Nghiên cứu ảnh hưởng động lực học dòng chảy bao đến lực cản tàu thuỷ trong quá trình thay đổi hướng chuyển động tt

Xuất phát từ việc phân tích nêu trên, NCS đã lựa chọn đề tài luận án: “Nghiên cứu ảnh hưởng động lực học dòng chảy bao đến lực cản tàu thủy trong quá trình thay đổi hướng chuyển động” đ

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH

NGUYỄN THÀNH NHẬT LAI

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ĐỘNG LỰC HỌC DÒNG CHẢY BAO ĐẾN LỰC CẢN TÀU THỦY TRONG QUÁ TRÌNH THAY ĐỔI HƯỚNG CHUYỂN ĐỘNG

Tóm tắt luận án tiến sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành: Khoa học hàng hải

Mã số: 9840106

TP Hồ Chí Minh - 2020

Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Giao thông vận tải TP Hồ Chí Minh

Người hướng dẫn khoa học: 1 PGS TS Phạm Kỳ Quang

2 TS Vũ Văn Duy

Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Phùng Hưng

Trường Đại học Giao thông vận tải TP Hồ Chí Minh

Phản biện 2: PGS.TS Lê Tất Hiển

Trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Quốc gia Việt Nam;

- Thư viện Trường Đại học Giao thông vận tải TP Hồ Chí Minh

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC

ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI LUẬN ÁN

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, ISSN: 2354-0818, № 11, 11/2015, tr 89 - 91

2 PGS TS Phạm Kỳ Quang, TS Vũ Văn Duy, NCS Nguyễn Thành Nhật Lai Tí nh

toán mô phỏng lực gia thêm tác động lên tàu thủy khi thay đổi hướng chuyển động

Tạp chí Khoa học Công nghệ Giao thông vận tải, ISSN: 1859-4263, № 22, 02/2016,

tr 19 - 21

3 Prof Dr Luong Cong Nho, Prof Dr Pham Ky Quang, Dr Vu Van Duy, PhD

Student Bui Van Cuong, PhD Student Co Tan Anh Vu, PhD Student Nguyen

Thanh Nhat Lai Calculation and simulation of the current effects on maritime

safety in Haiphong fairway, Vietnam International Association of Maritime

Universities (IAMU), 17th Annual General Assembly (AGA), ISBN:

978-604-937-120-2, 26 - 29 October, 2016, Vietnam, pp 170 - 179

4 PGS TS Phạm Kỳ Quang, TS Vũ Văn Duy, ThS Nguyễn Thành Nhật Lai, ThS

Phạm Nguyễn Đăng Khoa Tí nh toán mô phỏng tác động của lực gia thêm đến đặc

tí nh ổn định tàu thủy Tạp chí Khoa học - Công nghệ hàng hải, ISSN: 1859-316X,

№ 49, 01/2017, tr 60 - 64

5 PGS TS TTr Phạm Kỳ Quang (Chủ biên), TS Vũ Văn Duy, ThS Bùi Văn

Cường, ThS Cổ Tấn Anh Vũ, ThS Nguyễn Thành Nhật Lai Sách chuyên khảo

“Ứng dụng CFD trong khoa học hàng hải” Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật,

ISBN: 978-604-67-0897-1, Hà Nội, năm 2017

6 PGS TS Phạm Kỳ Quang (Chủ nhiệm đề tài), TS Vũ Văn Duy, NCS Nguyễn

Thành Nhật Lai, cùng các thành viên khác Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thử

nghiệm hệ thống đánh giá tác động của tổ hợp chân vịt - bánh lái đến đặc tính điều

