Ứng dụng lý thuyết CFD (Computational Fluid Dynamics) xác định sức cản tàu cá vỏ gỗ Việt Nam.

1. LÝ DO LỰA CHỌN ĐỀ TÀI Với 3,000 km bờ biển, thủy sản đã trở thành một trong các ngành kinh tế mũi nhọn, đóng góp quan trọng vào sự phát triển ổn định và bền vững kinh tế - xã hội của đất nước. Trong những năm qua, nghề cá nước ta nói chung và đội tàu khai thác hải sản nói riêng đã có sự phát triển vượt bậc và đóng góp đáng kể cho ngành thủy sản của Việt Nam. Tính đến giữa năm 2016, đội tàu khai thác hải sản nước ta đã đạt đến gần 120,000 tàu nhưng hầu hết là tàu vỏ gỗ cỡ nhỏ, đóng theo kinh nghiệm dựa vào mẫu tàu truyền thống, không được tính toán cụ thể nên trong nhiều trường hợp, các mẫu tàu đã không đảm bảo được các tính năng hàng hải cần thiết, nhất là trong điều kiện thời tiết không thuận lợi. Do đó trong thời gian gần đây, nhà nước ta đã xây dựng nhiều chủ trương, chính sách nhằm phát triển bền vững và hiện đại hóa đội tàu đánh cá ngang tầm với nhiệm vụ mới. Trong bối cảnh đó, vấn đề đặt ra cho các nhà khoa học là cần nghiên cứu thiết kế các mẫu tàu cá phù hợp nghề khai thác và có hình dạng tối ưu nhằm làm giảm sức cản để tăng mức độ an toàn và giảm bớt chi phí chuyến biển do giá nhiên liệu ngày càng cao. Vì lý do đó, bài toán nghiên cứu xác định chính xác sức cản các mẫu tàu đánh cá vỏ gỗ ở nước ta hiện nay có vai trò và ý nghĩa quan trọng, đồng thời mang tính chất cấp thiết, nhất là trong bối cảnh vùng biển đông Việt Nam đang có nhiều biến động như hiện nay. Theo cách truyền thống, thường có hai cách tiếp cận chính trong nghiên cứu giải quyết bài toán xác định sức cản tàu thủy là nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm. Phương pháp lý thuyết được tiến hành chủ yếu dựa trên cơ sở lý thuyết về cơ lưu chất, có thể cho độ chính xác cao nhưng rất khó áp dụng vì giới hạn về khả năng tính toán. Phương pháp thực nghiệm hay dùng là phương pháp kéo thử mô hình tàu trong bể thử, tuy nhiên ngoài các hạn chế thường gặp khi thực nghiệm như mất rất nhiều thời gian, công sức, chi phí tốn kém, trong nhiều trường hợp không thể tổ chức thực nghiệm được, vì qua thử nghiệm mô hình tàu cũng chỉ nhận được thông tin hạn chế về trường dòng với kết quả chủ yếu là xác định lực cản dư nói riêng và lực cản toàn bộ tàu nói chung. Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh của phương pháp tính và kỹ thuật máy tính, tính toán động lực học lưu chất (Computational Fluid Dynamics - CFD) đã trở thành phương pháp nghiên cứu hiệu quả trong nhiều lĩnh vực nói chung, đặc biệt là trong lĩnh vực kỹ thuật tàu thủy nói riêng để giải nhiều bài toán phức tạp như tính toán, thiết kế tối ưu, kiểm nghiệm, dự báo kết quả nghiên cứu, mô phỏng [10], [11]. CFD đóng vai trò như là một công cụ hỗ trợ rất đắc lực cho việc tính toán, thiết kế và ảnh hưởng lớn đến cuộc cách mạng về tính toán động lực học các chất lỏng và chất khí. 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 các nghiên cứu về lý thuyết và phát triển những ứng dụng trong khoa học kỹ thuật. Về bản chất, tính toán động lực học lưu chất là phương pháp tính xây dựng trên cơ sở kết hợp phương pháp số và công nghệ mô phỏng trên máy tính để giải những bài toán liên quan chuyển động của dòng chất lỏng hoặc dòng chất khí bao xung quanh vật thể. Vì thế phương pháp này đặc biệt hiệu quả trong giải bài toán dòng lưu chất chuyển động xung quanh vật thể phức tạp nói chung và các bài toán động lực học tàu thủy nói riêng. Trong số đó như đã biết, bài toán xác định sức cản tàu có vai trò, ý nghĩa rất quan trọng vì là cơ sở cho việc tính toán thiết bị năng lượng và tối ưu hóa đường hình dáng tàu – những bài toán mà trước đây thường chỉ được thực hiện bằng con đường thực nghiệm. Ngày nay, CFD đã thực sự đóng vai trò rất quan trọng trong thiết kế hình dáng thân tàu, được sử dụng để phân tích các tính năng hàng hải tàu nói chung và sức cản tàu nói riêng, đồng thời khảo sát sự thay đổi của chúng khi thay đổi các thông số hoặc hình dáng tàu, vốn là một nhiệm vụ rất quan trọng trong giai đoạn thiết kế sơ bộ và thiết kế kỹ thuật. Phân tích sức cản dựa trên mô phỏng CFD cũng đã trở thành một yếu tố quyết định trong việc phát triển hình dạng các mẫu tàu mới, hiệu quả kinh tế và thân thiện với môi trường. Với lý do đó, chúng tôi đã lựa chọn hướng nghiên cứu về mô phỏng số dựa trên cơ sở phương pháp tính toán động lực học lưu chất để giải bài toán xác định sức cản tàu thủy, đặc biệt là ứng dụng cho các mẫu tàu đánh cá vỏ gỗ truyền thống ở nước ta hiện nay. Từ phân tích trên đây, khi thực hiện luận án Tiến sĩ ngành Kỹ thuật cơ khí động lực, chúng tôi đã đặt vấn đề thực hiện đề tài: “Ứng dụng lý thuyết CFD (Computational Fluid Dynamics) xác định sức cản tàu cá vỏ gỗ Việt Nam”.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

LÊ VĂN TOÀN

ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT CFD (COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS) XÁC ĐỊNH SỨC CẢN TÀU CÁ VỎ GỖ VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

KHÁNH HÒA – 2017

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC KÝ HIỆU vii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT x

