0

Ứng dụng phương pháp tính toán động lực học lưu chất (CFD) trong tối ưu hóa hình dạng mũi tàu quả lê

162 3 0
  • Ứng dụng phương pháp tính toán động lực học lưu chất (CFD) trong tối ưu hóa hình dạng mũi tàu quả lê

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

Tài liệu liên quan

Thông tin tài liệu

Ngày đăng: 12/05/2022, 14:00

Ứng dụng phương pháp tính toán động lực học lưu chất (CFD) trong tối ưu hóa hình dạng mũi tàu quả lê.Ứng dụng phương pháp tính toán động lực học lưu chất (CFD) trong tối ưu hóa hình dạng mũi tàu quả lê.Ứng dụng phương pháp tính toán động lực học lưu chất (CFD) trong tối ưu hóa hình dạng mũi tàu quả lê.Ứng dụng phương pháp tính toán động lực học lưu chất (CFD) trong tối ưu hóa hình dạng mũi tàu quả lê.Ứng dụng phương pháp tính toán động lực học lưu chất (CFD) trong tối ưu hóa hình dạng mũi tàu quả lê.Ứng dụng phương pháp tính toán động lực học lưu chất (CFD) trong tối ưu hóa hình dạng mũi tàu quả lê.Ứng dụng phương pháp tính toán động lực học lưu chất (CFD) trong tối ưu hóa hình dạng mũi tàu quả lê.Ứng dụng phương pháp tính toán động lực học lưu chất (CFD) trong tối ưu hóa hình dạng mũi tàu quả lê.Ứng dụng phương pháp tính toán động lực học lưu chất (CFD) trong tối ưu hóa hình dạng mũi tàu quả lê. BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH HUỲNH VĂN CHÍNH ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC LƯU CHẤT (CFD) TRONG TỐI ƯU HĨA HÌNH DẠNG MŨI TÀU QUẢ LÊ LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP HỒ CHÍ MINH – 2022 BỘ GIAO THƠNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH HUỲNH VĂN CHÍNH ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN ĐỘNG LỰC HỌC LƯU CHẤT (CFD) TRONG TỐI ƯU HĨA HÌNH DẠNG MŨI TÀU QUẢ LÊ LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC MÃ SỐ: 9520116 Người hướng dẫn: PGS.TS Trần Gia Thái TS Bùi Hồng Dương TP HỒ CHÍ MINH – 2022 i LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan tất kết nghiên cứu đề tài luận án: “Ứng dụng phương pháp tính toán động lực học lưu chất (CFD) tối ưu hóa hình dạng mũi tàu lê” cơng trình nghiên cứu cá nhân hướng dẫn khoa học PGS.TS Trần Gia Thái TS Bùi Hồng Dương chưa công bố cơng trình khoa học khác thời điểm Tp Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng năm 2022 Nghiên cứu sinh Huỳnh Văn Chính LỜI CÁM ƠN Trong suốt trình thực luận án, thân tơi nhận giúp đỡ tận tình Phịng, Ban Trường Đại học Giao thơng vận tải Thành phố Hồ Chí Minh Đặc biệt hướng dẫn tận tâm PGS.TS Trần Gia Thái TS Bùi Hồng Dương Qua đây, xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến Thầy giúp đỡ Nhân dịp xin gởi lời cảm ơn đến Ban Giám hiệu, Thầy Cô Viện Cơ Khí, Viện Đào tạo Sau Đại học Trường Đại học Giao thơng vận tải Thành phố Hồ Chí Minh bạn đồng nghiệp tạo điều kiện, giúp đỡ động viên tơi suốt q trình học tập, nghiên cứu thực luận án Trường Tôi xin chân thành cảm ơn! Tp Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng năm 2022 Tác giả Huỳnh Văn Chính TĨM TẮT Sử dụng mũi lê khơng giải pháp hiệu để làm giảm sức cản, mà cịn cho phép cải thiện hầu hết tính tàu, nhờ giảm chi phí nhiên liệu, tăng tốc độ, nâng cao mức độ an toàn hiệu kinh tế - kỹ thuật cho tàu biển Với tàu cá, mũi lê cho phép cải thiện hiệu đánh bắt biển nhờ tàu có độ chúi dọc độ ổn định lắc dọc tốt so với không trang bị dạng mũi Tuy nhiên nay, việc thiết kế dự đốn cơng suất tàu có mũi lê cịn khó khăn tương tác phức tạp hệ thống sóng thân tàu lê Trong trường hợp thuận lợi, dạng mũi lê tối ưu tạo hệ thống sóng giao thoa tích cực với hệ thống sóng tàu làm giảm đến (10-15)% sức cản tổng tàu, có hình dạng vị trí khơng thuận lợi, lê gây giao thoa tiêu cực, làm tăng hệ thống sóng tổng hợp dẫn đến làm tăng lớn sức cản tổng tàu Các nghiên cứu trước thường thử mơ hình loạt hình dạng thân tàu lê, dựa sở để tìm hình dạng lê phù hợp, tương ứng sức cản tàu nhỏ nhất, thử nghiệm thường nhiều thời gian, cơng sức, chi phí tốn Một nghiên cứu thực nghiệm toàn diện tiếng thực M.Kracht (1978), ơng phân tích liệu thử nghiệm nhiều mơ hình lê để thiết lập đồ thị thiết kế sử dụng để thiết kế mũi lê cho tàu biển nay, nhiên phương pháp có nhược điểm cần bổ sung, hoàn thiện Các nghiên cứu gần thường