khiển hướng chuyển động tàu thủy Đề tài Khoa học - Công nghệ cấp Bộ Giao

thông vận tải; mã số: DT174003, năm 2017

7 Cổ Tấn Anh Vũ (Chủ nhiệm đề tài), PGS TS Phạm Kỳ Quang, TS Vũ Văn Duy,

NCS Nguyễn Thành Nhật Lai, cùng các thành viên khác Xây dựng chương trình

tí nh toán mô phỏng và thử nghiệm một số nguyên nhân cơ bản dẫn đến tai nạn

hàng hải trên tuyến luồng Sài Gòn phục vụ công tác đào tạo và huấn luyện thuyền

viên Đề tài Khoa học - Công nghệ cấp Bộ Giao thông vận tải; mã số: DT174030,

năm 2017

8 Vu Van Duy, Pham Ky Quang, Nguyen Thanh Nhat Lai, Nguyen Chi Cong

Studying effects of extending forces on the ship hull in maneuvering The First

In-ternational Conference on Fluid Machinery and Automation Systems 2018 -

ICF-MAS 2018, ISBN: 978-604-95-0609-3, October 27 - 28, 2018, Hanoi, Vietnam

9 ThS NCS Nguyễn Thành Nhật Lai, TS Cổ Tấn Anh Vũ, TS Vũ Văn Duy, PGS TS

Phạm Kỳ Quang, ThS Nguyễn Mạnh Nên, ThS Nguyễn Chí Công Nghiên cứu thực

nghiệm tác động dòng chảy đến tàu thủy trong quá trình thay đổi hướng chuyển động

Tạp chí Giao thông vận tải, ISSN: 2354-0818, № 9/2019, tr 113 - 116

MỞ ĐẦU

1 Tí nh cấp thiết của luận án

Tàu thủy cân bằng trong môi trường nước nhờ lực đẩy Ác-si-mét tác động lên tàu, khi tàu chuyển động ở một vận tốc nào đó, thì lực đẩy mà chân vịt tạo ra sẽ cân bằng với lực cản do dòng chất lỏng bao quanh vỏ tàu gây ra Lực bẻ lái giúp tàu thay đổi hướng chuyển động, cũng được tạo ra nhờ sự chuyển đổi năng lượng của dòng chảy bao quanh bánh lái Đặc biệt, khi tàu thay đổi hướng chuyển động, lúc này dòng chảy bao quanh vỏ tàu lệch với trục dọc tàu một góc nào đó, điều này dẫn tới sự chênh lệch áp suất giữa hai mạn tàu Lúc này chất lỏng (khối nước) tác động lên thân tàu một lực “gia thêm” hay lực “bù”, làm thay đổi lực cản tác động lên tàu thủy, lực ly tâm và mô men gia thêm

Thực tiễn hàng hải khi điều động tàu, liên tục thay đổi hướng chuyển động để phù hợp với tính chất công việc theo kế hoạch Khi tàu thay đổi hướng chuyển động, tương ứng với vận tốc chuyển động của tàu, thì tàu sẽ chịu lực gia thêm khác nhau Nếu độ lớn của lực này quá giới hạn cho phép, việc thay đổi hướng chuyển động của tàu sẽ gặp khó khăn, nguy hiểm hơn là tàu có thể rơi vào trạng thái cân bằng không ổn định, là một trong những nguyên nhân gây lật tàu

Để giải quyết vấn đề này, nghiên cứu sinh (NCS) đã thực hiện xây dựng mô hình toán,

mô hình nghiên cứu, thực hiện tính toán mô phỏng và nghiên cứu thực nghiệm Hơn nữa,

đã kết hợp chặt chẽ vấn đề nghiên cứu trong đề tài luận án với nghiên cứu thực hiện trong hai đề tài KHCN cấp Bộ Giao thông vận tải, cụ thể: NCS đã nghiên cứu và sử dụng một phần kết quả nghiên cứu của hai đề tài KHCN cấp Bộ Giao thông vận tải, năm 2017:

- Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thử nghiệm hệ thống đánh giá tác động của tổ

hợp chân vịt - bánh lái đến đặc tính điều khiển hướng chuyển động tàu thủy”, mã số: DT

174003 do PGS TS Phạm Kỳ Quang làm chủ nhiệm đề tài, TS Vũ Văn Duy, NCS Nguyễn Thành Nhật Lai là thành viên tham gia chính, cùng một số thành viên khác

