Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu ảnh hưởng động lực học dòng chảy bao đến lực cản tàu thuỷ trong quá trình thay đổi hướng chuyển động

MỤC LỤC MỤC LỤC i LỜI CAM ĐOAN v LỜI CÁM ƠN vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU vii DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ix DANH MỤC CÁC BẢNG xvi MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết luận án .1 Mục tiêu nghiên cứu luận án Đối tượng phạm vi nghiên cứu luận án Phương pháp nghiên cứu luận án Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Những điểm đóng góp luận án Bố cục luận án CHƯƠNG TỔNG QUAN ẢNH HƯỞNG ĐỘNG LỰC HỌC DÒNG CHẢY BAO ĐẾN TÀU THỦY 1.1 Tổng quan vấn đề nghiên cứu luận án 1.1.1 Phân tích tình hình nghiên cứu giới 1.1.2 Phân tích tình hình nghiên cứu nước 10 1.2 Tổng quan động lực học dòng chảy bao tàu thủy CFD 11 1.2.1 Một số khái niệm động lực học dòng chảy bao tàu thủy 11 1.2.2 Khái niệm CFD 17 1.3 Một số khái niệm liên quan đến chuyển động tàu thủy 21 1.4 Cơ sở lý thuyết ổn định tàu thủy 24 1.5 Giới hạn vấn đề nghiên cứu luận án 30 i 1.7 Kết luận chương 31 CHƯƠNG ỨNG DỤNG CFD TÍNH TỐN MƠ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC DỊNG CHẢY BAO QUANH TÀU THỦY 32 2.1 Xây dựng mơ hình nghiên cứu sở tốn học 32 2.1.1 Xây dựng mơ hình nghiên cứu 32 2.1.2 Cơ sở toán học 34 2.2 Tính tốn mơ động lực học dòng chảy bao quanh tàu thủy 37 2.2.1 Giới hạn điều kiện biên 37 2.2.2 Một số cửa sổ tính tốn Fluent-Ansys 38 2.3 Phân tích kết tính tốn mơ 44 2.3.1 Trường hợp tàu thẳng 45 2.3.2 Trường hợp tàu thay đổi hướng chuyển động 46 2.3.2.1 Kết tính tốn mơ cho tốn 2D 46 2.3.2.2 Kết tính tốn mơ cho toán 3D 52 2.4 Kết luận chương 60 CHƯƠNG ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG ĐỘNG LỰC HỌC DÒNG CHẢY BAO ĐẾN LỰC CẢN TÀU THỦY KHI THAY ĐỔI HƯỚNG CHUYỂN ĐỘNG 61 3.1 Xây dựng mơ hình tốn quy trình tính tốn mơ 61 3.1.1 Xây dựng mơ hình toán nghiên cứu 61 3.1.2 Xây dựng quy trình tính tốn mơ 63 3.2 Kết tính tốn mơ trường hợp 65 3.2.1 Điều kiện đầu vào 65 ii 3.2.2 Kết tính tốn mơ cho trường hợp hướng chuyển động thẳng, thay đổi hướng chuyển động vận tốc tàu 67 3.2.2.1 Trường hợp tàu chuyển động thẳng 67 3.2.2.2 Trường hợp thay đổi hướng chuyển động tàu θ = 0100 70 3.2.2.3 Trường hợp thay đổi hướng chuyển động θ = 0200 θ = 0300 72 3.3 Tổng hợp, phân tích đánh giá kết tính tốn mô 73 3.3.1 Đối với giá trị lực cản 73 3.3.2 Đối với giá trị lực ly tâm 77 3.3.3 Đối với giá trị mô men gia thêm 78 3.4 Kết luận chương 79 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM: PHÂN TÍCH, SO SÁNH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 82 4.1 Một số mơ hình bể thử tàu 82 4.2 Thiết kế chế tạo mơ hình tàu nghiên cứu thực nghiệm 89 4.2.1 Mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm 89 4.2.2 Thiết kế chế tạo số thiết bị 89 4.3 Quy trình phương án nghiên cứu thực nghiệm bể thử mô hình tàu Trường Đại học Hàng hải Việt Nam 91 4.3.1 Quy trình vận hành bể thử mơ hình tàu 91 4.3.2 Giới hạn phương án nghiên cứu thực nghiệm 92 4.4 Kết nghiên cứu thực nghiệm bể thử mơ hình tàu 96 4.4.1 Dữ liệu liên quan bể thử mơ hình tàu 96 4.4.2 Phân tích đánh giá kết nghiên cứu thực nghiệm 96 iii 4.5 Tổng hợp, so sánh đánh giá kết tính tốn mơ kết nghiên cứu thực nghiệm 100 4.6 Kết luận chương 104 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 105 KẾT LUẬN 105 KIẾN NGHỊ 107 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO 110 PHẦN PHỤ LỤC (Gồm 03 phụ lục) 115 PHỤ LỤC 1: HỒ SƠ LIÊN QUAN M/V TAN CANG FOUNDATION PHỤ LỤC 2: KẾT QUẢ TÍNH TỐN MƠ PHỎNG BẰNG NAPA PHỤ LỤC 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ CHỨNG NHẬN KẾT QUẢ TẠI BỂ THỬ MƠ HÌNH TÀU CỦA TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM iv LỜI CAM ĐOAN Tên Nguyễn Thành Nhật Lai - Nghiên cứu sinh chuyên ngành: Khoa học hàng hải tác giả luận án tiến sĩ: “Nghiên cứu ảnh hưởng động lực học dòng chảy bao đến lực cản tàu thủy trình thay đổi hướng chuyển động”, hướng dẫn tập thể người hướng