tối ưu hóa lê cho tàu có sẵn dạng mũi này, cách thay đổi kích thước sử dụng phương pháp tính đại CFD (Computational Fluid Dynamics) để ước tính giá trị hàm đơn mục tiêu vế sức cản tàu Từ phân tích đây, với chủ trương đại hóa đội tàu cá nhà nước thời gian gần đây, nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài luận án: Ứng dụng phương pháp tính tốn động lực học lưu chất (CFD) tối ưu hóa hình dạng mũi tàu lê với mục tiêu thiết kế mũi lê cho tàu cá chưa có sẵn dạng mũi ứng dụng CFD xác định hình dạng lê tối ưu đảm bảo độ giảm sức cản tổng tàu lớn Trên sở tổng hợp phân tích nghiên cứu sở lý luận có liên quan, tác giả xây dựng hướng nghiên cứu liệu khoa học cần thiết để giải mục tiêu nội dung nghiên cứu luận án, với kết đạt sau: (1) Ước tính sức cản tàu tính tốn với độ xác mong đợi CFD Các nghiên cứu tính sức cản để tối ưu hóa lê thường thực cho mơ hình tàu có sẵn khơng có giải pháp đảm bảo độ xác kết tính CFD Nghiên cứu ứng dụng để tính sức cản tàu FAO 72 FAO 75 CFD với độ xác mong đợi, sở đảm bảo độ xác thơng số đầu vào, bao gồm mơ hình tàu 3D, kích thước miền tính tốn hệ số mơ hình rối  Bổ sung, hồn thiện phương pháp thiết kế mũi lê đồ thị Kracht Phương pháp thiết kế lê hiệu sử dụng đồ thị Kracht, nhiên phương pháp áp dụng cho tàu có hệ số béo phạm vi (0.56 - 0.82), kích thước lê gần tối ưu, không đề cập việc nối lê thiết kế vào phần thân tàu Kết nghiên cứu bổ sung, hoàn thiện phương pháp tính lê đồ thị Kracht cách xây dựng đường cong nội suy ngoại suy để tính lê tàu FAO 75 có hệ số béo CB = 0.524 nằm phạm vi áp dụng (0.56-0.82) đồ thị này, với lê ban đầu có chiều dài LPRo= 1.50 m, chiều rộng BBo= 1.70 m, chiều cao ZBo = 2.1 m, sau sử dụng AutoShip xây dựng đường biên dạng tích hợp lê vào thân tàu đảm bảo bề mặt tiếp giáp lê thân tàu trơn thông số lê không đổi (3) Xây dựng mơ hình tốn phương pháp tối ưu hóa mũi lê tàu cá Các nghiên cứu tối ưu lê thường dựa hàm đơn mục tiêu sức cản không phù hợp với tàu cá không đưa ràng buộc sở thay đổi kích thước lê, dẫn đến phương án tính lê khơng đầy đủ khơng cần thiết Kết nghiên cứu xây dựng mơ hình phương pháp tối ưu mũi lê tàu cá với hàm đa mục tiêu độ giảm cơng suất có ích phù hợp chế độ làm việc tàu cá nhằm phát huy tối đa hiệu quả lê, xác định giới hạn ràng buộc thay đổi kích thước để xây dựng ma trận phương án tính lê phù hợp giải toán tối ưu dựa kết hợp CFD mơ hình thay thê Kết tính lê tối ưu tàu FAO 75 có chiều dài LPRop = 1.65 m, chiều rộng BBop = 1.91 m, chiều cao ZBop = 2.10 m dựa việc thay đổi đồng thời chiều dài chiều rộng lê ban đầu với gia số LPR = 0.11 m, BB = 0.21 m, độ giảm sức cản tổng tàu khoảng 14% Từ khóa: mũi 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 (1) Predicting resistance of computation vessel with expected accuracy using CFD 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 model coefficients (2) Completing and improving the method of designing the bulb using the Kracht charts The most efficient bulb design method today is to use Kracht charts, but this method is applicable to vessels with a block coefficient (CB) in the range of (0.56 - 0.82), the bulb sizes are only close to optimal, and without joining the bulbs to 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 L PRo = 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 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 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT iii ABSTRACT v MỤC LỤC vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT x DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU xi DANH MỤC CÁC BIỂU BẢNG xvi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ xix MỞ ĐẦU 1 LÝ DO LỰA CHỌN ĐỀ TÀI MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3 PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 4 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN Chương ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 TỔNG QUAN CÁC CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN 1.1.1 Các cơng trình nghiên cứu truyền thống 1.1.2 Các cơng trình nghiên cứu đại 11 1.2 PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN HƯỚNG NGHIÊN CỨU 26 1.2.1 Phân tích hướng nghiên cứu liên quan 26 1.2.2 