- Đề tài: “Xây dựng chương trình tính toán mô phỏng và thử nghiệm một số nguyên

nhân cơ bản dẫn đến tai nạn hàng hải trên tuyến luồng Sài Gòn phục vụ công tác đào tạo

và huấn luyện thuyền viên”, mã số: DT 174030, năm 2017 do tác giả Cổ Tấn Anh Vũ làm

chủ nhiệm đề tài, PGS TS Phạm Kỳ Quang, TS Vũ Văn Duy, NCS Nguyễn Thành Nhật Lai là thành viên tham gia chính, cùng một số thành viên khác

Xuất phát từ việc phân tích nêu trên, NCS đã lựa chọn đề tài luận án: “Nghiên cứu ảnh

hưởng động lực học dòng chảy bao đến lực cản tàu thủy trong quá trình thay đổi hướng chuyển động” để thực hiện và luôn cấp thiết, mang tính thời sự, có ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn trong ngành hàng hải

2 Mục tiêu nghiên cứu của luận án

Là nghiên cứu ảnh hưởng động lực học dòng chảy bao đến lực cản tàu thủy hay “lực gia thêm”, trong quá trình thay đổi hướng chuyển động

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án

Đối tượng nghiên cứu: Động lực học dòng chảy bao tàu thủy và tác động của động lực

học dòng chảy bao đến lực cản, khi thay đổi hướng chuyển động

Phạm vi nghiên cứu:

- Xây dựng mô hình bài toán động lực học dòng chảy bao quanh tàu thủy, từ đó tính toán mô phỏng để đánh giá ảnh hưởng của chúng tới lực cản hay “lực gia thêm”, khi thay đổi hướng chuyển động được thể hiện bằng 3 giá trị cơ bản: Lực cản gia thêm, lực ly tâm

và mô men gia thêm Tuy nhiên, luận án sẽ tập trung nghiên cứu thực nghiệm về giá trị lực cản gia thêm Việc thay đổi hướng chuyển động của tàu được hiểu là thay đổi giá trị góc θ0

2

(là góc hợp bởi phương của dòng chảy và phương của trục dọc tàu trong khoảng thời gian thay đổi nhất định, tính bằng độ), hay chính là thân tàu xoay lệch đi các góc nhất định so với hướng chất lỏng

- Lựa chọn và sử dụng mô hình tàu theo tiêu chuẩn đồng dạng với tàu container M/V TAN CANG FOUNDATION, trọng tải 7040 MT, có 01 chân vịt chiều phải, để triển khai nghiên cứu thực nghiệm tại bể thử mô hình tàu của Trường Đại học Hàng hải Việt Nam

4 Phương pháp nghiên cứu của luận án

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp nghiên cứu thực nghiệm, cụ thể:

Nghiên cứu lý thuyết:

- Cơ sở lý luận động lực học dòng chảy bao quanh tàu thủy và lực cản tàu thủy; cơ sở

toán học trên nền tảng tính toán động lực học dòng chảy CFD (Computational Fluid

Dynamics), để tính toán mô phỏng các thông số động lực học dòng chảy bao Áp dụng tính toán mô phỏng chi tiết cho mô hình đồng dạng tàu M/V TAN CANG FOUNDATION, với các giá trị vận tốc (Vi) và thay đổi hướng chuyển động của tàu (θ0);

- Xây dựng mô hình nghiên cứu bằng phương pháp số và quy trình tính toán mô phỏng ảnh hưởng động lực học dòng chảy bao đến lực cản tàu thủy Áp dụng tính toán mô phỏng cho mô hình đồng dạng tàu M/V TAN CANG FOUNDATION, với các giá trị vận tốc khác nhau và khi thay đổi hướng chuyển động

Nghiên cứu thực nghiệm:

NCS đã triển khai thực nghiệm tại bể thử mô hình tàu của Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, với một số nội dung cụ thể như sau:

- Thiết kế công nghệ và chế tạo mô hình nghiên cứu thực nghiệm đồng dạng theo tiêu chuẩn với tàu M/V TAN CANG FOUNDATION;