DANH MỤC CÁC BẢNG xi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ xiii

MỞ ĐẦU 1

1 LÝ DO LỰA CHỌN ĐỀ TÀI 1

2 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 3

2.1 Ý nghĩa khoa học của đề tài 3

2.2 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài 3

3 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 4

3.1 Mục tiêu nghiên cứu 4

3.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4

4 PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 5

4.1 Phương pháp nghiên cứu 5

4.2 Nội dung nghiên cứu 6

Chương 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 7

1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI 7

1.1.1 Mô hình tàu Wigley và phương pháp số của Michell 9

1.1.2 Phương pháp phần tử biên - BEM (Boundary Element Method) 13

1.1.3 Phương pháp Panel 16

1.1.4 Phương pháp RANS (Reynold Average Navier-Stoke) 20

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC 33

1.3 NHẬN XÉT CHUNG 37

1.3.1 Về mẫu tàu tính toán 37

1.3.2 Về mô hình tính và phương pháp giải 37

1.3.3 Về công cụ giải 38

1.3.4 Về kết quả và độ chính xác của kết quả tính 39

1.4 ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU 40

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 41

2.1 SỨC CẢN TÀU THỦY 41

2.1.1 Các thành phần sức cản 41

2.1.2 Bản chất của các thành phần sức cản 43

2.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CFD 53

2.2.1 Khái quát về CFD 53

2.2.2 Các phương trình chủ đạo 54

2.2.3 Phương trình RANS 59

2.2.4 Mô hình dòng chảy rối 61

2.3 THUẬT TOÁN VÀ LẬP TRÌNH GIẢI CÁC PHƯƠNG TRÌNH RANS 66

2.3.1 Thuật toán giải theo phương pháp thể tích hữu hạn (FVM) 66

2.3.2 Thuật toán giải 73

2.3.3 Mã nguồn mở OpenFoam 78

Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 80

3.1 LỰA CHỌN MẪU TÀU TÍNH TOÁN 82

3.1.1 Mẫu tàu M1317A 82

3.1.2 Mẫu tàu M1319 84

3.2 PHÂN TÍCH ĐẶC ĐIỂM THỦY ĐỘNG HỌC LOẠI TÀU TÍNH TOÁN 86

3.3 THUẬT TOÁN VÀ LẬP TRÌNH MÔ PHỎNG DÒNG LƯU CHẤT 91

3.3.1 Thuật toán giải bài toán mô phỏng dòng lưu chất bao xung quanh thân tàu 91

3.3.2 Lập trình giải trên OpenFOAM 95

3.4 XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ CỦA LỜI GIẢI BÀI TOÁN TÍNH SỨC CẢN

BẰNG CFD PHÙ HỢP VỚI LOẠI TÀU ĐANG TÍNH 97

3.4.1 Xây dựng mô hình hình học 3D vỏ tàu 98

3.4.2 Xác lập không gian miền tính toán 111

3.4.3 Rời rạc hóa không gian tính toán và mô hình hình học vỏ tàu 118

3.4.4 Thiết lập điều kiện ban đầu và điều kiện biên 125

3.5 TÍNH TOÁN CHO CÁC MẪU TÀU THỰC NGHIỆM M1317A VÀ M1319 131

3.5.1 Tính toán trường dòng chất lỏng bao xung quanh tàu 131

3.5.2 Tính lực thủy động và mômen thủy động 136

3.5.3 Tính và xây dựng đường cong sức cản 140

Chương 4: PHÂN TÍCH KẾT QUẢ VÀ KẾT LUẬN 148

4.1 PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 148

4.1.1 Đánh giá kết quả tính sức cản 148

4.1.2 Đặc điểm của các thành phần sức cản 150

4.2 KẾT LUẬN 154

4.2.1 Về file hình học bề mặt vỏ tàu 154

4.2.2 Lời giải CFD của bài toán xác định sức cản tàu cá Việt Nam 154

4.2.3 Đặc điểm của các thành phần sức cản của mẫu tàu cá vỏ gỗ Việt Nam 155

4.2.4 Đặc điểm trường dòng và giá trị vận tốc khai thác, vận tốc giới hạn hợp lý 155

4.2.5 Độ tin cậy của kết quả nghiên cứu 156

4.3 KHUYẾN NGHỊ 162

DANH MỤC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU CỦA TÁC GIẢ 163 TÀI LIỆU THAM KHẢO 164 PHỤ LỤC I.1

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Các thông số chính của tàu DTMB-5415 21

Bảng 1.2 Các thông số chính của tàu 22

Bảng 1.3 Thông số kích thước tàu 23

Bảng 1.4 Giá trị hệ số sức cản CT, CR, CF tại Fn = 0.26 25

Bảng 1.5 Các thông số chính của tàu container 28

Bảng 1.6 Giá trị sức cản mẫu tàu tính toán 30

Bảng 1.7 Các thông số kỹ thuật chính của tàu container KCS 31

Bảng 2.1 Các hằng số của mô hình SST 65

Bảng 3.1 Các thông số hình học của mẫu tàu M1317A 82

Bảng 3.2 Kết quả thử nghiệm kéo trên nước tĩnh và khi chuyển đổi sang tàu thật của mô hình tàu M1317A ở chế độ d = 1.23 m 83

Bảng 3.3 Các thông số hình học của mẫu tàu M1319 84

Bảng 3.4 Kết quả thử nghiệm kéo trên nước tĩnh và khi chuyển đổi sang tàu thật của mô hình tàu M1319 ở chế độ d = 0.74 m 85

Bảng 3.5a Đặc điểm hình học tàu cá Việt Nam phân theo nghề khai thác 86

Bảng 3.5b So sánh thông số Fn, CB, Lpp của tàu chở hàng chạy biển thông thường và tàu cá vỏ gỗ Việt Nam 88

Bảng 3.6 So sánh các thông số hình học của mẫu tàu M1317A và mô hình dựng trong phần mềm Autoship 105

Bảng 3.7 So sánh các thông số hình học cơ bản của mẫu tàu M1319 và mô hình mẫu tàu dựng trong phần mềm Autoship 108

Bảng 3.8 Đặc điểm lớp lăng trụ nằm gần lớp biên tường trong bài toán mô phỏng mô hình tàu M1317A đang xét 122

Bảng 3.9 Giá trị các hệ số rối của tàu M1317A 128

Bảng 3.10 Giá trị các hệ số rối của tàu M1319 128

Bảng 3.11 Đặc tính của biên 130

Bảng 3.12 Tính chất vật lý chất lỏng tại biên 130

Bảng 3.13 Lực và mômen thủy động mẫu tàu M1317A tại Fn = 0.329 136

Bảng 3.14 Lực và mômen thủy động của mẫu tàu M1319 tại Fn = 0.396 137

Bảng 3.15 Kết quả tính chuyển sức cản tàu M1317A và so sánh thực nghiệm 143

Bảng 3.16 Kết quả tính chuyển sức cản tàu M1319 và so sánh thực nghiệm 147

Bảng 4.1 So sánh kết quả tính sức cản mẫu tàu M1317A theo CFD với thực nghiệm 148

Bảng 4.2 So sánh kết quả tính sức cản mẫu tàu M1319 theo CFD với thực nghiệm 149 Bảng 4.3 Các thông số chung của mẫu tàu MH076 157

Bảng 4.4 So sánh kết quả tính từ CFD và thực nghiệm của mẫu tàu MH076 161

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Quá trình sinh sóng khi tàu di chuyển 8

