàu có ý nghĩa rất quan trọng khi

thiết kế dạng mũi quả lê cho các tàu có hình dạng béo và chạy ở tốc độ chậm

Thành phần sức cản bẻ gẫy sóng RWB gồm tất cả phần năng lượng đã bị mất đi

do bẻ gẫy hay phá vỡ hệ thống sóng mũi quá đứng khi va đập với sống mũi tàu

Giá trị chính của phần năng lượng mất đi này có thể tìm được qua thử nghiệm

đo các hệ số dòng theo xuất hiện ở khu vực phía đuôi hoặc mũi khi tàu chạy

Hệ thống sóng cục bộ cũng góp phần chính yếu vào thành phần sức cản này

(2) Ảnh hưởng đến các tính năng hàng hải của tàu

Mặc dù có thể sẽ xảy ra những ảnh hưởng không thuận lợi nhưng nhìn chung thì các mũi quả lê không ảnh hưởng nhiều đến tính ổn định hoặc tính cơ động tàu [19] Không có sự thay đổi lớn nào về góc vào nước hoặc khoảng thời gian thử tàu chạy zigzag Ngoại trừ sự xuất hiện chuyển động tương đối của phần mũi tàu quả lê so với mặt nước thì mũi quả lê không gây ra các ảnh hưởng xấu đến các thành phần chuyển động còn lại hoặc ảnh hưởng đến giá trị mômen uốn cực đại trong mặt cắt ngang giữa thân tàu [17] Mặc dù có sự chuyển động tương đối của mũi quả lê nhưng những nguy hiểm gây ra do sự va đập của một quả lê có hình dáng tốt, không cao hơn so với tàu không lắp quả lê cụ thể quả lê làm giảm nhẹ chuyển động lắc dọc của tàu nhờ giảm chấn động hơn [20] Mũi quả lê làm phần thân mũi đầy đặn hơn nên đảm bảo chúi dọc

và ổn định tốt hơn, đồng thời làm thay đổi sức cản tổng nên cũng làm ảnh hưởng đến lực đẩy của chân vịt, và do đó làm ảnh hưởng đến các đặc tính đẩy tàu như hệ số hút t,

hệ số dòng theo w…dẫn đến làm hiệu suất động lực của tàu thay đổi, có thể là theo hai hướng ngược nhau Tóm lại, mũi quả lê ảnh hưởng lớn đến các tính năng thủy động học quan trọng của tàu theo hai hướng ngược nhau nên cần cân nhắc trước khi quyết định dùng dạng mũi này

Từ phân tích về các công trình nghiên cứu thực nghiệm truyền thống nhận thấy, mặc dù cũng sẽ gặp nhiều khó khăn nhưng hoàn toàn có thể tìm được những hình dạng và vị trí tối ưu của mũi quả lê cho phép làm giảm được giá trị sức cản tổng của tàu, mà thực chất chính là làm giảm được hệ thống sóng tạo ra khi tàu chuyển động tiến nhờ xảy ra sự giao thoa tích cực giữa hệ thống sóng của thân tàu và của mũi quả

lê Tùy thuộc vào sự khác nhau về pha và biên độ của hai hệ thống sóng mà có thể xảy ra sự giao thoa tích cực giữa hai hệ thống sóng làm triệt tiêu sức cản tổng hợp của cả hai, trong đó vị trí thân quả lê gây ra sự lệch pha, còn thể tích của nó liên quan biên độ Trong số các công trình nghiên cứu thực nghiệm truyền thống đã thực hiện trước đây, nổi tiếng nhất là công trình nghiên cứu của nhà khoa học người Đức Kracht (1978), trong đó ông đã tiến hành thử nghiệm hàng loạt mô hình tàu có gắn dạng mũi quả lê có hình dạng khác nhau và có hệ số béo của tàu nằm trong phạm vi

CB = (0.56 – 0.82) Trên cơ sở phân tích thống kê các dữ liệu thực nghiệm thu được, ông đã xây dựng được hàng loạt đồ thị đã được ứng dụng rộng rãi trong thiết kế mũi quả lê cho các tàu

1.1.2 Các công trình nghiên cứu hiện đại

Tất cả các công trình nghiên cứu thiết kế tối ưu mũi quả lê hiện nay đều bắt đầu

từ việc nghiên cứu ứng dụng lý thuyết CFD để ước tính sức cản đối với loại tàu đang tính Sau đó xây dựng các phương án quả lê mới bằng cách thay đổi các kích thước hình học hoặc cải tiến hình dáng quả lê và tính toán lại sức cản tương ứng với từng phương án nhằm tìm kiếm những phương án có lợi về mặt sức cản tàu trong các chế

độ khai thác Yêu cầu chung đặt ra cho phương án quả lê được chọn là đảm bảo sao cho các tính năng hàng hải của tàu không thay đổi, còn sức cản của tàu có thể giảm đến mức tối đa có thể Kết quả tổng quan các công trình nghiên cứu thế giới có liên quan vấn đề đặt ra ở đây, có thể tổng hợp thành hai xu hướng nghiên cứu giải bài toán tối ưu hóa quả lê như sau