- Thiết kế, chế tạo bộ phận kết nối mô hình tàu với hệ thống thí nghiệm tại bể thử mô

hình tàu của Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Triển khai vận hành bể thử theo phương

án thực nghiệm;

- Đo giá trị lực cản tác động lên tàu với giá trị vận tốc, thay đổi hướng chuyển động;

- Tổng hợp, phân tích, so sánh và đánh giá kết quả nghiên cứu

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Ý nghĩa khoa học của đề tài:

- Hệ thống hóa cơ sở lý luận về động lực học dòng chảy bao quanh tàu thủy, nhằm đưa

ra mô hình nghiên cứu phù hợp Kết quả nghiên cứu góp phần hoàn thiện một phần cơ sở

lý luận liên quan đến vấn đề nghiên cứu và có đóng góp nhất định cho khoa học chuyên

ngành hàng hải;

- Đưa ra phương pháp luận về xây dựng quy trình ứng dụng CFD với phần mềm Fluent

- Ansys, để đánh giá ảnh hưởng của động lực học dòng chảy bao đến lực cản tàu thủy, khi thay đổi hướng chuyển động Từ đó áp dụng cho đối tượng và phạm vi nghiên cứu cụ thể

của luận án, có những giải pháp tránh những rủi ro trong thực tiễn hàng hải

Ý nghĩa thực tiễn của đề tài:

-Một mặt, kết hợp cơ sở khoa học lý thuyết đặc thù liên quan đến khoa học chuyên ngành với thực tiễn hàng hải Mặt khác, hỗ trợ thuyền trưởng chủ động trong điều khiển

hướng chuyển động tàu thủy, tránh rủi ro, nguy hại do lực gia thêm gây ra, đặc biệt trong quá trình điều động tàu, xử lý các tình huống khẩn cấp trong nghiệp vụ dẫn tàu;

- Đóng góp nhất định vào khoa học chuyên ngành: Xây dựng một phần hệ thống thínghiệm phục vụ nghiên cứu thực nghiệm Giúp chuyên gia trong xây dựng chương trình

3

điều khiển tàu tự động có tính tới yếu tố ảnh hưởng của lực gia thêm, nhằm chủ động trong quá trình điều động tàu

6 Những điểm đóng góp mới của luận án

6.1 Xây dựng giải thuật mô phỏng trên nền tảng ứng dụng CFD với phần mềm Fluent

- Ansys đối với bài toán 2D và bài toán 3D cho mô hình động lực học dòng chảy bao quanh tàu thủy Từ đó, tính toán mô phỏng cho đối tượng cụ thể với số liệu đầu vào đồng dạng với tàu container M/V TAN CANG FOUNDATION theo 16 trường hợp, khi thay

đổi vận tốc khác nhau và thay đổi hướng chuyển động của tàu

6.2 Xây dựng mô hình bài toán nghiên cứu, quy trình chung tính toán mô phỏng và thực hiện tính toán mô phỏng ảnh hưởng động lực học dòng chảy bao đến lực gia thêm tác động lên tàu thủy, khi thay đổi hướng chuyển động, thông qua 3 giá trị cơ bản là: Lực cản gia thêm, lực ly tâm và mô men gia thêm Tổng hợp, phân tích và đánh giá cụ thể mối quan hệ theo 3 giá trị cho từng trường hợp khác nhau, trong đó có áp dụng cụ thể mô hình

đồng dạng với tàu container M/V TAN CANG FOUNDATION

Đồng thời, đã xây dựng được bốn phương trình bậc 3, thể hiện mối quan hệ giữa lực cản (R) với sự thay đổi hướng chuyển động của tàu, tại từng trường hợp vận tốc tàu mô

hình khác nhau (Vmh), cụ thể:

Khi Vmh = 0,45 m/s: R   0, 0000645 3 0, 000424 2 0, 03195   0,314Khi Vmh = 0,55 m/s: R  0, 00002567 3 0, 001445 2 0, 007517   0,376