Hình 1.2 Tàu mảnh theo giả thuyết của Michell 9

Hình 1.3 Các dạng hình học của tàu Wigley 10

Hình 1.4 Hệ số sức cản sinh sóng mẫu tàu Wigley 11

Hình 1.5 Các hệ số sức cản ở các giá trị số Froude (Fn) khác nhau 12

Hình 1.6 Sơ đồ phương pháp nghiên cứu theo phương pháp phần tử biên 13

Hình 1.7 Mô hình tính theo BEM 14

Hình 1.8 Rời rạc mô hình hình học theo BEM 14

Hình 1.9 Hệ số sức cản sinh sóng 15

Hình 1.10 Sơ đồ tính của phương pháp Panel 17

Hình 1.11 Các điểm Panel trên bề mặt vỏ tàu 18

Hình 1.12 Bố trí các điểm hình học trên bề mặt vỏ tàu theo phương pháp Panel 19

Hình 1.13 Mô hình tàu DTMB-5415 21

Hình 1.14 Đồ thị sức cản tính theo CFD và thực nghiệm 22

Hình 1.15 Mô hình hình học của tàu KCS 23

Hình 1.16 Hình ảnh so sánh các profile của sóng tính toán và thực nghiệm 24

Hình 1.17 Đồ thị lực cản tại giá trị số Fn = 0.26 24

Hình 1.18 Giá trị hệ số sức cản C tai Fn = 0.26 tàu KCS 25

Hình 1.19 Trường vận tốc trên bề mặt phân cách giữa nước và không khí 26

Hình 1.20 So sánh sức cản tàu ở các giá trị số Fn khác nhau 27

Hình 1.21 Tuyến hình tàu 28

Hình 1.22 Kích thước kênh 28

Hình 1.23 Hình học thân tàu 3D 29

Hình 1.24 Miền tính toán 29

Hình 1.25 Trường áp suất thủy động 30

Hình 1.26 Hình học tàu KCS 31

Hình 1.27 Giá trị sức cản tại Fn = 0.26 32

Hình 1.28 Hình ảnh mặt thoáng tại giá trị số Fn = 0.26 32

Hình 1.29 Mô hình tàu tính toán trong hệ trục tọa độ khảo sát 33

Hình 1.30 Sơ đồ phương pháp giải 34

Hình 2.1 Mô hình lực của môi trường nước tác dụng lên tàu đang chuyển động 41

Hình 2.2 Sơ đồ các thành phần sức cản của nước tác dụng lên tàu 42

Hình 2.3 Các khu vực bao xung quanh thân tàu 44

Hình 2.4 Mô hình dòng lưu chất bao xung quanh thân tàu 44

Hình 2.5 Biểu đồ phân bố vận tốc trong lớp biên của tấm phẳng 46

Hình 2.6 Mô hình dòng lưu chất bao xung quanh vỏ tàu 47

Hình 2.7 Mô hình lực tác dụng theo hướng x trên một phần tử chất lỏng 55

Hình 2.8 Biến trung bình và biến động của dòng lưu chất theo RANS 59

Hình 2.9 Các ký hiệu dùng để rời rạc các thể tích hữu hạn 66

Hình 2.10 Sơ đồ thuật toán SIMPLE 75

Hình 2.11 Sơ đồ của thuật toán PISO 77

Hình 3.1 Sơ đồ khối nghiên cứu 81

Hình 3.2 Đường hình dáng mẫu tàu M1317A 82

Hình 3.3 Đồ thị đường cong sức cản của mẫu tàu thử nghiệm M1317A 83

Hình 3.4 Bản vẽ đường hình mẫu tàu M1319 84

Hình 3.5 Đồ thị đường cong sức cản của mẫu tàu thử nghiệm M1319 85

Hình 3.6(a) Đường cong diện tích sườn của các tàu chở hàng thông thường 89

Hình 3.6(b) Đường cong diện tích sườn của các tàu cá vỏ gỗ Việt Nam 89

Hình 3.7 Phạm vi sử dụng mũi quả lê 90

Hình 3.8 Sơ đồ thuật toán nghiên cứu 94

Hình 3.9 Sơ đồ tính đúng dẫn để điều chỉnh thông số lời giải CFD 97

Hình 3.10 Sơ đồ quá trình xây dựng mô hình hình học 3D của mẫu tàu tính toán 98

Hình 3.11 Bản vẽ đường hình tàu M1317A dựng trên AutoCad 99

Hình 3.12 Vẽ các đường sườn tàu dưới dạng 3D 100

Hình 3.13 Hộp import DXF 101

Hình 3.14 Hình dạng khung sườn 3D sau khi nhập vào Autoship 101

Hình 3.15 Hộp thoại đổi tên lại các đường trong AutoShip 102

Hình 3.16 Hộp thoại chọn lại gốc tọa độ và di chuyển gốc tọa độ về 0 102

Hình 3.17 Di chuyển các điểm control 103

Hình 3.18 Hộp thoại Creat Surface 103

Hình 3.19 Hộp thoại (a) nhập khoảng sườn và (b) mặt cắt dọc 104

Hình 3.20 Dịch chuyển các hàng và cột của mặt vỏ tàu 104

Hình 3.21 Kiểm tra các yếu tố hình dáng vỏ tàu 105

Hình 3.22 Mô hình tàu trước và sau tô bóng với hộp thoại xuất file *.iges 106

Hình 3.23 Bản vẽ đường hình tàu M1319 107

Hình 3.24 Hộp thoại kiểm tra các thông số hình dáng của vỏ tàu M1319 107

Hình 3.25 Mô hình tàu M1319 xây dựng trong AutoShip 108

Hình 3.26 Định dạng hình học dạng file.stl 109

Hình 3.27 Mô hình vỏ tàu M1317A được chia lưới theo định dạng file STL 110

Hình 3.28 Không gian giả lập tính toán 111

Hình 3.29 Vị trí của các biên tính toán 114

Hình 3.30 Kích thước miền không gian tính toán theo đề nghị của ITTC 2011 116

Hình 3.31 Kích thước miền tính toán thực tế 117

Hình 3.32 Mô hình tàu M1317A sau khi rời rạc hóa 121

Hình 3.33 Một phần của miền tính toán sau khi rời rạc 121

Hình 3.34 Trường áp suất thủy động bất ổn của tàu M1319 và M1317A tại giá trị động năng rối k = 0.00015 126

Hình 3.35 Lực thủy động tính với giá trị hệ số k = 0.00015 126

Hình 3.36 Trường áp suất thủy động ổn định của tàu M1319 với k = 0.0118 129

Hình 3.37 Lực thủy động tính với giá trị hệ số k = 0.0118 129

Hình 3.38 Giao diện pha của tàu M1317A tại Fn = 0.329 131

Hình 3.39 Giao diện pha của tàu M1319 tại Fn = 0.396 131

Hình 3.40 Phân bố trường áp suât xung quanh tàu M1317A tại Fn = 0.329 132

Hình 3.41 Trường áp suât nước quanh tàu M1319 tại Fn = 0.396 133

Hình 3.42 Trường vận tốc Ux xung quanh mẫu tàu M1317A tại Fn = 0.329 134

Hình 3.43 Trường lưu tốc Ux xung quanh mẫu tàu M1319 tại Fn = 0.396 134

Hình 3.44 Động năng rối k xung quanh mẫu tàu M1317A tại Fn = 0.329 135

Hình 3.45 Động năng rối k xung quanh mẫu tàu M1319 tại Fn = 0.396 135

Hình 3.46 Lực thủy động tác dụng lên mẫu tàu M1317A tại Fn = 0.329 136

Hình 3.47 Lực thủy động tác dụng lên mẫu tàu M1319 tại Fn = 0.396 137

Hình 3.48 Góc quạt sóng của mẫu tàu M1319 tại Fn = 0.396 139

Hình 3.49 Góc quạt sóng của mẫu tàu M1317A tại Fn = 0.329 139

Hình 3.50 Lực thủy động tác dụng lên tàu M1317A ở giá trị vận tốc khác nhau 143

Hình 3.51 Đường cong sức cản của tàu M1317A theo tính toán CFD 144

Hình 3.52 Lực thủy động tác dụng lên tàu M1319 ở các giá trị vận tốc khác nhau 146

Hình 3.53 Đường cong sức cản của tàu M1319 theo tính toán CFD 147

Hình 4.1 So sánh sức cản mẫu tàu M1317A giữa thử nghiệm và tính CFD 148

Hình 4.2 So sánh sức cản mẫu tàu M1319 giữa thử nghiệm và tính CFD 149

Hình 4.3 Xác định vận tốc giới hạn Ugh 153

Hình 4.4 Đường sườn tàu MH076 158

Hình 4.5 Mô hình hình học 3D của vỏ tàu MH076 158

Hình 4.6 Lực thuỷ động học tác dụng lên tàu MH076 theo thời gian 159

Hình 4.7 Đặc điểm trường lực thuỷ động học tác dụng lên mô hình tàu MH076 160

Hình 4.8 Đường cong các thành phần sức cản của mẫu tàu MH076 161

đã có sự phát triển vượt bậc và đóng góp đáng kể cho ngành thủy sản của Việt Nam Tính đến giữa năm 2016, đội tàu khai thác hải sản nước ta đã đạt đến gần 120,000 tàu nhưng hầu hết là tàu vỏ gỗ cỡ nhỏ, đóng theo kinh nghiệm dựa vào mẫu tàu truyền thống, không được tính toán cụ thể nên trong nhiều trường hợp, các mẫu tàu đã không đảm bảo được các tính năng hàng hải cần thiết, nhất là trong điều kiện thời tiết không thuận lợi

Do đó trong thời gian gần đây, nhà nước ta đã xây dựng nhiều chủ trương, chính sách nhằm phát triển bền vững và hiện đại hóa đội tàu đánh cá ngang tầm với nhiệm vụ mới Trong bối cảnh đó, vấn đề đặt ra cho các nhà khoa học là cần nghiên cứu thiết kế các mẫu tàu cá phù hợp nghề khai thác và có hình dạng tối ưu nhằm làm giảm sức cản để tăng mức độ an toàn và giảm bớt chi phí chuyến biển do giá nhiên liệu ngày càng cao

Vì lý do đó, bài toán nghiên cứu xác định chính xác sức cản các mẫu tàu đánh cá vỏ gỗ

ở nước ta hiện nay có vai trò và ý nghĩa quan trọng, đồng thời mang tính chất cấp thiết, nhất là trong bối cảnh vùng biển đông Việt Nam đang có nhiều biến động như hiện nay Theo cách truyền thống, thường có hai cách tiếp cận chính trong nghiên cứu giải quyết bài toán xác định sức cản tàu thủy là nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm Phương pháp lý thuyết được tiến hành chủ yếu dựa trên cơ sở lý thuyết về cơ lưu chất,

có thể cho độ chính xác cao nhưng rất khó áp dụng vì giới hạn về khả năng tính toán Phương pháp thực nghiệm hay dùng là phương pháp kéo thử mô hình tàu trong bể thử, tuy nhiên ngoài các hạn chế thường gặp khi thực nghiệm như mất rất nhiều thời gian, công sức, chi phí tốn kém, trong nhiều trường hợp không thể tổ chức thực nghiệm được,

vì qua thử nghiệm mô hình tàu cũng chỉ nhận được thông tin hạn chế về trường dòng với kết quả chủ yếu là xác định lực cản dư nói riêng và lực cản toàn bộ tàu nói chung

2

Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh của phương pháp tính và

kỹ thuật máy tính, tính toán động lực học lưu chất (Computational Fluid Dynamics - CFD) đã trở thành phương pháp nghiên cứu hiệu quả trong nhiều lĩnh vực nói chung, đặc biệt là trong lĩnh vực kỹ thuật tàu thủy nói riêng để giải nhiều bài toán phức tạp như tính toán, thiết kế tối ưu, kiểm nghiệm, dự báo kết quả nghiên cứu, mô phỏng [10], [11] CFD đóng vai trò như là một công cụ hỗ trợ rất đắc lực cho việc tính toán, thiết kế và ảnh hưởng lớn đến cuộc cách mạng về tính toán động lực học các chất lỏng và chất khí 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 các nghiên cứu về lý thuyết và phát triển những ứng dụng trong khoa học kỹ thuật