Phân tích lựa chọn hướng nghiên cứu 30 Kết luận chương 30 Chương TÍNH SỨC CẢN TÀU BẰNG CFD 31 2.1 CFD VÀ ỨNG DỤNG TRONG TÍNH SỨC CẢN TÀU 31 2.1.1 Khái quát lý thuyết CFD 31 2.1.2 Ứng dụng CFD tính sức cản tàu 37 2.2 ỨNG DỤNG CFD TÍNH SỨC CẢN CỦA TÀU TÍNH TỐN 41 2.2.1 Phân tích, lựa chọn mẫu tàu tính tốn 43 2.2.2 Xây dựng mơ hình 3D tính sơ sức cản tàu tính tốn 50 2.2.3 Xác định thông số mô phù hợp với tàu tính tốn 54 2.2.4 Tính sức cản tàu tính tốn 63 2.3 PHÂN TÍCH KẾT QUẢ TÍNH TOÁN 64 Kết luận chương 67 Chương THIẾT KẾ TỐI ƯU MŨI QUẢ LÊ TÀU CÁ 68 3.1 ĐẶC ĐIỂM HÌNH HỌC CỦA MŨI QUẢ LÊ 68 3.1.1 Phân loại mũi lê 68 3.1.2 Các thông số hình học mũi lê 70 3.1.3 Ảnh hưởng thơng số hình học đến hiệu làm việc lê 72 3.2 TÍNH TỐN, THIẾT KẾ MŨI QUẢ LÊ BẰNG ĐỒ THỊ KRACHT 73 3.2.1 Xác định hệ số hình học lê cho tàu tính tốn 75 3.2.2 Xây dựng đường hình dáng lê tính tốn 78 3.2.3 Tích hợp hình dạng lê vào đường hình tàu tính tốn 81 3.3 MƠ HÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU HĨA MŨI QUẢ LÊ TÀU CÁ 86 3.3.1 Mơ hình tốn tối ưu hóa tổng qt 86 3.3.2 Mơ hình tốn tối ưu hóa mũi lê tàu cá 88 3.3.3 Phương pháp giải tốn tối ưu hóa mũi lê 95 3.4 ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHO TÀU TÍNH TỐN 99 3.4.1 Thiết lập ma trận phương án tính tốn lê 99 3.4.2 Xác định phương án lê tối ưu 101 Kết luận chương 123 Chương KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 124 4.1 KẾTLUẬN 124 4.2 KHUYẾN NGHỊ 126 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN 128 LUẬN ÁN TIẾN SĨ 129 TÀI LIỆU THAM KHẢO Từ kết tính tối ưu cho trường hợp thay đổi kích thước mũi lê nêu trên, cho phép rút nhận xét cụ thể sau:  Phương án lê tối ưu phụ thuộc vào mớn nước tàu thường xuyên hoạt động, hiệu làm việc lê mớn nước thiết kế thường cao Nguyên nhân lê chìm sâu mặt nước nên thay đổi không lớn mớn nước tàu thường xuyên hoạt động ảnh hưởng đến kết tính  Hiệu làm việc mũi lê, thể qua độ giảm cơng suất có ích tàu lớn trường hợp thay đổi đồng thời chiều dài chiều rộng lê Cụ thể độ giảm cơng suất có ích lớn tàu FAO 75 thay đổi đồng thời chiều dài chiều rộng lê 13.931%, cịn thay đổi đơng thời chiều dài - chiều cao 13.678%, thay đổi đông thời chiều rộng - chiều cao 13.578% Ngun nhân thơng số chiều dài chiều rộng ảnh hưởng lớn đến cường độ phase hệ thống sóng mũi tàu lê nên dễ tác động đến hiệu Trong việc tăng chiều cao thường ảnh hưởng chủ yếu đến độ chìm lê mà ảnh hưởng đến khối lượng, biên độ phase sóng lê Tuy nhiên, việc kéo dài lê theo chiều dọc tàu đến mức định bị hạn chế không đổi chiều dài lớn tàu, đồng thời làm tăng đáng kể diện tích mặt ướt ảnh hưởng đến yếu tố thiết kế khác  Kết tính tốn cho thấy phương án kích thước lê tối ưu xác định theo ba mơ hình thay Kriging khác nhau, trường hợp tính tốn, mơ hình ln có độ xác hiệu cao so với mơ hình cịn lại Điều giải thích mơ hình với hàm hồi quy đa thức bậc hai hàm tương quan Gauss hàm có độ phi tuyến cao nên đáp ứng tốt thay đổi phức tạp biết sức cản tổng tàu thay đổi đồng thời kích thước lê  Kết tính tốn cho thấy mũi lê trường hợp tối ưu cho phép giảm cơng suất có ích Pe sức cản tổng tàu RT vào khoảng 14%, so với tàu trang bị mũi lê, hồn tồn phù hợp với số liệu thực nghiệm công bố tương ứng (12 – 15)% Hình 3.33 3.34 kết tính tốn xuất từ Xflow biểu đồ phân bố trường vận tốc trường áp suất dòng lưu chất xung quanh thân tàu FAO 75 trường hợp khơng có trang bị lê có trang bị lê tối ưu điều kiện hoạt động chế độ thiết kế tương ứng với tốc độ U= 15 hl/h mớn nước T= 4.57 m So sánh định tính hình ảnh nhận thấy rõ chiều cao biên dạng sóng tàu FAO 75 giảm đáng kể sau lắp mũi lê tối ưu, dẫn đến làm giảm đáng kể thành phần sức cản sinh sóng, đó, sức cản tổng tàu giảm đáng kể Ngoài ra, xuất rõ ràng sóng khu vực phía sau thân tàu khơng có mũi lê (Hình 33b) chứng tỏ hiệu mũi lê sóng khu vực phía sau thân tàu có mũi lê bị triệt tiêu phần lớn (Hình 34a) nhờ giao thoa tích cực hệ thống sóng thân tàu hệ thống sóng tạo mũi lê tối ưu (a) Phân bố trường vận tốc dòng lưu chất (b) Phân bố trường áp suất dịng lưu chất Hình 3.33 Phân bố trường vận tốc trường áp suất dòng lưu chất xung quanh thân tàu FAO 75 trường hợp lê (a) Phân bố trường vận tốc dòng lưu chất (b) Phân