Khi Vmh = 0,65 m/s: R  0,0001472 3 0,001335 2 0,007533   0,523Khi Vmh = 0,75 m/s: R  0, 00003167 3 0, 005525 2 0, 05672   0, 6986.3 Thực hiện thiết kế, chế tạo mô hình tàu và các chi tiết, thiết bị phụ trợ phục vụ quá trình nghiên cứu thực nghiệm một phần kết quả cơ bản của luận án Đo bộ dữ liệu giá trị lực cản mô hình tàu cho 15 trường hợp khác nhau Từ đó, tổng hợp, phân tích, so sánh và đánh giá kết quả nghiên cứu thực nghiệm với kết quả tính toán mô phỏng bằng ứng dụng CFD với Fluent - Ansys, khẳng định: Kết quả nhận được khi thực hiện theo hai phương pháp đảm bảo tính hiện đại, độ chính xác và tin cậy (với sai lệch trung bình là 8,4%)

7 Bố cục của luận án

Luận án gồm 115 trang (không kể phụ lục), gồm các phần thứ tự sau: Mở đầu; nội dung (04 chương); kết luận và kiến nghị; danh mục các công trình khoa học đã công bố liên quan đến luận án (09 công trình khoa học); tài liệu tham khảo và phụ lục (03 phụ lục)

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ẢNH HƯỞNG ĐỘNG LỰC HỌC

DÒNG CHẢY BAO ĐẾN TÀU THỦY

Chương 1 tập trung nghiên cứu tổng quan về ảnh hưởng động lực học dòng chảy bao đến tàu thủy, đã tóm tắt vấn đề cơ bản sau:

Tì nh hì nh nghiên cứu trên thế giới và trong nước liên quan đến luận án:

Trên thế giới: Có thể kể đến một số công trình tiêu biểu, như: Năm 2009, Force Technology - MAN Diesel, đã thực hiện dự án về ứng dụng CFD trong nghiên cứu bài toán động lực học dòng chảy bao quanh tàu tàu Năm 2013 nhóm tác giả Karsten Hochkirch, FutureShip, Potsdam (Đức) và Benoit Mallol, Numeca, Brussels (Bỉ), công bố kết quả liên quan đến ứng dụng CFD đối với lực cản và ảnh hưởng của sóng tác động, đối

4

với sự tương tác dòng chảy qua chân vịt -

bánh lái tàu Năm 2012 nhóm tác giả

Voxakis, Petros trường Massachusetts

(Mỹ), công bố kết quả về ứng dụng CFD

để tính toán lực cản vỏ tàu Năm 2015,

nhóm tác giả Tahsin Tezdogan, Yigit

Kemal Demirel, Paula Kellett, Mahdi

Khorasanchi, Atilla Incecik, Osman Turan,

công bố kết quả bài toán động lực học bao

quanh vỏ tàu và sử dụng kỹ thuật

“unsteady RANS” cũng như ảnh hưởng

mặt thoáng,…

Năm 2012, tác giả Brendan Smoker,

Trường Đại học Victoria (Anh), công bố kết quả nghiên cứu bằng CFD và triển khai nghiên cứu thực nghiệm, để so sánh trên cùng mô hình tàu 3D Ajax (IMD-523C) Kết quả

so sánh cụ thể mô tả theo hình 1.1 Sai lệch lớn nhất được công bố là 10,16% tại tốc độ 0,324 m/s và sai lệch trung bình là 6,04% Tác giả cũng bước đầu đưa ra hệ số lực nâng CL,

hệ số lực cản CD với các tốc độ tàu và thay đổi hướng chuyển động khác nhau

Tại Việt Nam: Đã có nhiều tác giả nghiên cứu về lĩnh vực này, tiêu biểu có thể kể đến:

- Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, như: GS TSKH Vũ Duy Quang, GS TS Nguyễn Thế Mịch, PGS TS Trương Việt Anh, PGS TS Lê Quang, TS Lê Thanh Tùng, PGS TS Lương Ngọc Lợi, Nguyễn Đức Hải, Nguyễn Văn Cường,… đã công bố các kết quả liên quan: Xác định lực cản vỏ tàu, ảnh của sóng, xâm thực chân vịt, bánh lái tàu thủy, động lực học dòng chảy, tính toán lực cản tàu bằng phương pháp mô phỏng số, phương pháp xác định sức cản nhờ thử nghiệm mô hình tàu,

- Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, Trường Đại học Giao thông vận tải TP Hồ ChíMinh, Trường Đại học Nha Trang, Viện Khoa học Công nghệ tàu thủy, như: Trần Công Nghị, PGS Nguyễn Đức Ân, KS Nguyễn Bân, PGS Vũ Ngọc Bích, PGS Lê Hồng Bang, PGS Đỗ Quang Khải, TS Vũ Văn Duy, TS Trần Ngọc Tú, TS Lê Thanh Bình, PGS TS Trần Gia Thái, đã công bố kết quả nghiên cứu xung quanh vấn đề này, như: Lý thuyết tàu thủy, tính động lực học dòng chảy bao quanh tàu, ứng dụng lý thuyết CFD, tối ưu thiết

kế thân tàu thủy, ổn định tàu thủy, sự tương tác dòng chảy sau chân vịt - bánh lái, xác định lực bẻ lái hay tính bất ổn định, ứng dụng CFD xác định sức cản tàu cá vỏ gỗ Việt Nam,

Từ các kết quả nghiên cứu nêu trên nhận xét rằng: Mặc dù có một số công trình nghiên cứu về động lực học dòng chảy bao quanh tàu thủy Tuy nhiên, việc nghiên cứu và gắn kết những kết quả này vào bài toán để điều khiển hướng chuyển động của tàu trong quá trình điều động là chưa có nhiều Với phạm vi và đối tượng nghiên cứu của đề tài luận án cụ thể, vấn đề nghiên cứu luôn mang tính thời sự, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn chuyên ngành hàng hải, đồng thời không trùng lặp với các công trình đã công bố trước đó

Tổng quan về động lực học dòng chảy bao tàu thủy và ứng dụng CFD: Trong luận

án đã nghiên cứu chi tiết về cơ sở lý luận động lực học dòng chảy bao tàu và ứng dụng CFD; Các khái niệm và phương trình cơ bản liên quan đến chất lỏng; Điều kiện đầu và điều kiện biên; Chỉ rõ những ưu, khuyết điểm ứng dụng CFD trong nghiên cứu

Một số khái niệm cơ bản về chuyển động tàu thủy: Liên quan đến chuyển động của

tàu thủy, điều động tàu, tính chuyển động, tính điều khiển; Tốc độ tàu; Lực cản chuyển

Hình 1.1 So sánh kết quả theo CFD

và thực nghiệm của Brendan Smoker

5

động tổng hợp tác động lên tàu

Cơ sở lý thuyết về ổn định tàu thủy: Thành phần chuyển động, tham số động học của

chuyển động tàu thủy trong hệ tọa độ; Trạng thái cân bằng của tàu thủy; Ổn định tàu thủy tại góc nghiêng nhỏ và góc nghiêng lớn

Giới hạn phạm vi nghiên cứu trong đề tài luận án: Xây dựng mô hình nghiên cứu;

Mô hình bài toán động lực học dòng chảy bao quanh tàu, giới hạn không xét đến ảnh hưởng của sóng, gió và tập trung nghiên cứu tác dụng của dòng chảy (cụ thể vận tốc dòng chảy) lên tàu, khi thay đổi hướng chuyển động; Ứng dụng CFD với phần mềm Fluent-Ansys, nhằm tính toán mô phỏng Phân tích và đánh giá ảnh hưởng của chúng tới lực cản tàu thủy hay “lực gia thêm”, khi thay đổi hướng chuyển động, thông qua ba giá trị đặc trưng là: Lực cản gia thêm, lực ly tâm và mô men gia thêm Lựa chọn và sử dụng phương pháp theo tiêu chuẩn đồng dạng Froude Lựa chọn và sử dụng thông số tàu M/V TAN CANG FOUNDATION, trọng tải 7040 MT, để làm mô hình đồng dạng, khi thực hiện nghiên cứu thực nghiệm tại bể thử mô hình tàu của Trường Đại học Hàng hải Việt Nam