Về bản chất, tính toán động lực học lưu chất là phương pháp tính xây dựng trên cơ sở kết hợp phương pháp số và công nghệ mô phỏng trên máy tính để giải những bài toán liên quan chuyển động của dòng chất lỏng hoặc dòng chất khí bao xung quanh vật thể

Vì thế phương pháp này đặc biệt hiệu quả trong giải bài toán dòng lưu chất chuyển động xung quanh vật thể phức tạp nói chung và các bài toán động lực học tàu thủy nói riêng Trong số đó như đã biết, bài toán xác định sức cản tàu có vai trò, ý nghĩa rất quan trọng

vì là cơ sở cho việc tính toán thiết bị năng lượng và tối ưu hóa đường hình dáng tàu – những bài toán mà trước đây thường chỉ được thực hiện bằng con đường thực nghiệm Ngày nay, CFD đã thực sự đóng vai trò rất quan trọng trong thiết kế hình dáng thân tàu, được sử dụng để phân tích các tính năng hàng hải tàu nói chung và sức cản tàu nói riêng, đồng thời khảo sát sự thay đổi của chúng khi thay đổi các thông số hoặc hình dáng tàu, vốn là một nhiệm vụ rất quan trọng trong giai đoạn thiết kế sơ bộ và thiết kế kỹ thuật Phân tích sức cản dựa trên mô phỏng CFD cũng đã trở thành một yếu tố quyết định trong việc phát triển hình dạng các mẫu tàu mới, hiệu quả kinh tế và thân thiện với môi trường Với lý do đó, chúng tôi đã lựa chọn hướng nghiên cứu về mô phỏng số dựa trên cơ sở phương pháp tính toán động lực học lưu chất để giải bài toán xác định sức cản tàu thủy, đặc biệt là ứng dụng cho các mẫu tàu đánh cá vỏ gỗ truyền thống ở nước ta hiện nay

Từ phân tích trên đây, khi thực hiện luận án Tiến sĩ ngành Kỹ thuật cơ khí động lực, chúng tôi đã đặt vấn đề thực hiện đề tài:

“Ứng dụng lý thuyết CFD (Computational Fluid Dynamics) xác định sức cản tàu cá vỏ gỗ Việt Nam”

3

2 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Kết quả nghiên cứu của đề tài bước đầu có những đóng góp quan trọng nhất định,

cả về mặt khoa học và thực tiễn, cụ thể như sau

2.1 Ý nghĩa khoa học của đề tài

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

- Xây dựng cơ sở khoa học, cùng với giá trị những thông số cần thiết cho việc ứng dụng lý thuyết tính toán động lực học lưu chất CFD trong xác định sức cản của loại tàu có kích thước nhỏ, chạy chậm, có đoạn thân ống ngắn nói chung và các mẫu tàu cá vỏ gỗ theo mẫu dân gian truyền thống của Việt Nam nói riêng

- Mô phỏng chính xác hình ảnh trường dòng lưu chất chảy xung quanh thân tàu

và hiện tượng thủy động lực học xảy ra khi tàu cá chuyển động trên nước tĩnh Trên cơ sở đó, giải thích tường minh về sức cản áp suất, qui luật và tỉ trọng của hai thành phần sức cản chính có trong sức cản toàn bộ của tàu thông dụng là sức cản do tính nhớt chi phối Rv và sức cản do áp suất chi phối Rp

- Cơ sở để xây dựng công thức tính sức cản phù hợp cho đội tàu cá Việt Nam

- Cơ sở lý thuyết và khoa học để giải quyết nhiều bài toán vẫn còn đang tồn tại trong lĩnh vực tàu thuyền nghề cá ở nước ta hiện nay, đặc biệt là các bài toán về thủy động lực học và tối ưu hóa đường hình tàu

2.2 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Về mặt ý nghĩa thực tiễn, đề tài đã đóng góp được những kết quả cụ thể như sau:

- Việc xác định được chính xác giá trị sức cản sẽ cho phép phân tích, đánh giá và xây dựng công thức tính sức cản phù hợp với tàu cá vỏ gỗ ở nước ta hiện nay Trên cơ sở đó, có thể tính toán, lựa chọn được máy chính phù hợp khi thiết kế, góp phần quan trọng trong việc nâng cao mức độ an toàn và hiệu quả kinh tế -

kỹ thuật của đội tàu cá vỏ gỗ ở nước ta hiện nay

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

- Khuyến cáo vận tốc khai thác hợp lý và vận tốc giới hạn trong tính toán thiết kế

và sử dụng tàu cá

4

3 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

3.1 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chung của đề tài là nghiên cứu ứng dụng lý thuyết động lực học lưu chất

để xác định sức cản của các mẫu tàu cá vỏ gỗ theo mẫu truyền thống của Việt Nam, nhằm giải quyết các mục tiêu cụ thể như sau:

- Xây dựng mô hình tính và thuật toán phù hợp khi giải bài toán xác định sức cản

của các mẫu tàu đánh cá vỏ gỗ Việt Nam bằng phương pháp CFD

- Mô phỏng hình ảnh phân bố trường dòng lưu chất xung quanh mẫu tàu đánh cá

vỏ gỗ khi chuyển động

- Phân tích tỷ lệ và ảnh hưởng của từng thành phần sức cản trong sức cản chung

của môi trường nước đối với chuyển động của tàu

3.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu chính của đề tài là các mẫu tàu đánh cá vỏ gỗ của Việt Nam

Để thuận lợi trong quá trình nghiên cứu, trong đề tài sẽ lựa chọn các mẫu tàu cá vỏ gỗ theo mẫu dân gian truyền thống của Việt Nam mang các ký hiệu là M1317A và M1319 Đây là các mẫu tàu đánh cá vỏ gỗ theo mẫu dân gian ở khu vực miền Trung Việt Nam

đã được Tiến sĩ Nguyễn Quang Vinh và kỹ sư Nguyễn Đức Thọ thực hiện thử mô hình tại bể thử trường Đại học Kỹ thuật và Công nghiệp nghề cá Kaliningrat (Liên xô cũ) 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 của môi trường nước khi tàu làm việc ở chế độ bơi

theo định luật Archimede và xem như tàu đang 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 nghiệm đo sức cản trong bể thử của hai mô hình tàu dùng tính toán

được xem là đảm bảo độ chính xác và cũng là cơ sở để đánh giá và điều chỉnh các thông số của mô hình

5

4 PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

4.1 Phương pháp nghiên cứu

Về mặt phương pháp, trong đề tài sẽ sử dụng chủ yếu là phương pháp lý thuyết, kết hợp so sánh với kết quả tính toán từ mô hình lý thuyết với các số liệu thực nghiệm

để hiệu chỉnh mô hình tính lý thuyết cho phù hợp đối tượng tàu thực tế, cụ thể như sau

4.1.1 Nghiên cứu lý thuyết

Nghiên cứu bắt đầu từ việc phân tích vật liệu, đặc điểm hình dạng và các thông số hình học có ảnh hưởng đến bài toán mô phỏng dòng lưu chất chảy xung quanh thân tàu nói chung và tính sức cản nói riêng của loại tàu được chọn làm đối tượng nghiên cứu, trong trường hợp này là loại tàu đánh cá vỏ gỗ theo mẫu truyền thống của Việt Nam

Từ các dữ liệu này, tiến hành phân tích bản chất vật lý các mô hình tính và phương pháp giải hiện có để lựa chọn sơ bộ mô hình tính và phương pháp mô phỏng dòng lưu chất phù hợp với đặc điểm cụ thể về vật liệu và hình dạng hình học của loại tàu đang tính Đồng thời xây dựng các giả thiết và điều kiện ràng buộc vật lý đối với loại tàu mới này nhằm mục đích đưa mô hình tính và các điều kiện tính toán về sát với thực tế và khả thi Dựa trên cơ sở đó, xây dựng giải thuật và lập trình giải bài toán mô phỏng số đối với dòng lưu chất để xác định sức cản bằng phương pháp CFD cho loại tàu đang tính toán

4.1.2 Sử dụng phương pháp tính đúng dần

Sử dụng phương pháp tính đúng dần để đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy của lời giải CFD cho bài toán tính sức cản loại tàu đang tính bằng cách như sau:

- Chọn các mẫu tàu tính toán có kết quả tính sức cản từ thử mô hình trong bể thử

- Sử dụng chương trình mô phỏng số tính sức cản đã xây dựng để tính sức cản

cho mẫu tàu lựa chọn thứ nhất

- Phân tích và điều chỉnh dần các thông số tính toán của mô hình tính và điều kiện

ban đầu của lời giải CFD như các thông số của mô hình rối, kích thước của miền không gian tính toán, các điều kiện biên của bài toán… cho đến khi lời giải của bài toán CFD hội tụ, đồng thời sai số giữa kết quả tính sức cản từ chương trình

mô phỏng và số liệu thực nghiệm trong bể thử đối với mẫu tàu đang tính nằm trong giới hạn cho phép, thường là dưới 3%