bố trường áp suất dịng lưu chất Hình 3.34 Phân bố trường vận tốc trường áp suất dòng lưu chất xung quanh thân tàu FAO 75 trường hợp có lê tối ưu Hình 3.35 đường hình tàu FAO 75 với lê ban đầu thiết kế theo đồ thị Kracht có kích thước LPRo = 1.50 m, BBo = 1.70 m, ZBo = 2.10 m (đường đen) lê tối ưu có kích thước LPRop = 1.65 m, BBop = 1.91 m, ZBo = 2.10 m (đường đỏ), tương ứng trường hợp thay đổi đồng thời chiều dài chiều rộng lê ban đầu với gia số LPR = 0.11 m, BB = 0.21 m Hình 3.35 Bản vẽ đường hình tàu FAO 75 với lê ban đầu lê tối ưu Kết luận chương Chương trình bày kết luận án sử dụng đồ thị Kracht thiết kế mũi lê cho tàu có hệ số béo khơng nằm phạm vi áp dụng đồ thị, với mơ hình phương pháp giải tốn tối ưu hình dạng mũi lê cho tàu cá dựa sở sử dụng kết hợp phương pháp tính CFD mơ hình thay Kriging Kết sử dụng đồ thị Kracht xác định sơ kích thước lê ban đầu tàu FAO 75: chiều dài LPRo=1.50 m, chiều rộng BBo=1.70 m chiều cao ZBo= 2.10m Kết sử dụng mơ hình phương pháp tối ưu mũi lê tàu cá nghiên cứu tìm phương án lê tối ưu có chiều dài LPRop= 1.65 m, chiều rộng BBop=1.91 m chiều cao ZBo= 2.10 m, xác định cách thay đổi đồng thời chiều dài chiều rộng lê ban đầu gia số LPR= 0.11 m, BB= 0.21 m, cho phép giảm cơng suất có ích sức cản tổng tàu  14%, phù hợp với số liệu thực nghiệm (12-15)% Kết xuất biểu đồ phân bố trường vận tốc trường áp suất Xflow cho thấy trường hợp lắp lê tối ưu tính, chiều cao sóng giảm rõ rệt khơng có xuất sóng khu vực đuôi tàu, dẫn đến làm giảm sức cản tàu Chương KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 4.1 KẾT LUẬN Kết nghiên cứu luận án cho phép NCS rút điểm số kết luận cụ thể sau: (1) Ứng dụng CFD để tính sức cản loại tàu cụ thể với độ xác mong đợi Kết nghiên cứu luận án cho phép ứng dụng phương pháp CFD để tính sức cản loại tàu cụ thể với độ xác mong đợi sở đảm bảo độ xác thơng số đầu vào lời giải CFD, bao gồm độ xác mơ hình hình học 3D giá trị phù hợp với tàu tính tốn thơng số mơ gồm kích thước miền tính hệ số mơ hình rối k- động rối k tốc độ khuếch tán động rối  Giải pháp sử dụng phần mềm thiết kế tàu AutoShip xây dựng kiểm tra độ xác mơ hình 3D, phương pháp kết xác định giá trị thông số mô phù hợp với loại tàu tính trình bày cụ thể phần 2.2.3 chương Kết nghiên cứu phù hợp với thực tế thể độ sai lệch kết tính sức cản Xflow với mơ hình tàu 3D xây dựng, thông số mô xác định với liệu thử nghiệm tương ứng tàu tính tốn FAO 72 FAO 75 nằm phạm vi 3% trình bày Bảng 2.12 Bảng 2.13 (2) Bổ sung, hoàn thiện phương pháp thiết kế mũi lê Phương pháp thiết kế lê hiệu sử dụng đồ thị Kracht, nhiên phương pháp có điểm hạn chế định áp dụng cho tàu có hệ số béo phạm vi C B = (0.56 - 0.82), lê tính gần với tối ưu, khơng đề cập đến việc nối phần mũi lê thiết kế vào phần thân tàu lại Kết nghiên cứu mục 3.2 Chương bổ sung, hoàn thiện phương pháp cách sử dụng kết hợp phương pháp nội suy ngoại suy đồ thị Kracht để xây dựng đường cong nội suy áp dụng thiết kế mũi lê cho tàu có hệ số béo nằm phạm vi áp dụng đồ thị Kracht, sử dụng AutoShip để xây dựng đường biên dạng tích hợp lê vào đường hình tàu đảm bảo bề mặt tiếp giáp lê thân tàu trơn thông số lê xác định khơng đổi (3) Xây dựng mơ hình phương pháp giải toán tối ưu mũi lê Kết nghiên cứu luận án xây dựng mơ hình phương pháp giải tốn tối ưu hình dạng mũi lê tàu cá, việc xác định hàm đa mục tiêu độ giảm cơng suất có ích (3.24) với giá trị trọng số phù hợp với chế độ làm việc điển hình tàu cá nhằm phát huy hết hiệu quả lê chế độ tải khác nhau, chế độ vận tốc thấp kéo thả lưới, xác định phạm vi thay đổi kích thước lê để xây dựng phương án tính hợp lý, lựa chọn điều kiện ràng buộc phù hợp để đảm bảo thơng số hình học tính tàu khơng thay đổi sau lắp mũi lê, việc giải toán tối ưu dựa kết hợp CFD mô hình thay Các kết tính tốn, với kết xuất từ CFD phân bố vận tốc áp suất dòng chảy xung quanh thân tàu FAO 75 khơng có lê có lê tối ưu Hình 3.33 Hình 3.34 cho thấy phù hợp tốt phương pháp đề xuất với lý thuyết thực tiễn lý sau: - Theo lí thuyết, hiệu suất lê phụ thuộc vào giao thoa hệ thống sóng lê tạo hệ thống sóng tàu, đó, phương án thay đổi đồng thời chiều dài chiều rộng lê có hiệu cao thay đổi thơng số ảnh hưởng chủ yếu đến