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 TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH ỨNG DỤNG PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC LƢU CHẤT (CFD) TRONG TỐI ƢU HĨA HÌNH DẠNG MŨI TÀU QUẢ LÊ LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP HỒ CHÍ MINH – 2022 BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH ỨNG DỤNG PHƢƠNG PHÁP TÍNH TỐN ĐỘNG LỰC HỌC LƢU CHẤT (CFD) TRONG TỐI ƢU HÓA HÌNH DẠNG MŨI TÀU QUẢ LÊ LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC MÃ SỐ: 9520116 Ngƣời hƣớng dẫn: TP HỒ CHÍ MINH – 2022 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan tất kết nghiên cứu đề tài luận án: “ Ứng dụng phương pháp tính tốn động lực học lưu chất (CFD) tối ưu hóa hình dạng mũi tàu lê” cơng trình nghiên cứu cá nhân tơi dƣới hƣớng dẫn khoa học PGS TS chƣa cơng bố cơng trình khoa học khác thời điểm Tp Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng năm 2022 Nghiên cứu sinh ii LỜI CÁM ƠN Trong suốt trình thực luận án, thân nhận đƣợc giúp đỡ tận tình Phịng, Ban Trƣờng Đại học Giao thơng vận tải Thành phố Hồ Chí Minh Đặc biệt hƣớng dẫn tận tâm PGS TS 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 Cơ Viện Cơ Khí, Viện Đào tạo Sau Đại học Trƣờng Đại học Giao thông 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 Trƣờng Tôi xin chân thành cảm ơn! Tp Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng năm 2022 Tác giả iii TÓM TẮT Sử dụng mũi lê không 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 đƣợc 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 tƣơng tác phức tạp hệ thống sóng thân tàu lê Trong trƣờng hợp thuận lợi, dạng mũi lê tối ƣu tạo hệ thống sóng giao thoa tích cực với hệ thống sóng tàu làm giảm đến (10 -15)% sức cản tổng tàu, nhƣng 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 trƣớc thƣờng thử mơ hình loạt hình dạng thân tàu lê, dựa sở để tìm hình dạng lê phù hợp, tƣơng ứng sức cản tàu nhỏ nhất, nhƣng thử nghiệm nhƣ thƣờng nhiều thời gian, cơng sức, chi phí tốn M ột nghiên cứu thực nghiệm toàn diện tiếng đƣ ợc 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 phƣơng pháp có nhƣợc điểm cần đƣợc bổ sung, hoàn thiện Các nghiên cứu gần thƣờng tối ƣu hóa lê cho tàu có sẵn dạng mũi này, cách thay đổi kích thƣớc sử dụng phƣơng pháp tính đại CFD (Computational Fluid Dynamics) để ƣớc tính giá trị hàm đơn mục tiêu vế sức cản tàu Từ phân tích đây, với chủ trƣơng đại hóa đội tàu cá nhà nƣớc 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 chƣa có sẵn dạng mũi ứng dụng CFD xác định hình dạng lê tối ƣu 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 hƣớng nghiên cứu liệu khoa học cần thiết để giải mục tiêu nội dung nghiên cứu luận án, với kết đạt đƣợc nhƣ sau: iv (1) Ƣớc tính sức cản tàu tính tốn với độ xác mong đợi CFD Các nghiên cứu tính sức cản để tối ƣu hóa lê thƣờng thực cho mơ hình tàu có sẵn khơng có giải pháp đảm bảo độ xác kết tính CFD Nghiên cứu đƣợc 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 thƣớc miền tính tốn hệ số mơ hình rối  Bổ sung, hồn thiện phƣơng pháp thiết kế mũi lê đồ thị Kracht Phƣơng pháp thiết kế lê hiệu sử dụng đồ thị Kracht, nhiên phƣơng pháp áp dụng cho tàu có hệ số béo phạm vi (0 56 - 82), kích thƣớc lê gần tối ƣu, không đề cập việc nối lê thiết kế vào phần thân tàu Kết nghiên cứu bổ sung, hồn thiện phƣơng pháp tính lê đồ thị Kracht cách xây dựng đƣờng cong nội suy ngoại suy để tính lê tàu FAO 75 có hệ số béo CB = 524 nằm ngồi phạm vi áp