Xử lý tín hiệu lực đẩy từ kết quả mô phỏng số cho vỏ tàu - chân vịt tàu biển khi sử dụng phần mềm STAR-CCM+

Mô phỏng số cho vỏ tàu - chân vịt tàu biển khi sử dụng phần mềm STAR-CCM+ đưa ra tín hiệu lực đẩy theo thời gian thực với bước thời gian thay đổi. Tín hiệu lực đẩy được xử lý FFT để thu được giá trị trung bình và các biên độ điều hòa nhằm xác định nguồn kích thích gây dao động dọc trục từ chân vịt.

TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA H C - CÔNG NGH JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY X LÝ TệN HI U L C Y T K T QU MÔ PH NG S CHO V TÀU CHỂN V T TÀU BI N KHI S D NG PH N M M STAR-CCM+ PROCESSING THRUST OF NUMERIC SIMULATION RESULTS FOR MARINE VESSEL HULL-PROPELLER USING STAR-CCM+ SOFTWARE PH M V N NG C*, CL U Vi n Nghiên c u Khoa h c & Công ngh Hàng h i, Tr ng i h c Hàng h i Vi t Nam *Email liên h : ngocpv@vimaru.edu.vn Tóm t t Mô ph ng s cho v tàu - chân v t tàu bi n s d ng ph n m m STAR-CCM+ đ a tín hi u l c đ y theo th i gian th c v i b c th i gian thay đ i Tín hi u l c đ y đ c x lý FFT đ thu đ c giá tr trung bình biên đ u hòa nh m xác đ nh ngu n kích thích gây dao đ ng d c tr c t chân v t Tín hi u mơ ph ng đ c x lý: (a)-Trích t o m t s chu k tín hi u h i t ; (b)-trích m u l i theo b c trích m u dt nh nh t; (c)-xác đ nh véc t tín hi u trung bình t m t s véc t tín hi u h i t chu k b c th i gian; (d)-trích m u l i theo s l ng m u NFFT=2k cho dãy tín hi u trung bình thu đ c; (e)-bi n đ i FFT cho dãy tín hi u có l ng m u NFFT Tàu Fortuner Navigator (VOSCO) đ c s d ng nghiên c u l c đ y chân v t sinh Ph n m m x lý tín hi u đ c l p trình LabView T khóa: L c đ y tàu, trích m u l i, FFT Abstract The marine vessel thrust forces receiving from the hull-propeller numeric simulation by the STARCMM+software present digital arrays in real time with the variable time step The thrust force signals were processed: (a)-Selecting an array from the simulated array with the good conregence; (b)-resampling with the fix minimal step dt for the selected array; (c)-calculating the average cycle vector from the made cycle vectors of the thrust force from the resampling arrays in the b-task;(d)-resampling with NFFT=2k samples of the received vector in the c-task; (e)-making FFT for the resamled array The MV Fortuner Navigator (VOSCO) was verified for studying the propeller’s thrust The software for data processing was coded in LabView Keywords: Thrust force, resampling, FFT tv nđ L c đ y (thrust force) thông s quan tr ng c a v tàu - chân v t (VT-CV) c n đ c tính tốn s d ng thi t k đóng m i tàu, khai thác k thu t h đ ng l c Trong tốn tính s c c n (bài tốn t nh) c ng nh xây d ng đ c tính c a VT-CV, l c đ y S 70 (04-2022) đ c xem không đ i theo th i gian chu k công tác c a chân v