Bài báo đưa ra qui trình tính toán mô phỏng lực gia thêm (lực bù) tác động lên tàu thủy khi thay đổi hướng chuyển động. Kết quả tính toán lực gia thêm này được thực hiện trên mô hình đồng dạng của M/V TAN CANG FOUNDATION. Mời các bạn tham khảo!
Trang 1TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 18-02/2016 19
TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG LỰC GIA THÊM TÁC ĐỘNG LÊN TÀU
THỦY KHI THAY ĐỔI HƯỚNG CHUYỂN ĐỘNG
CALCULATING AND SIMULATION OF THE EXTEND FORCE IN CASE OF
CHANGING THE MOTION COURSE
PGS TS Phạm Kỳ Quang 1 TS Vũ Văn Duy 1
, NCS Nguyễn Thành Nhật Lai 2
1 Trường Đại học Hàng hải Việt Nam,
2 Trường Đại học Giao thông vận tải TP Hồ Chí Minh
Tóm tắt: Bài báo đưa ra qui trình tính toán mô phỏng lực gia thêm (lực bù) tác động lên tàu thủy
khi thay đổi hướng chuyển động Kết quả tính toán lực gia thêm này được thực hiện trên mô hình đồng dạng của M/V TAN CANG FOUNDATION
Từ khóa: Lực gia thêm, thay đổi hướng chuyển động tàu thủy, mô hình tàu
Abstract: This article gives the calculating and simulation process of the extend force that impact
on the ship in case of changing the motion course This result has been executed on the congruent model
of M/V TAN CANG FOUNDATION
Keywords: extends force, changing the motion course of ship, congruent model
1 Giới thiệu
Khi tàu thủy đi thẳng, nếu bỏ qua ảnh
hưởng của sóng thì sự phân bố áp suất hai mạn
tàu hoàn toàn đối xứng Nhưng khi thay đổi
hướng chuyển động tàu thủy, sự phân bố này
sẽ thay đổi theo (phụ thuộc chặt chẽ vào tốc
độ và góc quay của tàu)
Trong bài báo này, nhóm tác giả sử dụng
phần mềm chuyên dụng Fluent-Ansys kết hợp
với lập trình để định nghĩa một số tham số đầu
vào, xác định lực gia thêm theo các phương
Trên cơ sở đó, nghiên cứu tác động của lực gia
thêm đến đặc tính điều khiển hướng chuyển
động và tính ổn định tàu thủy
Để thuận tiện cho nghiên cứu, nhóm tác
giả sử dụng các thông số của M/V TAN
CANG FOUNDATION, đây là tàu hành trình
chuyên tuyến Bắc – Nam và việc thực hành,
thực nghiệm, khảo các số liệu của tàu rất thuận
lợi [4] Từ sơ liệu bản vẽ tuyến hình của tàu,
nhóm tác giả sử dụng phần mềm Solidwork để
xây dựng lại tuyến hình của tàu theo hình 1
2 Mô hình nghiên cứu và thuật toán
* Mô hình nghiên cứu:
Hình 1 Mô hình nghiên cứu và các điều kiện biên
Thuật toán sử dụng [5]: Đây là bài toán hai pha (pha lỏng và pha khí) tồn tại mặt thoáng phân cách giữa chúng, nên sử dụng phương pháp VOF (volume of fluid) Phương pháp VOF giải phương trình vi phân chủ đạo cho hỗn hợp nhiều pha, bằng cách đưa thêm vào đại lượng tỷ lệ thể tích pha (volume fraction) Gọi αk là tỷ lệ thể tích pha thứ k, khi đó:
1
1
n k k
Với k là khối lượng riêng của pha thứ k, khi đó khối lượng riêng của hỗn hợp là:
1
n
k k k
Từ đó giải các phương trình vi phân chủ đạo, để xác định các đại lượng đặc trưng:
1
1
k
n k
k k
Tỷ lệ thể tích được xác định theo các bước thời gian:
1
n n n n n
n n n
k k k k U s m m V
k k kf pk kp
t f k k
(4) Trong đó:
(n+1): Bước thời gian hiện tại;
n: Bước trước đó;
αkf : Giá trị danh nghĩa của tỷ lệ thể tích pha thứ k;
V: Thể tích phần tử tính toán;
Trang 220
Journal of Transportation Science and Technology, Vol 18, Feb 2016
Uk: Thể tích dòng qua bề mặt theo
phương pháp tuyến;
pk
m : Khối lượng chuyển từ pha p tới pha
k;
kp
m : Khối lượng chuyển từ pha k tới pha
k
Có thể xác định trường vận tốc và năng