chiều dài khối lượng mũi lê, dẫn đến ảnh hưởng lớn đến pha biên độ hệ thống sóng lê tạo ra, thay đổi độ cao ảnh hưởng đến độ chìm lê nên có ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc mũi lê - Trong thực tế, liệu tính tốn cho bóng đèn tối ưu tàu FAO 75 cho thấy mức giảm tối đa cơng suất có ích sức cản tổng sau lắp lê tối ưu khoảng 14%, nằm phạm vi liệu thử nghiệm (12- 15)% cơng bố thức nhiều nhà nghiên cứu cho tàu thông thường có mũi lê Bertram Schneekluth (1998) [6], Larrie D F (2011) [3] - Việc sử dụng đồ thị Kracht, với phương pháp ngoại suy nội suy để thiết kế sơ lê ban đầu cho tàu có hệ số béo C B khơng nằm phạm vi áp dụng đồ thị phù hợp, thể chỗ kích thước lê ban đầu gần tối ưu nên xác định kích thước lê tối ưu sau hai lần tính tốn cách sử dụng mơ hình thay trường hợp 4.2 KHUYẾN NGHỊ Từ kết nghiên cứu đạt luận án, NCS xin phép đề xuất số khuyến nghị cụ thể sau:  So với công cụ phần mềm CFD khác giới thiệu mục 1.1.2 việc sử dụng phần mềm XFlow để ước tính sức cản tàu dễ dàng nhiều, đặc biệt nhờ sử dụng công nghệ không lưới chia, khả tự động hóa xử lý khu vực lớp biên gần sát với thành tàu, với giao diện thân thiện, dễ sử dụng Tốc độ tính tốn thời gian xử lý toán sức cản XFlow nhanh, so sánh với phần mềm mã nguồn mở CFD OpenFoam Đặc biệt sử dụng giải pháp khởi tạo file mơ hình hình học dạng STL thông qua phần mềm AutoShip cho phép rút ngắn đáng kể thời gian tính tốn Vì khuyến nghị sử dụng XFlow làm cơng cụ để giải toán CFD lĩnh vực kỹ thuật tàu thủy  Sử dụng kết hợp phần mềm AutoShip Rhino để xây dựng mơ hình hình học 3D tàu phục vụ việc giải toán thủy động học tàu CFD giải pháp phù hợp, cho phép kiểm tra độ xác mơ hình 3D thơng qua tính so sánh thơng số hình học mơ hình với tàu thật  Ở mức độ định, giải pháp xác định xác sức cản tàu phần mềm XFlow đạt luận án thay kết thử nghiệm bể thử Trên sở nghiên cứu ứng dụng kết luận án để tính sức cản nhiều mẫu tàu cá vỏ thép FAO khác giới thiệu tài liệu [10], [11] thay đổi có hệ thống thơng số hình học chủ yếu nhằm mục đích xây dựng sở liệu khoa học cần thiết cho việc xây dựng công thức tính sức cản gần cho đội tàu cá vỏ thép phù hợp với đặc điểm nghề cá Việt Nam [58] Khi đó, kết nghiên cứu đề tài ứng dụng rộng rãi nhiều thực tế thiết kế sử dụng tàu cá nước ta  Ứng dụng kết nghiên cứu vào thiết kế lê cho tàu chưa có mũi lê Trên sở sử dụng mẫu tàu lựa chọn, phương pháp thiết kế tối ưu mũi lê nghiên cứu luận án để thiết kế mẫu tàu cá vỏ thép cỡ lớn có tính hàng hải tốt phù hợp với đặc điểm nghề cá Việt Nam Bên cạnh đó, nghiên cứu ứng dụng CFD giải tốn tối ưu hóa mũi lê đặt luận án cách làm mới, tiếp cận với phương pháp nghiên cứu đại Ngồi đặt vấn đề nghiên cứu tiếp nội dung như:  Nghiên cứu tự động hóa việc xây dựng mơ hình hình học 3D tàu tính tốn, cơng đoạn xây dựng mơ hình tàu cách kết hợp phần mềm nêu luận án dễ thực thực tế nhiều thời gian, công sức  Nghiên cứu phương pháp thiết kế tích hợp lê vào đường hình tàu tính tốn mang tính tổng qt so với phương pháp sử dụng phần mềm AutoShip nêu Một phương pháp nhà khoa học nghiên cứu thực phối hợp điểm kiểm soát (control points) đường cong NURBS dùng biểu diễn hình dạng lê thân tàu để cho đảm bảo hịa hợp hình dạng lê với đường hình phía mũi tàu  Phương pháp tối ưu hóa hình dạng mũi tàu lê đề xuất luận án xây dựng sở thay đổi thơng số tuyến tính lê thay đổi kích thước thay đổi đồng thời cặp thơng số kích thước với Trên sở đó, đặt vấn đề tiếp tục nghiên cứu toán tối ưu lê trường hợp thay đổi kích thước khác, cụ thể như: - Thay đổi thông số hình học phi tuyến lê hệ số mặt cắt ngang CABT, hệ số cạnh bên CABL hệ số thể tích CPR - Thay đổi đồng thời ba kích thước lê gồm chiều dài, chiều rộng chiều cao lê - Thay đổi đồng thời thơng số hình học tuyến tính phi tuyến lê Kết nghiên cứu luận án sở quan trọng để nghiên cứu thiết kế mẫu tàu cá vỏ thép cỡ lớn có tính hàng hải tốt phù hợp với nghề cá Việt Nam Đồng thời mở triển vọng lớn việc giải nhiều toán phức tạp thủy động lực học tàu nói chung lĩnh vực tàu cá nói riêng, cịn tồn tối ưu hóa đường hình tàu cá, tính tốn tính biển (seakeeping), tính tốn tính động (manueroving), tính tốn thủy động lực học thiết bị đẩy tàu … DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN TIẾN SĨ STT Tên tác giả, tên viết, tên tạp chí số tạp chí, trang viết, năm xuất Sản phẩm đề tài/ dự án Số hiệu ISSN Huỳnh Văn Chính, Trần Gia Thái, “Nghiên cứu cơng thức ước tính sức cản mẫu tàu cá vỏ thép phù hợp với nghề cá Việt Nam”, Tạp chí Cơ khí Việt Nam – pp 55-58, Số năm 2018 Bài báo ISSN 0866-7056 Huỳnh Văn Chính, Trần Gia Thái, “Nghiên cứu phương pháp thiết kế tối ưu mũi lê cho mẫu tàu cá vỏ thép”, Tạp chí Cơ khí Việt Nam – pp 43-47, Số năm 2018 Bài báo ISSN 0866-7056 Trần Gia Thái, Huỳnh Văn Chính, Nguyễn Vũ Hà “Ứng dụng CFD ước tính sức cản tàu cá vỏ thép”, Tạp chí Cơ khí Việt Nam – pp 45-49, Số 12 năm 2018 Bài báo ISSN 0866-7056 Van Chinh Huynh, Gia Thai Tran “Improving the Accuracy of Ship Resistance Prediction Using Computational Fluid Dynamics Tool”, International Journal on Advanced Science Engineering Information Technology - Vol.10 (2020) No.1, pp 171-177 Bài báo ISSN 2088-5334 Chinh Van Huynh, Ha Vu Nguyen, Thai Gia Tran “A New Approach to Establish Empirical Formular for Bài báo Scopus ISSN 2231 – 5381 Scopus Estimating Fishing Boat Resistance”, International Journal of Engineering Trends and Technolo- gy - Volume 69 Issue 4, pp 131- 138, April 2021 Thai Gia Tran, Chinh Van Huynh, Hyun Cheol Kim,“Optimal Design Method of Bulbous bow for Fishing Vessels”, International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering - Volume 13, pp 858876, 2021 Bài báo ISSN 2092-6782 SCIE Điểm IF TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Anh [1] Couch and Moss (2013), Application of Large Protruding Bulbs to Ships of High Block Coefficient, SNAME Transactions [2] Bertram V., Schneekluth H (1998), Ship Design for Efficiency and Economy, Elsevier, ISBN 9780080517100 [3] Larrie D Ferreiro (2011), The Social History of the Bulbous Bow, In Johns Hopkins University Press, Technology and Culture, Vol.52,pp 335–359 [4] A.A Aksenov Capvidia, A.V Pechenyuk Digital, Vučinić Vrije (2015), Ship hull form design and optimization based on CFD, Towards Green Marine Technology and Transport – Guedes Soares, © 2015 Taylor & Francis Group, London, ISBN 978-1-138-02887-6 [5] Bengt Andersson, Ronnie Andersson, Love Hakansson, Mikael Mortensen, Rahman Sudiyo, Berend van Wachem (2012), Computational Fluid Dynamics for Engineers, Cambridge University Press [6] Joel H Ferziger, Milovan Peric (2002), Computational Methods for Fluid Dynamics, ISBN 3-540-42074-6 Springer-Verlag Berlin Heidelberg NewYork [7] Lattice Boltzmann (2011), Method for Fluid Simulations, Yuanxun Bill Bao & Justin Meskas, April 14, 2011 [8] S G Rigby, D Nicolaou, J L Sproston, and A Millward (2001), Numerical Modeling of the water flow around ship hulls, Department of Engineering, The University of Liverpool, Liverpool, U.K Journal of Ship Research, Vol 45, No 2, June 2001, pp-94 [9] Chao LI, Yongsheng WANG, Jihua Chen (2016), Study on the shape parameters of bulbous bow of tuna longline fishing vessel, International Conference on Energy and Environmental Protection (ICEEP 2016) [10] J.G.Hayes and Engvall (1969), Computer-aided studies of fishing boat hull resistance, Food and Agriculture Organization of the United Nations, Rome [11] Jan-Olof Traung (1965), Fising Boat Tank Test, Food and Agriculture Organization of the United Nations [12] Doust D.Y and O’Bien (1965), Resistance and Propulsion of Trawlers, North East Coast Institute of Engineers and Shipbuilders Trans., Vol 5, Part [13] Jeff W Hoyle (1985), Optimization of Bow-Bulb Forms for Resistance and Seakeeping Characteristics: A comparison of existing computer software Predictions Methods with Experimental Results, U.S.N.A Trident Scholar project report; no 132 (1985), U S Naval Academy, Annapolis, Maryland [14] R.Shama, O.P.Sha (2008), Practical Hydrodynamic Design of Bulbous Bows for Ship, Naval Engineering Journal Vol.117, No.1, pp.57-76 [15] T.Inui T.Takahei , M.Kumano (1960), Wave profile measurements on the wave making characteristics of the bulbous bow, Journal of Zosen Kiokai, pp.39-51 [16] Chen, P.F, Huang, C.H, Fang, M.C, Chou, J.H (2006), An Inverse Design Approach in Determining the Optimal Shape of Bulbous