6

- Sử dụng chương trình tính sức cản bằng CFD với tập hợp các thông số đầu vào

của mô hình và lời giải CFD đã xác định để tính sức cản cho các tàu tương tự

So sánh kết quả tính sức cản từ chương trình mô phỏng số và thực nghiệm để đánh giá độ tin cậy của phương pháp đối với loại tàu đang tính

4.2 Nội dung nghiên cứu

Với mục tiêu và phương pháp nghiên cứu như trên, luận án gồm các nội dung sau:

- Phân tích mô hình tính và phương pháp giải bài toán mô phỏng dòng lưu chất

bao xung quanh thân tàu chuyển động trong nước tĩnh

- Nghiên cứu xây dựng mô hình tính và lựa chọn phương pháp giải phù hợp với

đối tượng tàu đang tính

- Xây dựng giải thuật và viết chương trình tính sức cản tàu bằng mã nguồn mở

OpenFOAM theo mô hình tính lựa chọn

- Ứng dụng mô phỏng dòng lưu chất và tính sức cản cho các mẫu tàu lựa chọn đã

có các số liệu thử nghiệm mô hình

- Phân tích và so sánh kết quả nghiên cứu với kết quả thực nghiệm để xác định

các thông số của mô hình tính và lời giải CFD phù hợp với loại tàu tính toán Trên cơ sở đó, nội dung luận án được kết cấu thành 4 chương cụ thể như sau: Chương 1 Tổng quan tình hình nghiên cứu

Nội dung trình bày phần tổng quan về tình hình nghiên cứu có liên quan và dựa trên cơ sở đó phân tích và xây dựng định hướng nghiên cứu cho luận án Chương 2 Cơ sở lý thuyết

Nội dung trình bày các cơ sở về lý thuyết có liên quan đến nội dung đề tài, chủ yếu là lý thuyết về sức cản và lý thuyết về CFD

Chương 3 Kết quả nghiên cứu

Trình bày các kết quả nghiên cứu của luận án nói chung và phương pháp tính sức cản bằng CFD cho loại tàu đánh cá vỏ gỗ của Việt Nam nói riêng

Chương 4 Phân tích kết quả và kết luận

7

Chương 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI

Trên thế giới, CFD đã được đẩy mạnh nghiên cứu từ rất lâu ở những nước tiên tiến, nhất là ở Mỹ và các nước châu Âu, và đã được ứng dụng vào hầu hết lĩnh vực kỹ thuật, đặc biệt là trong ngành hàng không vũ trụ đã thực hiện từ những năm 50 của thế kỷ 20

Lý thuyết CFD hình thành từ năm 70, bắt đầu bằng sự kết hợp với các ngành khoa học như toán, vật lý, phương pháp số… để tính toán, mô phỏng chuyển động dòng chất lỏng

và đã tạo nên bước phát triển mới trong khoa học tính toán ở những lĩnh vực kỹ thuật Ứng dụng đầu tiên của CFD là mô phòng dòng cận âm dựa trên phương trình phi tuyến Tuy nhiên do phương pháp tính cùng bộ nhớ và tốc độ máy tính lúc bây giờ còn hạn chế nên chỉ cho phép thực hiện tính toán đối với các dòng lưu chất dưới dạng hai chiều (2D) Đến năm 1980, những thành tựu trong nghiên cứu phương trình Euler đã hình thành phương pháp quan trọng cho phép phát triển và mô phỏng được dòng lưu chất dạng 3D Nhờ sự phát triển của tốc độ máy tính và sự phát triển kỹ thuật số trong giai đoạn này nên nhiều ứng dụng thực tế đã được CFD tính toán và mô phỏng để đưa ra các dự báo

cụ thể như mô phỏng dòng khí thổi qua máy bay, dòng chảy bên trong các turbine… Vào giữa năm 1980, các nhà khoa học đã nghiên cứu phát triển và ứng dụng CFD trong

mô phỏng dòng lưu chất có độ nhớt được kiểm soát bởi phương trình Navier - Stokes

Từ đó mô hình dòng chảy rối đã được phát triển với mức độ phức tạp và chính xác hơn Đến năm 1990, nhờ sự phát triển mạnh phương pháp tính và các máy tính tốc độ cao, vấn đề đã được thay đổi căn bản và cho phép CFD giải nhiều bài toán liên quan đến trường dòng chảy 3 chiều phức tạp như dòng chảy quanh thân một máy bay hoàn chỉnh

Từ đó đến nay, CFD ngày càng được phát triển rất mạnh trong nhiều lĩnh vực khác nhau

và đã được nghiên cứu ứng dụng vào các ngành khoa học tiên tiến và công nghệ cao Mặc dù các ứng dụng của CFD được công bố trong nhiều tài liệu nhưng khó thực hiện

vì đây chính là vũ khí công nghệ và lợi thế cạnh tranh của các quốc gia và công ty lớn Hiện nay, thuật ngữ CFD là viết tắt cụm từ tiếng Anh “Computational Fluid Dynamics”

đã được dùng phổ biến nhằm thay cụm từ tiếng Việt “Tính toán động lực học lưu chất”

và chúng tôi sẽ sử dụng thuật ngữ viết tắt này trong suốt các nội dung của đề tài này

8

Riêng trong ngành Kỹ thuật tàu thủy, các quốc gia hoặc công ty lớn trên thế giới đều đưa CFD vào chương trình nghiên cứu của mình để mô phỏng và tính trường dòng lưu chất bao xung quanh thân tàu nhằm phục vụ bài toán tính thủy động lực học tàu Những nghiên cứu ứng dụng CFD ở lĩnh vực này thường thực hiện theo hai hướng chính:

• Các công trình nghiên cứu tính toán thủy động lực học tàu

Các công trình này thường tập trung vào việc nghiên cứu xây dựng mô hình tính của dòng lưu chất bao xung quanh bề mặt thân tàu và sử dụng mô hình này để giải các bài toán thủy động lực học tàu nói chung và tính sức cản vỏ tàu nói riêng

• Các công trình nghiên cứu tối ưu hóa đường hình tàu thủy

Từ các công trình nghiên cứu tính sức cản nói trên, các nhà khoa học trên thế giới

đã tiếp tục phát triển hướng nghiên cứu tối ưu hóa đường hình tàu trên cơ sở điều chỉnh các thông số ảnh hưởng sức cản như hệ số đầy thể tích CB, hoành độ tâm nổi LCB… để đạt tối ưu về mặt sức cản, trong khi vẫn giữ tính năng hàng hải khác của tàu

Tuy nhiên như đã nêu, những tài liệu công bố chính thức về vấn đề này cũng rất ít, nếu có cũng chỉ ở dạng hình ảnh cuối cùng, vì đây chính là vũ khí về mặt công nghệ và lợi thế cạnh tranh giữa các quốc gia và tập đoàn đóng tàu lớn trong nghiên cứu thiết kế tối ưu và phát triển các sản phẩm phức tạp nói chung và các con tàu hiện đại nói riêng

Ví dụ hình 1.1 mô phỏng quá trình sinh ra những hệ thống sóng tàu khi tàu di chuyển trên mặt nước theo (a) thử nghiệm trong bể thử và theo (b) phương pháp CFD

Hình 1.1 Quá trình sinh sóng khi tàu di chuyển

(a)

(b)

9

Các nghiên cứu CFD gắn liền với sự phát triển của máy tính và phương pháp giải, không ngoại lệ, các nghiên cứu liên quan đến việc ứng dụng CFD trong tính sức cản tàu cũng phát triển theo từng giai đoạn, có thể trình bày tổng quan theo lịch sử nghiên cứu

và phát triển, cụ thể như sau

1.1.1 Mô hình tàu Wigley và phương pháp số của Michell

Ban đầu, do những hạn chế về phương pháp tính và năng lực của máy tính nên các nghiên cứu ứng dụng CFD tính sức cản tàu thủy đầu tiên thường được thực hiện trên mô hình tàu Wigley là mô hình tàu được hàm hóa theo công thức toán học sau [27], [24]

y(x,z) = ( ) ÷÷

ø

öçç

è

æ

- 22L

x41zS2

B

(1.1)

trong đó: y(x,z) - tung độ điểm trên bề mặt vỏ tàu có hoành độ x và cao độ z, m;

L, B - chiều dài và chiều rộng tàu, m;