t, cịn s d ng tốn đ ng l c h c c a h tr c (dao đ ng d c) ngo i l c c ng b c, thay đ i tu n hoàn theo th i gian L c c ng b c dao đ ng d c tr c có v trí quan tr ng nghiên c u t i tr ng đ ng tác đ ng t i g i đ ch n đ c xét đ n t phía đ ng c t chân v t ti c ch a có nhi u k t qu cơng b v ngu n kích thích dao đ ng d c nêu trên, nên vi c ng d ng chúng vào nghiên c u dao đ ng d c h tr c nhi u h n ch ng ki m Hoa K (ABS) [1] đ a k t qu thành ph n t ng đ i Ttd theo l c đ y trung bình T0: Ttd = T/ T0 nghiên c u cho 20 tr ng h p tàu th c khơng ch c th u ki n biên ph ng pháp nghiên c u đ c s d ng Ph n m m th ng m i, chuyên d ng STAR-CCM+ đ c s d ng vào nghiên c u s t ng tác th y đ ng h c gi a VT-CV ây ph n m m mô ph ng đ c phát tri n b i SIEMENS, đ c xem b th o cho phép tri n khai mô ph ng s t ng tác c a v tàu n c - chân v t v tàu - khơng khí u ki n khai thác khác đ m b o cho k t qu tính đ c xác kích th c c a mi n khơng gian tính tốn bao quanh thân tàu đ c l a ch n theo h ng d n chi ti t c a hưng [3], [4] ph ng pháp tính th y đ ng h c (CFD) th ng dùng RANSE (Reynolds Averaged Navier-Stokes Equations) đ đ m b o k t qu thu đ c theo th i gian th c [2], [4] M c tiêu đ t xác đ nh l c đ y: T=T0 + T1.sin(Zpt) + T2.sin(2Zpt)+… đó:  - T c đ góc (rad/s) c a chân v t; h s T0, T1… c n đ c tính b ng vi c xây d ng thêm (m i) thu t tốn ph n m m x lý tín hi u s phù h p v i c s d li u thu đ c t k t qu mô ph ng s cho h VT-CV s d ng ph n m m chuyên d ng STAR-CCM+ Ph ng pháp nghiên c u 2.1 X lý tín hi u l c đ y t mô ph ng s dùng STAR-CCM+ cho h VT-CV u t trình mô ph ng c h VT-CV dùng 59 TẠP CHÍ KHOA H C - CƠNG NGH ph n m m STAR-CCM+ dưy tín hi u s theo th i gian th c cho đ i l ng đ c nghiên c u: L c đ y, mô men đ t đ c k t qu n đ nh, th i gian mô ph ng th ng r t dài (kho ng 10-15 ngày/1 ch đ mô ph ng), chúng tơi đư dùng máy tính chun d ng có t c đ cao v i s l ng m chia r t l n (th ng hàng tri u ph n t h u h n) Trong q trình tính, b c th i gian ban đ u đ c thi t l p l n dt = 0,2s÷0,3 (s), sau đ c thi t l p nh d n (cho trình đ ), cu i thi t l p b c th i gian đ nh đ đ m b o đ xác c a phép tính chu k đ t s h i t , n đ nh B c tính cho chu k n đ nh cu i đ c cài đ t th ng nh nh t (dt =0,001s) D li u cu i dùng cho nghiên c u ph i tín hi u n đ nh, h i t Ví d , Hình bi u di n mô ment M(t) l c đ y ThR(t) thu đ c t mô ph ng STAR-CCM+ cho h VT-CV c a MV Fortune Navigator (FN, VOSCO) thí nghi m s 5, v i d li u đ u vào đ a B ng phía d i Hình Mơ men M l c đ y T t mô ph ng ph n m m STAR-CCM+ Trên Hình ta th y t i th i m: t=126s k t qu hi n th c a l c đ y ThR(t) v n th i k đ , ch a đ c n đ nh L c đ y m t chu k công tác c a chân v t v i s cánh Zp, v i tr ng h p MV FN: Zp=4 th ng có c c đ i c c ti u Do đó, tín hi u thơ t mơ ph ng c n ch n đo n đư n đ nh, ví d t th i gian 128÷130 (s) Sau ch n đ c d i tín hi u có th xem n đ nh, c n trích l i m u v i b c th i gian dt (vì th c t nhi u tr ng h p b c th i gian trích m u khác ph n m m STAR-CCM+ t đ ng l a ch n đ có đ c k t qu n đ nh nh t) x lý tín hi u s (r i r c) t th i gian th c sang mi n t n s Fourie, dưy tín hi u s ph i đ c trích NFFT m u theo b c th i gian khơng đ i, cịn dùng phép bi n FFT s m u đ c trích th ng b i s c a (NFFT = 2k, ví d k = 9) Gi s b 60 c th i gian dt (m) = q.dtmin, q =1, 2…, ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY dtmin=0,001s b c nh nh t đ c dùng cho đo n cu i tín hi u đư n đ nh T i hai th i m trích m u m (m+1) giá tr l c đ y đ c ký hi u T(m) T(m+1) Thay đ i l c đ y dT =T(m+1)-T(m) đ c chia đ u thành q đo n theo quy lu t n tính: T(m + i) = T(m) + i.dT1 (m);d T1 (m) = d T / q; dT(m) = T(m + 1) − T(m);i = q (1) Sau b c x lý cho ta k t qu dưy tín hi u u hòa n đ nh ch a m t s chu k c a l c đ y T(t), v i b c th i gian dt =0,001s Khi mô ph ng cho v n t c quay c a tr c chân v t np (v/ph), m t vịng quay s đ c trích N1c m u tính theo cơng th c (2), m t đo n có Ns =Nc N1c m u, v i Nc - S chu k đ c trích m u Nc =3 ho c Nc =4 N1c [60000 / n p ](samples); Ns Nc N1c (2) Trong đó: [ ] -Ph n nguyên c a s đ c làm trịn M t chu k d li u có s m u N1c tính theo cơng th c (2) th ng khác NFFT =2k Phép bi n đ i Fourie nhanh (FFT) nh m thu đ c biên đ pha c a thành ph n u hòa c a tín hi u l c đ y đ c tính theo m t hai cách t ch c sau: (a) Nc < NFFT g n b ng 2k, thêm vào dưy s ban đ u Nc v i s h ng m i đ u có giá tr b ng đ đ t dưy s m i có 2k m u N u Nc l n h n không nhi u 2k, l ng s h ng b sung (giá tr 0) đ có dưy m i 2(k+1) r t l n; (b) trích m u l i theo ph ng pháp g n “spline” s d ng mơ đun có s n LabView đ xây d ng ph n m m x lý tín hi u Trong báo s d ng ph ng pháp (b), áp d ng cho dưy tín hi u ban đ u có s m u b t k so v i s m u đích NFFT=2k dùng đ tính FFT sau Véc t giá tr l c đ y trung bình cho m t chu k t Nc chu k đư đ c trích m u l i v i s m u N RS =2 k, ví d NRS =512 m u: XT (i) = Nc (3) 512 T i =1 RS (i); X lý tín hi u trung bình đư l c nhi u mi n t n s b ng FFT, đ c l p trình code (trong LabView/ MatLab) v i câu l nh FFT(XT) r t thu n ti n nhanh chóng, k t qu đ c th hi n công th c (4) (5) FFT(XT) => {Tm, AT1, AT2, ; PhT1, PhT2, } (4) Hay: Mp T(t) =Tm +  ATk sin(k t + k =1 T(t) =Tm + AT1 sin(t + ) + TZp sin(Z p t + + AT2.Zp sin(2 Z p t + 2Zp ) S k ) Zp )+ (5.1) (5.2) 70 (04-2022) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Trong đó:  Zp - V n t c góc, s cánh c a chân v t; Tm- Giá tr trung bình c a l c đ y; AT,  - Biên đ pha c a u hịa Trong (5.1) bi u di n tín hi u theo t t c u hòa t đ n Mp (s u hòa đ c nghiên c u), (5.2) - Theo u hịa có ý ngh a th c t nghiên c u: k=1, Zp, 