Bow with Experimental Verification, Journal of Ship Research, Vol.50, No.1, pp.1-14 [17] M Kracht (1978), Design of Bulbous Bows, SNAME Transactions, Vol 86, pp 197-217 [18] M.Kracht (1970), A Theoretical Contribution to the Wave-Resistance Problem of Ship-Bulb Combinations: Verification of the Negativeness of the Interaction Term, Journal of Ship Research, Vol.14, No.1 [19] Smith, Salvesen (1970), Comparison of ship-motion theory and experiment for destroyer with large bulb, Journal of Ship Research, Vol.14, No.1, pp.67-76 [20] Yu Lu, Xin Chang and An-kang Hu (2016), A hydrodynamic optimization design methodology for a ship bulbous bow under multiple operating conditions, Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics, Vol.10, No.1, pp 330-345 [21] Andreas Watle (2017), Flexible Bulbous Bow Design - A Hydrodynamic Study, Master Thesis, Norwegian University of Science and Technology [22] Fuxin Huang, Hyunyul Kim and Chi Yang (2014), A New Method for Ship Bulbous Bow Generation and Modification, http://www.researchgate.net/ publication/264001795 [23] Grzegorz Filip, Dae-Hyun Kim, Sunil Sahu, Jan de Kat, Kevin Maki (2014), Bulbous Bow Retrofit of a Container Ship Using an Open-Source Computational Fluid Dynamics (CFD) Toolbox [24] Daniele Peri, Michele Rossetti, and Emilio F Campana (2001), Design Optimization of Ship Hull via CFD Techniques, Italian Ship Model Basin, Journal of Ship Research, Vol 45, No 2, June 2001, pp.140-149 [25] Chi Yang, Fuxin Hang and Lijue Wang (2016), A NURBS-Based Modification Technique for Bulbous Bow Generation and Hydrodynamic Optimization, George Mason University, Fairfax, Virginia, USA, 31st Symposium on Naval Hydrodynamics Monterey, California, 11-16 September 2016 [26] Pérez F., Suárez J.é A., Clemente Juan A and Souto Antonio (2007), Geometric Modelling of Bulbous Bows with the use of Non-Uniform Rational B-spline Surfaces, Journal of Marine Science and Technology, Vol.12, No.2, pp 83-94 [27] Weilin Luo and Linqiang Lan (2016), Design Optimization of the Lines of the Bulbous Bow of a Hull Based on Parametric Modeling and Computational Fluid Dynamics Calculation, Mathematical and Computational Applications, Vol.22, No.4 [28] Shahid M, Debo H (2012), Computational Fluid Dynamics Based Bulbous Bow Optimization Using a Genetic Algorithm, J Marine Sci Appl, Vol.11, No.3 [29] H.M Gutmann (2001), A radial basis function method for global optimization, Journal of Global Optimization, Vol.19, No.3, pp.201–227 [30] Jin-Won Yu, Young-Gill Lee (2017), Hull form design for the fore-body of medium-sized passenger ship with gooseneck bulb, International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering, Vol.9, pp 577-587 [31] Tran Dinh Tu, Jiahn-Horng Chen, Thai Gia Tran (2017), Resistance and Hull Form Optimization for Vietnamese fising vessels, 10th International Workshop on Ship and Marine Hydrodynamics Keelung, Taiwan, November 5-8, 2017 [32] Thai Gia Tran (2020), Computational Fluid Dynamics (CFD) - Theory and Application in Naval Architecture, M.I.T research project [33] E.Jacquin, Q.Derbanne, D.Bellevre, S.Cordier (2004), Hull form optimization using a free surface RANSE solver, 25th Symposium on Naval Hydrodynamics [34] F.R Menter (1994), Two-Equation Eddy-viscosity Turbulence Models for Engineering Applications, AIAA Journal, 32 (8), August 1994 [35] A Mohamad (2011), Lattice Boltzmann method, Springer-Verlag London [36] MATLAB R2012a (2012), The MathWorks Inc., Natick, Massachusetts [37] David M Holman1, Ruddy M Brionnaud1, and Zaki Abiza1 ( ), Solution to industry benchmark problems with the lattice-Boltzmann code XFlow, Next Limit Technologies, Angel Cavero 2, 28043, Madrid (Spain) [38] Chinh Van Huynh, Thai Gia Tran (2020), Improving the Accuracy of Ship Resistance Prediction using Computational Fluid Dynamics Tool, International Journal on Advanced Science Engineering Information Technology, Vol.10 (2020) No.1, pp 171-177 [39] Yigit Kemal Demirel and et all (2017), Predicting the effect of biofouling on ship resistance using CFD, Applied Ocean Research, Vol.62, pp 100-118 [40] Jeff W Hoyle, Bill H Cheng, Bruce Hays, Bruce Johnson, and