S(z) - hàm diện tích mặt đường nước tàu

Trên cơ sở đó, nhà toán học Michell đã nghiên cứu ứng dụng phương pháp số để tính sức cản sinh sóng cho mẫu tàu Wigley, tức mô hình tàu được giả thiết là “tàu mảnh”, khái niệm thường rất hay được giả thuyết trong lý thuyết các lát cắt phẳng (strip theory) Theo Michell, người có nhiều đóng góp trong nghiên cứu sức cản tàu, khái niệm về tàu mảnh đã nêu là tàu có tỷ lệ chiều dài và chiều rộng L/B ≥ 9, hệ số đầy thể tích CB < 0.55, góc giữa phương vận tốc và tiếp tuyến với tàu phải rất nhỏ, xấp xỉ bằng 0 (Hình 1.2)

Hình 1.2 Tàu mảnh theo giả thuyết của Michell [24]

Hình 1.4 Hệ số sức cản sinh sóng mẫu tàu Wigley [24]

Nghiên cứu ứng dụng CFD trong xác định sức cản theo mô hình tàu dạng Wigley gần đây nhất của các tác giả Salina Aktar, Goutam Kumar Saha và Md.Abdul Alim ở Trường Đại học Công nghệ và Kỹ thuật của Bangladesh thực hiện tháng 9/2013 [33] Trong công trình này, nhóm các tác giả đã sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn (FVM)

ba chiều dựa trên cơ sở các phương trình trung bình Reynolds Navier - Stokes (RANS)

để mô phỏng dòng chảy không nén quanh tàu Wigely dạng parabol ở trạng thái ổn định Lời giải số của các phương trình chủ đạo được thực hiện bằng phần mềm FLUENT 6.3 Kết quả tính cũng đã được so sánh với số liệu thử nghiệm kéo mô hình trong bể thử và kết quả tính toán bằng phương pháp phần tử biên BEM (Boundary Element Method)

Sự phù hợp giữa các kết quả tính toán và thử nghiệm cho thấy độ tin cậy của nghiên cứu

mô phỏng dòng lưu chất và chiều cao của mặt thoáng chất lỏng xung quanh tàu Wigely dạng parabol khi mô hình tàu này chuyển động ở các số Froude (Fn) khác nhau

Chữ nhật Tam giác Parabol

12

Hình 1.5 là đồ thị biểu diễn kết quả nghiên cứu xác định giá trị các hệ số sức cản của mô hình tàu Wigley dùng tính toán và thử nghiệm ở các giá trị số Froude khác nhau Đây là cơ sở để hình dung các sóng sinh ra trên bề mặt tự do khi thân tàu chuyển động, kết hợp với hình ảnh sóng sinh ra trên bề mặt sóng khi sử dụng gói phần mềm FLUENT

Hình 1.5 Các hệ số sức cản ở các giá trị số Froude (Fn) khác nhau [33]

Khi phân tích mô hình và phương pháp giải theo mô hình này chúng tôi nhận thấy

mô hình tính dạng này có các nhược điểm cơ bản như sau:

- Mô hình không tính đến độ nhớt của dòng chất lỏng bao xung quanh thân tàu

- Chủ yếu áp dụng cho các tàu có dạng mảnh ít gặp trong thực tế và cũng không

phù hợp với các tàu ngày nay nói chung và các tàu đánh cá nói riêng thường có

tỉ số L/B nhỏ (L/B = 5 ÷ 7) và giá trị hệ số đầy thể tích lớn (CB ≥ 0,60)

- Để áp dụng phương pháp này cần hàm hóa vỏ tàu theo công thức toán học nên

không thể hiện được chính xác sự phức tạp và đa dạng của các đường hình tàu

- Về phương pháp giải, Michell xem trường dòng bao quanh tàu không nhớt,

không xoáy, chảy tầng nên rất không phù hợp khi tính sức cản sinh sóng tàu cá

Từ phân tích trên, nghiên cứu sinh không chọn mô hình tính số theo Michell để phát triển nghiên cứu tính toán trường dòng bao quanh đối tượng nghiên cứu của mình

C D : Hệ số cản toàn phần

CV: Hệ số cản nhớt

C W : Hệ số sức cản sóng

13

1.1.2 Phương pháp phần tử biên - BEM (Boundary Element Method)

Phương pháp phần tử biên áp dụng cho mô hình tính dòng thế (potential flows), trong đó đối với các dòng thế, việc các tích phân tính trên toàn bộ miền dòng lưu chất

có thể được chuyển đến tính các tích phân trên các lớp biên của miền dòng lưu chất đó Theo mô hình và phương pháp tính này, bước chuyển từ không gian 3D sang mặt phẳng 2D sẽ được thực hiện bằng cách tạo ra lưới chia và nhờ vậy sẽ làm tăng tốc độ tính toán Những ứng dụng thực tế của dòng thế cho tàu thủy, tức là các bài toán về sức cản sóng, dùng riêng cho phương pháp phần tử biên được gọi phương pháp thanh (Panel method),

và sự phát triển của phương pháp này sẽ được trình bày chi tiết hơn ở các phần tiếp theo

Sơ đồ tính của phương pháp được mô tả trên hình 1.6, trong đó chuyển động của tàu khảo sát được thay bằng phương trình tàu chuyển động dưới tác dụng của các ngoại lực đặt lên tàu gồm lực cản tàu Fr, lực cản sóng Fd và lực cản dao động tự do Fwf, tương ứng mômen các ngoại lực tác dụng do sóng Mr, sóng phản hồi Md và tàu tự dao động Mwf Thực hiện tuyến tính hóa để rời rạc phương trình chuyển động của mô hình tàu khảo sát

và sử dụng phương pháp tính tích phân Green để giải phương trình chuyển động của tàu, nhằm xác định sức cản của môi trường nước tác dụng lên tàu khi chuyển động [2]

Hình 1.6 Sơ đồ phương pháp nghiên cứu theo phương pháp phần tử biên [2]

Green phương trình Rời rạc

F = Fr + Fd + Fwf

M = Mr + Md + Mwf

Giải bài toán

14

Theo phương pháp tính BEM, mô hình tàu khảo sát được xem như đang đứng yên, còn dòng lưu chất chuyển động đều tới tàu với vận tốc U như trên hình 1.7 [18], [39]

Hình 1.7 Mô hình tính theo BEM [18]

Đối tượng tàu tính toán là mẫu tàu Wigley, giống phương pháp Michell đã dùng Hình học bề mặt thân tàu được rời rạc thành tập hợp của các điểm xi(yj,zk) với điều kiện

số điểm (yj,zk) tại các hoành độ xi khác nhau là bằng nhau như mô tả trên hình 1.8

Hình 1.8 Rời rạc mô hình hình học theo BEM [18]

* 1

S

)Q(dw)Q()Q(n)Q,P(G)Q(k

)Q(dS)Q,P(G)Q()

4pG(P, Q) = r-1 + G*(P, Q) (1.5) Kết quả tính theo phương pháp BEM như trên hình 1.9 [18]

Hệ số sức cản sinh sóng

từ đó, điểm trọng tâm của các panel sẽ hình thành các ô (cell) trên bề mặt vỏ tàu [40] Khi đó, lực áp suất thủy động tác dụng lên bề mặt vỏ tàu sẽ được tính trên các cells và các tích phân trong bài toán CFD được tính trên toàn bộ diện tích vỏ tàu dưới nước S Tương tự phương pháp phần tử biên, mô hình tính trong phương pháp này cũng được xây dựng dựa trên cơ sở giả thiết chất lỏng không nén, không có độ nhớt và không xoáy, trong đó mô hình tàu tính toán được giả lập cố định trong miền không gian chất lỏng W đang đứng yên, còn chất lỏng đang chảy tới mô hình với vận tốc chuyển động đều U Trong miền W, hàm thế F thỏa mãn phương trình Laplace và phương trình Bernoulli đối với áp suất, cụ thể như sau:

Ñ2F = 0 (1.6)

2

1gh

p+r + rÑFÑF = (1.7) với điều kiện ràng buộc tại các điểm trên biên thuộc bề mặt ngâm nước vỏ tàu:

Fn = 0 (1.8) Điều kiện biên trên mặt thoáng hay điều kiện động học cho rằng dòng chảy phải tuân theo bề mặt sóng nước với áp lực ở mặt nước bằng với áp suất khí quyển

2 x

2 -F -F -F - h = tại y = h(x, z) (1.10) Phương pháp giải thuận tiện được áp dụng là phương pháp sai phân hữu hạn FDM Đây là phương pháp giải đơn giản, tường minh, dễ lập trình tính toán, dễ hội tụ nhưng tiềm ẩn sai số do chủ quan của người tính nên đòi hỏi người tính phải có kinh nghiệm

và “dự cảm” được các vùng có hình dạng hình học phức tạp để chia nhỏ thành các Panel