dụng (0 56-0 82) đồ thị này, với lê ban đầu có chiều dài LPRo= 50 m, chiều rộng BBo= 70 m, chiều cao ZBo = m, sau sử dụng AutoShip xây dựng đƣờng 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 mô hình tốn phƣơng pháp tối ƣu hóa mũi lê tàu cá Các nghiên cứu tối ƣu lê thƣờng dựa hàm đơn mục tiêu sức cản không phù hợp với tàu cá không đƣa ràng buộc sở thay đổi kích thƣớc lê, dẫn đến phƣơng án tính lê khơng đầy đủ khơng cần thiết Kết nghiên cứu xây dựng đƣợc mơ hình phƣơng pháp tối ƣu 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 thƣớc để xây dựng ma trận phƣơng án tính lê phù hợp giải toán tối ƣu dựa kết hợp CFD mơ hình thay thê Kết tính đƣợc lê tối ƣu tàu FAO 75 có chiều dài LPRop = 65 m, chiều rộng BBop = 91 m, chiều cao ZBop = 10 m dựa việc thay đổi đồng thời chiều dài chiều rộng lê ban đầu với gia sốLPR = 11 m,BB = 21 m, độ giảm sức cản tổng tàu khoảng 14% Từ khóa: mũi lê, FAO 75, tối ưu, CFD, đồ thi Kracht, tàu cá v 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 vi (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 - 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 524 outside range of (0 56 - 82), with length LPRo = 50 m, breadth BBo = 70 m, and height ZBo = 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 = 65 m, breadth BBop = 91 m, height ZBop = 10 m based on a change of 11 m in length and 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 vii 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 TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3 PHƢƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 4 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN Chƣơng ĐẶT VẤN ĐỀ 1 TỔNG QUAN CÁC CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN 1 Các cơng trình nghiên cứu truyền thống 1 Các cơng trình nghiên cứu đại 11 PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN HƢỚNG NGHIÊN CỨU 26 Phân tích hƣớng nghiên cứu liên quan 26 2 Phân tích lựa chọn hƣớng nghiên cứu 30 Kết luận chƣơng 30 viii Chƣơng TÍNH SỨC CẢN TÀU BẰNG CFD 31 CFD VÀ ỨNG DỤNG TRONG TÍNH SỨC CẢN TÀU 31 1 Khái quát lý thuyết CFD 31 2 Ứng dụng CFD tính sức cản tàu 37 2 ỨNG DỤNG CFD TÍNH SỨC CẢN CỦA TÀU TÍNH TỐN 41 2 Phân tích, lựa chọn mẫu tàu tính tốn 43 2 Xây dựng mô hình 3D tính sơ sức cản tàu tính tốn 50 2 Xác định thơng số mơ phù hợp với tàu tính tốn 54 2 Tính sức cản tàu tính tốn 63 PHÂN TÍCH KẾT QUẢ TÍNH TỐN 64 Kết luận chƣơng 67 Chƣơng THIẾT KẾ TỐI ƢU MŨI QUẢ LÊ TÀU CÁ 68 ĐẶC ĐIỂM HÌNH HỌC CỦA MŨI QUẢ LÊ 68 1 Phân loại mũi lê 68 Các thơng số hình học mũi lê 70 3 Ảnh hƣởng thơng số hình học đến hiệu làm việc lê 72 TÍNH TỐN, THIẾT KẾ MŨI QUẢ LÊ BẰNG ĐỒ THỊ KRACHT 73 Xác định hệ số hình học lê cho tàu tính toán 75 2 Xây dựng đƣờng hình dáng lê tính tốn 78 3 Tích hợp hình dạng lê vào đƣờng hình tàu tính tốn 81 3 MƠ HÌNH VÀ PHƢƠNG PHÁP TỐI ƢU HÓA MŨI QUẢ LÊ TÀU CÁ 86 3 Mơ hình tốn tối ƣu hóa tổng qt 86 3 Mơ hình tốn tối ƣu hóa mũi lê tàu cá 88 3 Phƣơng pháp giải tốn tối ƣu hóa mũi lê 95 ... trƣơng đại hóa đội tàu cá nhà nƣớc 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... hình học lê cho tàu tính tốn 75 2 Xây dựng đƣờng hình dáng lê tính tốn 78 3 Tích hợp hình dạng lê vào đƣờng hình tàu tính tốn 81 3 MƠ HÌNH VÀ PHƢƠNG PHÁP TỐI ƢU HÓA MŨI QUẢ LÊ TÀU CÁ 86... 3 Mơ hình tốn tối ƣu hóa tổng quát 86 3 Mơ hình tốn tối ƣu hóa mũi lê tàu cá 88 3 Phƣơng pháp giải toán tối ƣu hóa mũi lê 95 ix ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHO TÀU TÍNH TỐN