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+

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 %