2Zp … Thu t gi i q trình x lý tín hi u s v i đ u vào dưy s l c đ y T=[T(1) T(N)] (k t qu t mô ph ng STAR-CCM+) đ thu đ c đ c tính tín hi u mi n t n s (qua FFT) nh đư nêu B c Nh p (đ c) d li u đ u vào t file đư l u tr k t qu mô ph ng l c đ y b ng STAR-CCM+ B c Ch n đo n d li u n đ nh t d li u đ u vào v i đ dài cho ch a nh t Nc=3 chu k (vòng quay) làm vi c c a chân v t Trích m u l i đo n d li u n đ nh v i b c th i gian dt =0,001s theo công th c (1) B c Xác đ nh s m u m t chu k N1c t ng s m u Ns s trích cho Nc chu k (theo cơng th c (2)) Xác đ nh véc t l c đ y trung bình c a chân v t theo chu k th i gian th c B c Trích m u l i tín hi u l c đ y trung bình T t s m u N1c sang s m u chu n NFFT =2k X lý FFT cho tín hi u l c đ y đư đ c trích m u l i NFFT v i chu k quay c a chân v t L u l i k t qu x lý c a tín hi u l c đ y mi n t n s c m l p trình code xây d ng mơ-đun (VI) x lý tín hi u LabView L p trình LabView có u m: Tri n khai d tr c quan s d ng th vi n đ h a đ c xây d ng LabView, s d ng tích h p l nh t ng t vi t m.file c a MatLab đ tích h p MathScript LabView Xây d ng mơ-đun giao di n (Front Panel, FP) c ng nh giao di n l p trình (Block Diagram, BD) Trên FP thi t k bi u t ng (Icon) đ u n trình mô ph ng hi n th k t qu Trong BD thi t l p toàn b code đ th c hi n thu t toán x lý v i d li u đ u vào có th t FP ho c nh p b ng code BD (nh p d li u đ c gán t ng i l p trình; đ c d li u đ u vào t files đư l u tr ; đ c d li u tr c ti p đo đ c, thu th p đ c) K t qu x lý BD có th đ c hi n th FP, c ng nh l u l i files d li u theo code đ c l p (đ nh d ng v i d ng d li u t ng ng *.tdms, *.lvm, *.tdm) Trong tốn x lý tín hi u l c đ y đ c mơ ph ng b ng CCM+, tín hi u vào l n cho m t ch đ (kho ng 5000 m u) l u l i đ nh d ng *.csv Vi c đ c d li u th c hi n b ng m t ch ng S 70 (04-2022) KHOA H C - CƠNG NGH trình (subVI) code LabView V i đ nh d ng thông th ng (*.lvm, *.tdm, *.tdms) có th code b ng subVI đ c xây d ng Express (Input→Read From File) ho c programming → File I/O (Read Meas File) Tuy nhiên, CCM+ l u l i d li u d i d ng *.csv, không th đ c d li u đư l u l i b ng ph ng pháp trên, mà ta ph i can thi p vào l p trình code b c cao Các tác gi đư code đ t o m t subVI đ c *.csv t đ ng d n (trong BD): programming → File I/O→ Read Delimited Spread Sheet.vi Code BD đ c tác gi s d ng MathScript đ vi t câu l nh (t ng t m.file) th ng x lý tín hi u d i d ng véc t ma tr n, v y câu l nh ng n d vi t, d ki m tra phát hi n l i K t qu x lý đ c hi n th theo đ c m c a d li u: S , text, ma tr n có th hi n th giá tr t ng ng, đ c bi t d i d ng r t tr c quan b ng đ th u m đ c bi t l u tr d li u Excel d i d ng b ng tính v i đ nh d ng *.tdms đ c tác gi s d ng nhi m v t ng ng M t s k t qu đ c th hi n Hình Hình Trong MathScripts s d ng m t s câu l