1.1.2.1 Tối ưu hóa mũi quả lê dựa trên phương pháp phương án

Các công trình nghiên cứu theo hướng này thường cũng bắt đầu từ việc nghiên cứu ứng dụng lý thuyết CFD ước tính sức cản cho những tàu đã có trang bị sẵn mũi quả lê, sau đó tiến hành thay đổi các kích thước hình học của quả lê theo các gia số nhất định và ước tính sức cản, phân tích trường dòng để lựa chọn hình dạng tối ưu của mũi quả lê, tương ứng trường hợp có độ giảm sức cản tổng so với ban đầu lớn nhất [21], [1], [22] Đại diện cho hướng nghiên cứu này là công trình của tác giả Grzegorz Filip ở Khoa Kỹ thuật tàu thủy Đại học Michigan và các cộng sự ở Đăng kiểm Mỹ (ABS) [23] thực hiện tối ưu hóa quả lê cho tàu chở hàng KCS (KRISO Container Ship) (Hình 1.5) được thiết kế và phát triển bởi Viện nghiên cứu tàu thủy và công trình biển KRISO (Korean Research Institute for Ship and Ocean Engineering) của Hàn Quốc [24]

Hình 1.5 Hình ảnh tàu KCS với kết cấu quả lê ban đầu

Trong nghiên cứu này, các tác giả tiến hành thay đổi chiều cao H và chiểu rộng C của quả lê ban đầu để hình thành ra 9 phương án hình học quả lê khác nhau (Hình 1.6) Sau đó thực hiện tính sức cản cho 9 phương án bằng công cụ OpenFOAM của CFD theo cách làm phổ biến hiện nay là phương pháp RANSE với mô hình rối SST k - 

So sánh kết quả tính sức cản để chọn ra phương án tối ưu có sức cản nhỏ nhất [23]

Hình 1.6 Các phương án thiết kế mũi quả lê

Bảng 1.1 trình bày kết quả tính toán và so sánh mức độ thay đổi về công suất (%) của 09 phương án thiết kế mũi quả lê so với mũi quả lê ban đầu [23]

Bảng 1.1 Kết quả tính và so sánh mức độ thay đổi của công suất (%) đối với

09 phương án thiết kế mũi quả lê mới so với mũi quả lê ban đầu

Do số lượng các phương án thiết kế quả lê lựa chọn là chưa đủ để có thể nắm bắt chính xác sự thay đổi của giá trị sức cản tàu ở các phương án khác nên để đảm bảo được độ chính xác của kết quả nghiên cứu nói chung và kết quả ước tính sức cản nói riêng, các tác giả đề xuất sử dụng mô hình thay thế, thuật ngữ tiếng Anh là surrogate model Mô hình thay thế được sử dụng trong nghiên cứu này là mô hình nội suy Kriging nhằm xây dựng các bề mặt đáp ứng (reponse surface) đi qua các điểm dữ liệu sức cản ban đầu, dựa trên cơ sở đó xác định các phương án quả lê mới có độ giảm sức cản hay công suất có ích nhỏ nhất để bổ sung vào tập dữ liệu ban đầu, sau đó thực hiện tính toán xây dựng lại bề mặt đáp ứng của mô hình thay thế cho đến khi đạt được độ chính xác mong muốn Hình 1.7 mô tả hình ảnh bề mặt đáp ứng của mô hình thay thế dạng mô hình nội suy Kriging với đa thức bậc hai được xây dựng từ giá trị độ giảm công suất có ích của 9 phương án ban đầu (các điểm tròn) và điểm có độ giảm công suất lớn nhất (điểm đỏ) (hình bên trái) và sau khi bổ sung thêm các điểm có độ giảm công suất lớn nhất (hình bên phải)

Hình 1.7 Bề mặt đáp ứng biểu diễn cho giá trị độ giảm công suất có ích với các điểm đen là dữ liệu ban đầu và điểm đỏ biểu diễn độ giảm công suất tối đa [23]

Khi nghiên cứu công trình này, NCS nhận thấy vẫn còn nhiều vấn đề cần thảo luận về cơ sở khoa học lựa chọn các thông số chiều rộng và chiều cao quả lê khi tối

ưu hóa, lựa chọn 9 phương án thiết kế quả lê ban đầu, xử lý lưới chia ở khu vực mặt thoáng và đánh giá độ chính xác của lưới chia và kết quả tính sức cản thực hiện trong OpenFOAM