Bruce Nehrling (1986), A Bulbous Bow Design Methodology for High-Speed Ships, SNAME Transactions, Vol 94: pp 31-56 [41] Lee, K.J and Sarath, E.S (2005), Optimized Design of Hull Form and Bulbous Bow for ULCS, Proceedings of The Fifteenth (2005), International Offshore and Polar Engineering Conference, Seoul, Korea [42] A.Mogilicharla et al (2015), Kriging Surrogate Based Multi-objective Optimization of Bulk Vinyl Acetate Polymerization with Banching, Materials and Manufacturing Processes, 30(4): pp.394-402 [43] J.P.C.Kleijnen (2009), Kriging metamodeling in simulation: A review, European Journal of Operational Research, Vol.192, No.3: pp.707-716 [44] Juliane Muller (2016), MISO: Mixed-Integer Surrogate Optimization Code Documentation, Center for Computational Science and Engineering Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA, 94720, USA [45] S.Sakata, F.Ashida, and M.Zako (2003), Structural optimization using Kriging approximation, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, Vol.192(7-8), pp.923-939 [46] Søren N Lophaven, Hans Bruun Nielsen, Jacob Søndergaard (2002), DACE – A MatLab Kriging Toolbox, Technical Report IMM – TR – 2002 – 12, Technical University of Danmark (DTU) [47] Yim, B (1974), A Simple Design Theory and Method for Bulbous Bows of Ships, Journal of Ship Research, Vol.18, No.3, pp.141-152 [48] Thai Tran Gia, Toan Le Van (2017), Numerical prediction of Vietnamese Fishing boats resistance using OpenFOAM, 10th Internatonal Workshop on Ship and Marine Hydrodynamics Tài liệu tiếng Việt [49] Trần Gia Thái (2016), Nghiên cứu thiết kế mẫu tàu cá vỏ thép phù hợp với nghề cá Việt Nam, Tạp chí Khoa học – công nghệ Thủy sản, số 1/2016 [50] Trần Gia Thái (2004), Nghiên cứu tự động hóa thiết kế đường hình đáp ứng nhu cầu đa dạng tàu nghề cá Việt Nam, Đề tài cấp Bộ, mã số B2004-3336 [51] Trần Công Nghị, 2009, Lý thuyết tàu, tập 2– Sức cản vỏ tàu thiết bị đẩy tàu, Đại học Giao thơng Vận tải Thành phố Hồ Chí Minh [52] Nguyễn Mạnh Hưng, Ngô Văn Hệ, Lê Quang, Ứng phương pháp điểm kì dị để tính tốn sức cản sóng tàu thủy, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Tạp chí Khoa học cơng nghệ Hàng hải, số 21 – 01/2010 [53] Lê Văn Toàn (2017), Ứng dụng lý thuyết CFD (Computational Fluid Dynamics) xác định sức cản tàu cá vỏ gỗ Việt Nam, Luận án Tiến sĩ, Trường ĐH Nha Trang [54] Trần Gia Thái (2013), Nghiên cứu ứng dụng phương pháp tính tốn động lực học lưu chất (CFD) mô số để thay số thực nghiệm ngành Kỹ thuật Giao thông, Đề tài NCKH cấp sở, Mã số: TR2013-13-01 Trường Đại học Nha Trang [55] Lê Văn Toàn, Trần Gia Thái (2017), Mơ trường dịng chảy nước bao quanh thân tàu lý thuyết CFD, Tạp chí khí Việt Nam [56] Đỗ Quang Khải (2009), Thiết kế hình dáng thân tàu phương pháp tham số, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải, số 17 – 4/2009 [57] Huỳnh Văn Chính, Trần Gia Thái (2018), Ứng dụng CFD ước tính sức cản tàu cá vỏ thép, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số 12/2018 [58] Huỳnh Văn Chính, Trần Gia Thái (2018), Nghiên cứu cơng thức ước tính sức cản mẫu tàu cá vỏ thép phù hợp nghề cá Việt Nam, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số 9/2018 [59] Huỳnh Văn Chính, Trần Gia Thái (2018), Nghiên cứu phương pháp thiết kế tối ưu mũi lê cho mẫu tàu cá vỏ thép, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, 9/2018 ... Tích hợp hình dạng lê vào đường hình tàu tính tốn 81 3.3 MƠ HÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU HĨA MŨI QUẢ LÊ TÀU CÁ 86 3.3.1 Mơ hình tốn tối ưu hóa tổng qt 86 3.3.2 Mơ hình tốn tối ưu hóa mũi lê tàu cá... kết phép tính động lực học dịng lưu chất CFD Hình 1.15 mặt bao mũi tàu lê tàu trước sau tối ưu hóa [28] (a) Đường hình tàu sau tối ưu hóa (b) Đường hình tàu ban đầu Hình 1.15 Đường hình tàu nghiên... ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH HUỲNH VĂN CHÍNH ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC LƯU CHẤT (CFD) TRONG TỐI ƯU HĨA HÌNH DẠNG MŨI TÀU QUẢ LÊ LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH:
- Xem thêm -

Xem thêm: Ứng dụng phương pháp tính toán động lực học lưu chất (CFD) trong tối ưu hóa hình dạng mũi tàu quả lê,

Từ khóa liên quan