Kết luận chương 1: Chương 1 đạt được kết quả cơ bản sau:

- Phân tích và đánh giá tổng quan về tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước của các công trình liên quan đến luận án Từ đó, rút ra kết luận vấn đề nghiên cứu của luận

án mang tính cấp thiết, đảm bảo ý nghĩa khoa học và đóng góp thực tiễn chuyên ngành hàng hải và không trùng lặp với các công trình nghiên cứu đã công bố;

- Hệ thống hóa cơ sở lý luận về bài toán động lực học dòng chảy bao quanh tàu thủy và ứng dụng CFD, nhằm đánh giá ảnh hưởng của chúng tới tàu thủy trong quá trình thay đổi hướng chuyển động; Hệ thống hóa cơ sở lý luận về điều động tàu thủy, ổn định tàu thủy và chuyển động của tàu thủy;

- Đã giới hạn cụ thể phạm vi nghiên cứu của luận án

CHƯƠNG 2 ỨNG DỤNG CFD TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG

ĐỘNG LỰC HỌC DÒNG CHẢY BAO QUANH TÀU THỦY

Chương 2 tập trung tính toán mô phỏng động lực học dòng chảy bao quanh tàu bằng CFD, với các vấn đề cơ bản sau: Xây dựng mô hình nghiên cứu và cơ sở toán học; Xây

dựng quy trình tính toán mô phỏng và thực hiện tính toán mô phỏng cho bài toán 2D và bài toán 3D; Phân tích kết quả tính toán mô phỏng trong trường hợp tàu chuyển động thẳng và thay đổi hướng chuyển động khác nhau

Xây dựng mô hì nh nghiên cứu và cơ sở toán học:

- Mô hình nghiên cứu: Lựa chọn và sử dụng số liệu đồng dạng theo tiêu chuẩn Froude với M/V TAN CANG FOUNDATION (hình 2.1), hệ số đồng dạng hình học là k = 100 Các điều kiện biên (hình 2.2): “Đầu vào nước” và “đầu vào khí” được đặt là vận tốc đầu vào, với độ lớn và phương chiều theo tính toán đồng dạng với bài toán thực tế; “Đầu ra nước” và “đầu ra khí” được đặt là áp suất đầu ra, có tính tới ảnh hưởng của gia tốc trọng trường; Phần giao nhau giữa hai pha là mặt thoáng phân cách; Bài toán không xét đến ảnh hưởng của gió và sóng, nghĩa là dòng chảy bao quanh mô hình tàu có cùng vận tốc

- Cơ sở toán học: Sử dụng phương pháp VOF (volume of fluid), nghĩa là giải phương trình vi phân chủ đạo cho hỗn hợp nhiều pha, bằng cách đưa thêm vào đại lượng tỷ lệ thể

tích pha Chương trình sử dụng kỹ thuật giải (Transistion SST) và các hệ số thực nghiệm khác

6

Tí nh toán mô phỏng động lực học dòng chảy bao quanh tàu cho bài toán 2D và bài toán 3D bằng ứng dụng CFD với phần mềm Fluent - Ansys

Điều kiện biên:

- Vận tốc được đồng dạng theo hồ sơ của tàu thực M/V TAN CANG FOUNDATION:

Vt = {4,5; 5,0; 5,5; 6,0; 6,5; 7,0; 7,5}, (m/s)

- Thay đổi hướng chuyển động của tàu trong các trường hợp như sau:

θ0 = {0050, 0100, 0150, 0200, 0250, 0300}, (độ)

Kết quả nhận được: Kết quả tính toán mô phỏng cho một số đường nước cụ thể; phân

bố áp suất, phân bố pha, vận tốc,…; áp lực tác động lên vỏ tàu theo các phương

Như vậy, giới hạn vùng phương án tính toán mô phỏng với 7 giá trị vận tốc của tàu và