nh: - Xác đ nh s m u cho m t chu k (2): N1c =round(6E4/n); - Trích m u l i cho dưy tín hi u T chu k có N1c m u, đ đ c dưy tín hi u hai có NFFT = 512 m u, ta t o hai dưy bi n s x1 x2 theo câu l nh: dx1=1/N1c;dx2=1/512; x1=1:N1c; x1=x1*dx1;x2=1:512;x2=x2*dx2; T2=interpolate1d(x1,T,x2,'spline'); - Bi n đ i FFT cho véc t T2 đư trích m u l i, thu đ c giá tr biên đ (R) pha (ph) c a u hòa s ph c (z) b ng l nh t ng ng: R=abs(z); ph=angle(z) 2.2 X lý tín hi u l c đ y chân v t MV FN MV.FN tàu container c a VOSCO đ c l a ch n đ i t ng nghiên c u c a báo Tàu MV FN đ c trang b 01 đ ng c ký hi u 8L35MC hưng MAN B&W ch t o, lai tr c ti p 01 h tr c chân v t Máy có cơng su t 4.647kW (liên t c l n nh t, maximal continous Output, M.C.O), t i vòng quay đ nh m c 210v/ph Chân v t có cánh (Zp =4) [5] M t s thông s k thu t c a h đ ng l c c a MV.FN t i ch đ th tàu đ ng dài đ c th hi n t i B ng d i [5] 61 TẠP CHÍ KHOA H C - CÔNG NGH B ng K t qu th đ T i ME Load Index % 50 75 90 JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY theo thu t tốn t ng t nh tính l c đ y trung bình cho m t chu k n đ nh ng dài MV FN hl/h 13,33 Vòng quay ME (CV) v/ph 167,2 15,22 16,02 191,1 203,3 T cđ tàu ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI Cơng su t ME, CV kW 2.491 3.478 4.196 100 16,39 209,8 4.681 Ngày th : 27 tháng n m 1998 t i Nh t B n i u ki n th tàu i u ki n tàu: M n n c (m): M i 3.538 Lái:5.349 TB: 4.444 i u ki n bi n: Sóng yên, bi n l ng Nghiên c u s li u khai thác th c t h đ ng l c c a MV.FN giai đo n 2014-2020, tác gi nh n th y: Hi n tàu th ng ho t đ ng v i vòng quay đ ng c (c ng b ng v n t c chân v t) kho ng 173,5v/ph, hay: nt% = 82,5 (M.C.R), t i LI%=56,4 tàu có t i hàng (Load Cargo Index) đ y: LCI%=100, t ng ng v i m n n c trung bình kho ng Dm=7,0÷8,0 (m) Ch đ tàu ch y khơng hàng (ballast) ho c hàng t i m n n c trung bình Dm=4,0÷5,7 (m) Hình L c đ y đ ng th i gian th c trích m u theo vịng quay 173,2v/p (345 m u) 512 m u B ng M t s thông s đ u vào cho mô ph ng STAR-CCM+ ch đ n=173,2v/ph No Dmui(m) 7,16 Dlai(m) 8,00 Dm(m) 7,58 V(hl/h) 11,4 n(v/p) 173,20 7,52 7,60 8,52 7,95 8,02 7,78 10,8 11,4 173,20 173,20 6,48 7,45 7,10 7,75 6,79 7,60 11,2 11,5 173,20 173,20 Trên c s đó, chúng tơi đư mơ ph ng b ng ph n m m STAR-CCM+ t i 44 ch đ khác nhau, v i m n n c trung bình Dm t ballast đ n tồn t i hàng (LCI =100%) Trong báo này, tác gi xin trình bày v m t s th nghi m s theo ch đ th đ ng dài b sung thêm ch đ khác t i n=173,2v/ph Hình gi i thi u k t qu : Trích m u l i tín hi u l c đ y theo s m u N1c cho m t chu k (vịng quay) chân v t trích m u theo NFFT =512 Hình - K t qu c a bi n đ i FFT cho tín hi u T(t) mi n t n s , thí nghi m (B ng 2) T i B ng ch k t qu tính CFD v i m n n c (m) [Dmui Dlai Dtb] = [3,35 3,54 4,44] sai l ch %