Hình 1.10 Sơ đồ tính của phương pháp Panel

Theo mô hình này thường sử dụng phương pháp số dựa trên lý thuyết dòng thế dùng các nguồn Rankine để phát triển cho việc tính toán các dòng chảy quanh thân tàu Thân tàu được xác định bằng một tập hợp điểm phân bố trên một nửa bề mặt của tàu (thân tàu giả định rằng đối xứng qua mặt phẳng Oxz), có thể gọi là tọa độ đường sườn

Bề mặt cong vỏ tàu được rời rạc thành một mảng (array) gồm các phân tố tấm (panel)

tứ giác phẳng tương ứng xấp xỉ trên bề mặt vỏ tàu, mỗi panel được định nghĩa bởi 4 góc

và 2 điểm được gọi là điểm điều khiển (control point) và điểm vị trí (collocation point)

Kỹ thuật rời rạc xấp xỉ dạng này được phát triển bởi các tác giả Hess & Smith (1962) Các điểm điều khiển nằm trong mặt phẳng panel, thường tại vị trí tâm của các panel, gắn với hệ tọa độ cục bộ; điểm vị trí nằm ở biên panel và tại đó gắn kết điều kiện biên Trong phương pháp này, các điểm điều khiển và điểm vị trí có thể nằm trùng lên nhau Các điều kiện biên xấp xỉ sẽ được gán cho từng vị trí các panel nằm trên bề mặt vỏ tàu, khi đó hệ các phương trình đại số tuyến tính sẽ được tạo ra và giải, dẫn tới kết quả tìm được các thông tin của trường chất lỏng tại các điểm khác trong miền tính toán

Nhập các thông số chính của tàu Đọc tọa độ đường hình tàu (Offsets File) Phân chia bề mặt vỏ tàu thành các Patch Tạo ra các Panel từ các Patch

Ghi các điểm điều khiển (control points) và

các Panel vào file Tính lực áp suất xuất hiện trên các Panel

Xuất kết quả

18

Nghiên cứu tiêu biểu về chương trình và giải thuật tính toán sức cản và tối ưu hóa hình dạng tàu theo phương pháp Panel được trình bày trong bản luận văn của tác giả Krisna M.Karri thực hiện vào 5/2010 tại Trường Đại học New Orleans của Mỹ [20] Trong công trình này, tác giả đã sử dụng phương pháp panel tính sức cản của mẫu tàu chở hàng container hiện đại tên KRISO (KCS) đã được Viện nghiên cứu tàu thủy và công trình biển Hàn Quốc (Korea Research Institute for Ships and Ocean Engineering) thực hiện các thử nghiệm kéo trong bể thử để xác định sức cản và các trường sóng tàu

Ở công trình này, tác giả xây dựng thuật toán xác định sức cản theo phương pháp Panel, bắt đầu từ việc đọc mô hình tàu từ flie panel (*.pan) và thông số kiểm soát từ file (*.in) File panel biểu diễn chi tiết tất cả các điểm trên panel và vị trí tương ứng của chúng như

mô tả trên hình 1.11, còn file nhập các thông số kiểm soát từ file định dạng (*.in) chứa các dữ liệu đầu vào như số Froude, điều kiện về mặt thoáng, về dòng chảy…

Hình 1.11 Các điểm Panel trên bề mặt vỏ tàu [20]

Trên cơ sở kết quả tính sức cản, tác giả đã thực hiện việc tối ưu hóa đường hình của mẫu tàu tính toán dựa theo phương pháp Lackenby trên cơ sở điều chỉnh giá trị hệ

số đầy thể tích CB và hoành độ tâm nổi LCB đảm bảo đạt được giá trị sức cản là tối ưu

19

Lúc ban đầu, chúng tôi cũng đã lựa chọn mô hình tính và phương pháp giải này

để giải quyết bài toán xác định sức cản tàu đánh cá nhưng sau thời gian dài nghiên cứu, chúng tôi rút ra được các nhận xét cụ thể như sau:

- Nhược điểm lớn nhất của phương pháp Panel không nằm nhiều ở kỹ thuật giải

mà lại nằm ở chỗ đọc các tọa độ của mô hình tàu dưới dạng các dữ liệu đầu vào

Để đọc được tệp tin các dữ liệu nói trên, cần phải chia thân tàu thành n sườn, mỗi sườn định vị tại hoành độ x và chứa tập hợp điểm tính toán có tọa độ (y, z) Các điểm này có số lượng bằng nhau tại các sườn khác nhau như ở hình 1.12, gây khó cho việc tạo tệp tin dữ liệu từ các phần mềm trung gian hoặc nhập tay Ngoài ra, các điểm thừa (điểm ảo) không thuộc bề mặt vỏ tàu cũng tham gia vào tạo thành các sườn để đảm bảo đủ hàng và cột cho ma trận điểm như nhau ở các sườn khác nhau nên rất dễ gây lỗi cho chương trình tính do tạo ra biên không điều kiện hoặc có điều kiện ảo

Hình 1.12 Bố trí các điểm hình học trên bề mặt vỏ tàu theo phương pháp Panel [20]

20

- Theo giả thiết về mặt lý thuyết khi áp dụng phương pháp Panel thì chất lỏng

được giả định là chất lỏng lý tưởng, không có độ nhớt, chuyển động không xoáy

Rõ ràng là điều này không phù hợp để áp dụng cho tàu cá vỏ gỗ có độ nhám thân vỏ lớn và môi trường làm việc là nước biển có độ nhớt

- Điều kiện biên tại mặt thoáng theo phương pháp Panel là các hạt chất lỏng không

được bứt ra khỏi bề mặt thoáng và điều này cũng rất không phù hợp với thực tế

là khi chất lỏng nước tương tác với thân tàu, đặc biệt là tại các khu vực mút mũi

và đuôi tàu thì có hiện tượng các hạt chất lỏng bị lực quán tính lớn hơn lực nhớt, đẩy bứt khỏi mặt thoáng và có thể nhìn thấy thực tế là bọt nước bề mặt

- Phương pháp Panel không quan tâm đến những mô hình rối của dòng lưu chất

do giả định chất lỏng là lý tưởng, không có độ nhớt nên không xuất hiện xoáy Thực tế nghiên cứu đã cho thấy mô hình tính này không phù hợp khi áp dụng

mô phỏng dòng lưu chất bao xung quanh thân tàu đánh cá có kích thước nhỏ, thuộc dạng tàu chuyển động với số Fn lớn nên thường xuất hiện vùng xoáy lớn Chính vì những lý do nêu trên, nghiên cứu sinh không chọn phương pháp Panel để giải quyết bài toán đặt ra trong đề tài tàu cá

1.1.4 Phương pháp RANS (Reynold Average Navier-Stoke)

Hiện nay, hầu hết những công trình nghiên cứu ứng dụng CFD trong các lĩnh vực

kỹ thuật nói chung và lĩnh vực kỹ thuật tàu thủy nói riêng đều sử dụng cách tiếp cận theo dạng phương trình Navier-Stoke có số Reynolds trung bình RANS với mô hình rối dạng SST k-w kết hợp giữa hai mô hình rối tiêu chuẩn là mô hình k-w và mô hình k-e

Mô hình k-e khá mạnh nhưng lại ít chính xác khi tính lớp biên, trong khi mô hình k-w tuy chính xác hơn so với mô hình k-e trong lớp gần tường và dự đoán tốt hơn đối với dòng chảy có gradient áp lực bất lợi nhưng lại rất nhạy cảm với các giá trị dòng tự do

Để có mô hình chính xác hơn, Menter đã đề xuất mô hình SST kết hợp hai mô hình, trong đó mô hình k-w sử dụng ở lớp biên, mô hình k-e sử dụng trong dòng chảy tự do Khi đó, những vấn đề lớn có liên quan đến mô hình k-e (độ chính xác ở các lớp biên) và

mô hình k-w (dòng tự do phụ thuộc của ω) đều đã được mô hình này giải quyết khá tốt Liên quan đến phương pháp này có các hướng nghiên cứu như sau [9], [23]

21

(1) Phương pháp RANS kết hợp mô hình rối k-e

• Tính sức cản tàu bằng phương pháp CFD, Viện công nghệ Massachusetts, 5/2012 (Ship hull resistance calculations using CFD methods, MIT, May 2012) [31] Công trình dưới dạng luận văn kỹ thuật của tác giả Voxakis Petros thực hiện tại Viện công nghệ Massachusetts MIT (Massachusetts Ínstitude Technology) vào 5/2012 Trong công trình này, các tác giả sử dụng mẫu tàu DTMB – 5415, viết tắt của cụm từ