6 giá trị hướng chuyển động thay đổi Do đó, sẽ tương ứng việc tính toán mô phỏng với 42 trường hợp khác nhau, cho bài toán 2D là các đường nước khác nhau (xét 3 đường nước là đường số 2, số 5 và số 7 theo hình 2.1đặc trưng cho trạng thái khi tàu không tải, nửa tải và đầy tải) và bài toán 3D là cả biên dạng vỏ tàu

Hình 2.3 mô tả kết quả tính toán mô phỏng chia lưới cho không gian tính toán và các điều kiện biên Ô lưới có dạng tam giác, khoảng 1,1 triệu ô lưới thu được Mỗi trường hợp

tính toán, phải xây dựng lại mô hình bằng cách, quay vỏ tàu trong không gian tính toán ứng một giá trị bất kỳ, nghĩa là thay đổi hướng chuyển động, dẫn tới việc chia lại lưới

Phân tí ch kết quả tí nh toán mô phỏng

Trường hợp tàu chuyển động thẳng

Để thuận lợi phân tích kết quả tính

toán mô phỏng, xét trường hợp tàu

chuyển động thẳng và vận tốc tàu

Vt = 7,5 m/s, không xét tới ảnh hưởng

của sóng và gió Phân bố áp suất hai mạn

tàu gần như đối xứng, hay áp lực chất

lỏng tác động lên vỏ tàu theo phương

đường mớn nước khảo sát

Hình 2.2 Mô hình bài toán nghiên cứu và các điều kiện biên

7

Hình 2.4 Kết quả tính toán mô phỏng phân bố áp suất hai bên mạn tàu (phần dưới nước)

Trường hợp tàu thay đổi hướng chuyển động

Kết quả tí nh toán mô phỏng cho bài toán 2D

Với mỗi đường nước sẽ tính toán mô phỏng giá trị phân bố áp suất và hệ số áp suất hai bên mạn tàu Giá trị cụ thể này được biểu diễn tương ứng cột mầu bên trái mỗi hình tương

ứng Từ kết quả này, xác định được lực gia thêm theo các phương Sau đó tổng hợp trên nhiều đường nước khác nhau, để đưa ra được giá trị cho toàn vỏ tàu

Tính toán mô phỏng 3đường nước khảo sát đặc trưng là số 2, số 5 và số 7 (các đường

nước khác thực hiện tương tự), với cùng điều kiện đầu, cụ thể:

- Thay đổi hướng chuyển động của tàu: θ0 = 0050, θ0 = 0200 và θ0 = 0300

- Thay đổi lần lượt vận tốc tàu là: Vt = 4,5 m/s và Vt = 7,5 m/s

Kết quả tính toán mô phỏng cho ba đường nước, được mô tả từ hình 2.5 đến hình 2.9

Hình 2.5 Kết quả tính toán mô phỏng đường nước số 2 khi Vt = 4,5 m/s, thay đổi θ0 = 0050 và θ0 = 0200: a) Phân bố áp suất; b) Phân bố hệ số áp suất

9

Hình 2.8 Kết quả tính toán mô phỏng đường nước số 7 khi Vt = 4,5 m/s, thay đổi θ0 = 0050 và θ0 = 0200: a) Phân bố áp suất; b) Phân bố hệ số áp suất

10

Hình 2.9 Kết quả tính toán mô phỏng đường nước số 2 khi Vt thay đổi,

θ0 = 0300: a) Phân bố áp suất; b) Phân bố hệ số áp suất

Kết quả tí nh toán mô phỏng cho bài toán 3D

Điều kiện đầu vào tương tự bài toán 2D, nhưng kết quả tính toán sẽ tường minh hơn so với 2D, cho kết quả phân bố áp suất trên toàn biên dạng vỏ tàu thủy, đưa ra lực gia thêm theo phương khác nhau, phân bố pha nước và khí sẽ cho hình dạng mặt thoáng tương ứng Kết quả tính toán mô phỏng thể hiện trên hình 2.10

Hình 2.10 Kết quả tính toán mô phỏng, với Vt = 7,5 m/s, thay đổi hướng chuyển động

θ0 = 0200: a) Phân bố áp suất trên vỏ tàu; b) Phân bố pha khí trên vỏ tàu