lượng qua phương trình động lượng và
phương trình năng lượng:
v v v p v v t g F
E v E p k eff T s h
Trong đó:
E: Năng lượng;
T: Nhiệt độ và E;
Được xác định theo (7) :
/
Ngoài ra chương trình sử dụng kỹ thuật
giải k- ; và các hệ số thực nghiệm khác [1, 2
, 3, 5]
3 Phân tích kết quả
Mục tiêu là xác định lực gia thêm tác
động lên tàu thủy, khi thay đổi hướng chuyển
động tàu thủy và chưa tính tới ảnh hưởng của
gió Trong phạm vi bài báo này, tính toán cho
một số đầu vào như sau:
- Trường hợp 1: Tàu chuyển động thẳng
hướng với vận tốc tàu là 5 m/s; vận tốc gió
Vgio = 0
- Trường hợp 2: Tàu thay đổi hướng
chuyển động HT = 150, vận tốc tàu là 5m/s và
vận tốc gió Vgio = 0
Kết quả mô phỏng cho hai trường hợp
được mô tả cụ thể theo hình 2, hình 3 và hình
4
* Kết quả mô phỏng của trường hợp 1:
Hình 2 Phân bố áp suất hai mạn tàu (xét phần tiếp
xúc với nước)
Trường hợp này nhận xét rằng: Phân bố
áp suất hai mạn tàu gần như đối xứng Để thể hiện chi tiết hơn, có thể xét trên một đường nước
Hình 3 Phân bố áp suất tĩnh và hệ số áp suất dọc
theo đường nước khảo sát
Từ kết quả mô phỏng hình 3, nhận xét rằng: Phân bố áp suất tĩnh hai bên đường nước
là đối xứng và hệ số phân bố áp suất dọc theo chiều dài đường nước giữa hai bên là gần như trùng nhau Trường hợp này không tồn tại lực gia thêm tác động lên vỏ tàu thủy
* Kết quả mô phỏng của trường hợp 2:
Trường hợp này, khi tàu thay đổi hướng chuyển động HT = 150, có thể quy về bài toán dòng chảy bao quanh vỏ tàu có góc hợp bởi phương vận tốc và trục dọc tàu là 150 Kết quả
mô phỏng được thể hiện trên cùng đường nước so với trường hợp 1
Hình 4 Phân bố áp suất tĩnh và hệ số áp suất dọc
theo đường nước khảo sát
Từ kết quả mô phỏng hình 3, nhận xét rằng: Phân bố áp suất tĩnh hai bên đường nước khảo sát tương đối khác nhau và cụ thể hệ số
áp suất Cp tách thành hai đường có độ lệch khá lớn Điều này chứng tỏ đã tồn tại lực gia thêm tác động lên vỏ tàu Trong phạm vi bài báo này, nhóm tác giả chưa tính toán định lượng cho nhiều trường hợp cụ thể khác nhau, chủ
Trang 3TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 18-02/2016 21
yếu giới thiệu về qui trình và khả năng mở
rộng bài toán
4 Kết luận
Bài báo đưa ra qui trình ứng dụng mô
hình tính toán VOF cụ thể và chi tiết để khảo
sát bài toán dòng chảy bao quanh tàu với hai
pha (khí và nước) Tuy nhiên kết quả bài báo
tập trung tính toán mô phỏng lực gia thêm do
nước tác động lên vỏ tàu khi thay đổi hướng
chuyển động tàu thủy Các kết quả nghiên cứu
liên quan đến vấn đề này, có thể được công bố
trong các công trình hoặc bài báo khoa học
tiếp theo
Tài liệu tham khảo
[1] PGS TS Phạm Kỳ Quang, TS Vũ Văn
Duy, ThS Cổ Tấn Anh Vũ, ThS Nguyễn
Thành Nhật Lai, Mô phỏng số xâm thực
cục bộ trên bánh lái tàu thủy Tạp chí giao
thông vận tải Hà Nội, 11/2015, tr 89 -
90
[2] Vũ Văn Duy, Sử dụng phầ mềm Fluent để phân tích dòng chảy bao quanh hydrofoil, Tạp chí Khoa học - Công nghệ Hàng hải
Số 6, 2006
[3] Vũ Văn Duy, Bùi Trọng Tùng Một số kết quả ứng dụng phần mềm Fluent trong nghiên cứu dòng chảy qua chân vịt tàu thủy, Tạp chí Khoa học - Công nghệ Hàng hải Số 10, 2007
[4] Hồ sơ của M/V TAN CANG FOUNDATION và số liệu nghiên cứu thực địa tháng 12/2015 trên tuyến luồng Hải Phòng
[5] http://www.ansys.com
Ngày nhận bài: 20/01/2016 Ngày chấp nhận đăng: 04/02/2016 Phản biện: PGS.TS Vũ Đức Lập
TS Nguyễn Xuân Phương