“David Taylor Model Basin”, một mẫu tàu được thiết kế phục vụ cho Hải quân Hoa kỳ vào những năm 80, với đặc trưng lái dạng transom, mũi sonar với đoạn thân ống lớn Các tác giả đã tiến hành mô phỏng số và tính sức cản bằng phương pháp CFD dựa trên

cơ sở sử dụng mô hình rối k-e và phương pháp RANS để mô phỏng và giải trường dòng bao xung quanh thân tàu bằng công cụ tính toán là phần mềm CFD STAR - CCM+ Trong nghiên cứu, tàu mô hình được thu nhỏ đồng dạng với tàu thực theo tỉ lệ 1:24.824,

có đặc điểm hình học như mô tả trên hình 1.13 và bảng 1.1

Hình 1.13 Mô hình tàu DTMB-5415 [31]

Bảng 1.1 Các thông số chính của tàu DTMB-5415

2 Chiều dài đường vuông góc LPP m 142.00

22

• Nghiên cứu số sức cản của các tàu chở hàng rời bằng phương pháp CFD [11] (Numerical Study on Resistance of a Bulk Carrier Vessel Using CFD Method) Công trình của các tác giả Ebrahimi, Aboozar thuộc Khoa Kỹ thuật tàu thủy của Trường Đại học Hàng hải Chabahar, Iran đăng trên tạp chí Persian Gulf vào 12/2012 Trong công trình này, các tác giả sử dụng mẫu tàu chở hàng rời cỡ lớn để nghiên cứu và tính sức cản tàu theo mô hình rối k - e, phương pháp RANS với phần mềm FLUENT Các thông số chính của tàu được cho ở bảng 1.2

Bảng 1.2 Các thông số chính của tàu

2 Chiều dài đường vuông góc LPP m 217.30

8 Hệ số đầy diện tích sườn giữa CM - 0.995

9 Hệ số đầy diện tích đường nước CW - 0.923 Kết quả tính được so sánh và đối chiếu với kết quả thử nghiệm kéo mô hình trong

bể thử (tỉ lệ mô hình 1:80) và kết quả tính theo phương pháp của ITTC-57 (Hình 1.14)

Hình 1.14 Đồ thị sức cản tính theo CFD và thực nghiệm [11]

Kết quả thực nghiệm mô hình Kết quả tính CFD

U (m/s)

23

• Tính sức cản tàu bằng phương pháp CFD, Trường Đại học Rostock (Đức) [22] Trong công trình này, các tác giả thuộc Trường Đại học kỹ thuật Rostock của Đức dùng mẫu tàu container KCS (KRISO Container Ship), mẫu tàu đã được thử nghiệm và công bố kết quả thử nghiệm rộng rãi, làm đối tượng nghiên cứu tính sức cản (Hình 1.15) Bài toán cũng được tính toán mô phỏng dựa theo phương pháp RANS, mô hình rối k-e Mẫu tàu này xuất hiện sau mẫu tàu DTMB và đang được nhiều trường đại học thế giới

sử dụng trong tính toán mô phỏng động lực học tàu thủy, đặc biệt là sức cản tạo sóng

Hình 1.15 Mô hình hình học của tàu KCS [22]

Các thông số chính của mẫu tàu container KCS được cho trong bảng 1.3

Bảng 1.3 Thông số kích thước tàu

2 Chiều dài đường vuông góc LPP m 230.00

3 Chiều dài đường nước LWL m 232.50

9 Hệ số đầy diện tích sườn giữa CM - 0.985

10 Hoành độ tâm nổi %LPP, fwd+ LCB -1.480

24

Hình 1.16 là hình ảnh so sánh các profile của sóng tính toán và thực nghiệm đối

với mẫu tàu KCS, tỉ lệ mô hình 1: 31.6

Hình 1.16 Hình ảnh so sánh các profile của sóng tính toán và thực nghiệm [22]

Hình 1.17 là đồ thị lực cản tại giá trị số Froude là Fn = 0.26

Profile sóng tại vị trí tham chiếu y Profile sóng tại vị trí tham chiếu y

• Thực nghiệm

• Tính theo CFD

25

(2) Phương pháp RANS kết hợp mô hình rối k-e, thuật giải SIMPLE [29]

Nghiên cứu của các tác giả theo mô hình tính và phương pháp giải này mô phỏng

dòng chảy xung quanh vỏ tàu này bằng cách sử dụng theo phương pháp tiếp cận RANS

Điều cần phải lưu ý là hầu hết những nghiên cứu đã được công bố theo hướng này

thường áp dụng cho mẫu tàu chở hàng container mang tên KRISO (KCS) của Hàn Quốc

Phương trình RANS và các điều kiện biên cho bề mặt tự do phi tuyến được rời rạc hóa

bằng phương pháp thể tích hữu hạn, trường áp suất được tính bằng thuật toán SIMPLE,

mô hình rối tiêu chuẩn k-e với công cụ giải được thực hiện bằng chương trình tính toán

mô phỏng số CFD Star CCM+ 6.06 với kết quả tính được cho ở bảng 1.4 và hình 1.18

26

(3) Phương pháp RANS kết hợp mô hình rối SST k-w, thuật giải PISO [21], [28] Nếu các nghiên cứu trước đây thường sử dụng các ngôn ngữ lập trình truyền thống như Fortran, Python, C++,C Sharp hay MathLab… thì trong những nghiên cứu gần đây, các nhà nghiên cứu thường sử dụng ngôn ngữ lập trình mã nguồn mở OpenFOAM để viết chương trình giải các bài toán ứng dụng CFD trong các lĩnh vực kỹ thuật khác nhau Liên quan đến nghiên cứu ứng dụng ngôn ngữ lập trình này có thể kể đến công trình

“Mô phỏng sức cản vỏ tàu thiết kế mới bằng OpenFOAM” (Hull Resistance simulations for an innovative hull using OpenFOAM) nằm trong khuôn khổ của dự án PRACE (Partnership for Advanced Computing in Europe) của các tác giả Lilit Axner, Jing Gong, Alessandro Chiarini, Luigi Mascellaro ở Viện công nghệ Hoàng gia KTH Thụy Điển và Trung tâm tính toán CINECA Ý thực hiện cho loạt tàu cao tốc thiết kế mới Monotricat được đặc trưng bởi hiệu quả cao về mặt thủy động lực học so với các loại vỏ tàu khác Trong tính toán CFD những mẫu tàu này, các tác giả đã đưa vào sử dụng mô hình rối là

mô hình kết hợp hai mô hình rối thông dụng hiện nay là k-e và k-w do Menter đề xuất

Về phương pháp giải, các tác giả sử dụng phương pháp giải VOF (Volume of Fluid) cùng với thuật toán PISO (Pressure Implicit with Splitting of Operators) và phần mềm lập trình mã nguồn mở đang được sử dụng phổ biến hiện nay là OpenFOAM để giải Hình 1.19 là hình ảnh mô phỏng trường vận tốc trên bề mặt phân cách giữa nước và

không khí đối với mẫu tàu tính toán

Hình 1.19 Trường vận tốc trên bề mặt phân cách giữa nước và không khí [21]

Hình 1.20 So sánh sức cản tàu ở các giá trị số Fn khác nhau [21]

28

(4) Phương pháp RANS kết hợp mô hình rối SST k-w [34]

Liên quan đến hướng nghiên cứu này có các công trình điển hình như sau

• Báo cáo của Khoa Kỹ thuật cơ khí thuộc Trường đại học Curtin, Úc

Tháng 8 năm 2013, dưới sự hướng dẫn khoa học của Giáo sư Tilak Chandratilleke, tác giả Shaun Wortley ở Khoa Kỹ thuật cơ khí thuộc Trường Đại học Curtin (Úc) đã nghiên cứu sử dụng OpenFOAM để tính toán trường dòng lưu chất bao quanh thân tàu chở hàng container chuyển động trong kênh, nằm trong khuôn khổ của dự án 491/493 Bản vẽ tuyến hình của mẫu tàu container sử dụng trong tính toán thể hiện trên hình 1.21, với các thông số chính của tàu ở các chiều chìm khác nhau được cho trong bảng 1.5

Hình 1.21 Tuyến hình tàu [34]

Bảng 1.5 Các thông số chính của tàu container

d (m) L WL (m) B (m) A WP (m 2 ) S W (m 2 ) Ñ (m 3 )

13.00 355.87 51.00 14748.95 19769.37 151152.06 14.00 360.79 51.00 15223.61 20782.13 166124.14 14.50 361.82 51.00 15473.56 21323.92 173815.65

Mẫu tàu chuyển động trong kênh có các kích thước thể hiện trên hình 1.22

Hình 1.22 Kích thước kênh [34]