1.1.2.2 Tối ưu hóa mũi quả lê dựa trên phương pháp tham số

Các nghiên cứu theo hướng này sử dụng mô hình tham số xây dựng từ tập hợp

các đường cong cơ bản dùng biểu diễn các đường bao ngoài hình dạng thân tàu và quả

lê Khi đó, các đường cong và mặt cong hình thành bề mặt tàu và quả lê sẽ được nội suy từ các đường cơ bản trên, nhờ vậy cho phép thay đổi hình dạng thân tàu và quả lê hiệu quả Thiết lập mối quan hệ giữa các thông số hình học của tàu với các tham số của mô hình và dựa trên cơ sở đó lựa chọn các thông số hình học tối ưu được xem như

là các biến của bài toán tối ưu để xác định hình dạng tối ưu của thân tàu hoặc quả lê [9], [25], [26] Tiêu biểu cho hướng nghiên cứu này là công trình của các tác giả Weilin Luo và Linqiang Lan thuộc Viện Cơ khí và Tự động hóa Đại học Phúc Châu, Trung Quốc [27], trong đó các đường cong đặc tính biểu diễn của mô hình tàu được minh họa ở Hình 1.8, gồm các đường cong cụ thể như sau:

- Đường cong dọc tâm chạy theo mặt phẳng dọc giữa tàu để định hình đường

đáy, đường giới hạn trước (phía mũi tàu) và giới hạn sau (phía đuôi tàu)

- Đường mép boong chạy dọc theo mép boong tàu để định hình mép boong tàu

- Đường giới hạn đáy và đường giới hạn mạn phẳng để định hình khu vực đáy

và mạn phẳng của tàu

- Đường kết thúc của vách đuôi để định hình kiểu vòm đuôi tàu dạng transom

hay tuần dương hạm

Hình 1.8 Các đường bao và đường đặc tính xây dựng mô hình tham số của tàu

Với quả lê, do đường hình quả lê ảnh hưởng lớn đến sức cản sóng hình thành nên các tác giả lựa chọn các biến thiết kế là các tham số kiểm soát hình dạng quả lê gồm có:

- Khoảng cách giữa trọng tâm và điểm mút trước quả lê (Dcf) và cao độ của điểm mút trước quả lê (Hf);

- Diện tích (Ftl) và hệ số đầy diện tích (Cftl) mặt cắt ngang dọc ở đỉnh quả lê

- Diện tích (Fll) và hệ số đầy diện tích (Cfll) mặt cắt ngang dọc ở đáy quả lê

- Diện tích (Fhb) và nửa chiều rộng tối đa của mặt cắt ngang quả lê (Bh)

Sử dụng các tham số điều khiển này để tạo ra các đường cơ bản mô tả hình dạng quả lê gồm đường bao mặt cắt dọc ở đỉnh, đường bao mặt cắt dọc ở đáy, đường cao độ

ở nửa chiều rộng và đường cao độ ở chiều rộng lớn nhất như mô tả ở Hình 1.9 [27]

Hình 1.9 Các đường cong tham số của quả lê

Khi đó, có thể thay đổi hình dạng quả lê bằng cách di chuyển các điểm kiểm soát của đường B-Spline dùng mô tả các đường cong đặc tính nêu ở phần trên để thay đổi hình dạng đường này theo các thông số hình học nhập vào như mô tả ở Hình 1.10 [26]

(a) (b)

Hình 1.10 Thay đổi hình dạng quả lê (a) ban đầu, (b) sau khi biến đổi

Kết quả nghiên cứu được các tác giả tính cho mẫu tàu Ro-Ro chiều dài 165.0 m,

chiều rộng 24.8 m, mớn nước 8.7 m, hệ số béo 0.65, chạy ở vận tốc 22 hải lý,

Fn = 0.28 Thao tác tối ưu thực hiện trong môi trường tích hợp của môđun Caeses và

ShipFlow, trong đó dùng môđun Caeses xây dựng mô hình tham số các đường đặc trưng đã nêu, với tập dữ liệu dùng dựng đường cong tham số mô tả các đường cắt

dọc tàu trước tiên và dựa trên cơ sở đó dựng các đường mặt cắt ngang bằng đường

cong tham số B-Spline mô tả hình dạng vỏ tàu và quả lê theo các đường B-Spline và

mặt NURBS (Hình 1.11)

Hình 1.11 Các bề mặt vỏ tàu của tàu Ro-Ro nghiên cứu [33]

Kết quả nhận được tọa độ đường hình thân tàu và quả lê đã cho và tự động nhập vào

ShipFlow để thực hiện tính toán sức cản bằng CFD, sau đó các kết quả tính CFD lại

được nhập trở lại vào môđun Caeses để so sánh với hàm mục tiêu của bài toán tối ưu

Nếu đạt hàm mục tiêu sẽ xuất đường hình tối ưu, nếu không tiếp tục hiệu chỉnh lại các

biến thiết kế theo thuật toán tối ưu đến khi đạt giá trị hàm mục tiêu (Hình 1.12) [26]

Hình 1.12 Sơ đồ khối của quá trình tối ưu quả lê theo mô hình tham số

Mô hình tham số

File tọa độ đường hình tàu

Tính và xuất kết quả CFD

Hiệu chỉnh các biến thiết kế

Xuất đường hình tối ưu