dẫn khoa học: Thầy PGS TS Phạm Kỳ Quang thầy TS Vũ Văn Duy Bằng danh dự thân, nghiên cứu sinh xin cam đoan rằng: - Luận án cơng trình nghiên cứu riêng nghiên cứu sinh, khơng có phần nội dung chép cách bất hợp pháp, từ cơng trình nghiên cứu tác giả hay nhóm tác giả khác; - Các số liệu, kết nghiên cứu nêu luận án, chưa cơng bố cơng trình nghiên cứu khác trước đó; - Các thơng tin, số liệu trích dẫn, tài liệu tham khảo luận án rõ xuất xứ, nguồn gốc đảm bảo tính trung thực./ Tp Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng 02 năm 2020 Nghiên cứu sinh Nguyễn Thành Nhật Lai v LỜI CẢM ƠN Với nỗ lực không ngừng thân trình học tập, nghiên cứu, tìm tịi tài liệu, vận dụng kiến thức học Nhà trường thực tiễn công tác Được giúp đỡ tận tình, chu đáo thầy hướng dẫn khoa học, nhà khoa học, thầy cô giáo, đồng nghiệp gia đình, đến luận án tiến sĩ nghiên cứu sinh hồn thành Có kết này, trước tiên, nghiên cứu sinh xin trân trọng bày tỏ tri ân đến thầy PGS TS Phạm Kỳ Quang, thầy TS Vũ Văn Duy, hướng dẫn tận tình, chu đáo suốt trình học tập, nghiên cứu thực luận án tiến sĩ Trường Đại học Giao thông vận tải TP Hồ Chí Minh Nghiên cứu sinh trân trọng cám ơn, động viên tạo điều kiện thuận lợi Trường Đại học Giao thông vận tải TP Hồ Chí Minh, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, Lãnh đạo Ban/Ngành, Viện nghiên cứu, đơn vị, công ty vận tải thủy, cảng vụ Hàng hải,… trình học tập nghiên cứu Nhà trường Nghiên cứu sinh trân trọng cám ơn cầu thị tiếp thu ý kiến đóng góp nhận xét từ nhà khoa học, chuyên gia, giảng viên, cán cơng nhân viên ngồi Nhà trường Nghiên cứu sinh chân thành cảm ơn cán bộ, chuyên viên Viện Đào tạo sau đại học, Khoa Hàng hải, Phòng, Ban chức Nhà trường, tạo điều kiện thuận lợi, động viên, giúp đỡ trình học tập, thực hồn thành luận án tiến sĩ Nhà trường Nghiên cứu sinh bày tỏ lịng biết ơn đến gia đình, người thân, bạn bè đồng nghiệp, giúp đỡ, động viên tạo điều kiện tốt nhất, suốt thời gian làm nghiên cứu sinh Rất mong tiếp tục nhận đóng góp ý kiến cho luận án, từ nhà khoa học, thầy cô giáo, cán bộ, giảng viên đồng nghiệp Nghiên cứu sinh: Nguyễn Thành Nhật Lai vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Chữ viết tắt Giải thích ý nghĩa CFD Tính tốn động lực học dòng chảy E Năng lượng Flt Lực ly tâm, (N) Fr, Fn Số Froude g Gia tốc trường, (m/s2) ITTC-57 Tiêu chuẩn đồng dạng Hội đồng bể thử quốc tế Ls Chiều dài tàu thực, (m) Lm Chiều dài tàu mơ hình (m) NCS Nghiên cứu sinh P Lực gia thêm, (N) r Bán kính vòng quay tàu thủy, (m) R Lực cản (N) RL Lực bẻ lái tác động lên bánh lái, (N) RD Lực cản tác động lên bánh lái, (N) RTM Lực cản tàu mơ hình, (N) RTS Lực cản tàu thực, (N) T Lực đẩy chân vịt tàu thủy tạo ra, (N) T’ Lực cản tác động lên vỏ tàu thủy, (N) T* Lực đổ ngang tác động lên chân vịt tàu thủy, (N) Tgt Lực cản gia thêm, (N) VOF Tên phương pháp: Thể tích chất lỏng VS, Vp, Vt Vận tốc tàu thực, (knot, m/s) VM, Vm Vận tốc mơ hình tàu, (m/s) α Góc bẻ lái, (độ) αk Tỷ lệ thể tích pha thứ k vii β Góc nghiêng, (độ) γ Trọng lượng riêng chất lỏng θ Góc thay đổi hướng chuyển động, (độ) ρ Khối lượng riêng chất lỏng, (kg/m3) viii DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Số hình 1.1 Tên hình vẽ đồ thị Ứng dụng CFD nghiên cứu lực cản ảnh hưởng sóng Trang 1.2 CFD với tương tác dòng chảy qua chân vịt - bánh lái 1.3 Kết tính tốn mơ mặt thống 1.4 Mơ hình 3D tàu Ajax (IMD-523C) Kết tính tốn mơ CFD nghiên cứu 1.5 thực nghiệm mơ hình tàu tác giả Brendan Smoker 1.6 Hình ảnh mơ tả dịng chảy rối 14 1.7 Quan hệ vận tốc thời gian dòng chảy rối 14 1.8 Phân chia thang đo mức dịch chuyển phần tử lỏng 15 1.9 Mô tả điều kiện biên 17 1.10 1.11 1.12 Quy trình tính tốn mơ CFD lĩnh vực khoa học hàng hải Mô tả thành phần tham số động học chuyển động tàu Thành phần tham số động học chuyển động tàu xét mặt phẳng nằm ngang 19 25 25 1.13 Minh họa ổn định tàu thủy 26 1.14 Ổn định tàu góc nghiêng nhỏ 28 1.15 Ổn định tàu góc nghiêng lớn 28 1.16 Đồ thị đường cong cánh tay đòn ổn định tĩnh 30 ix 2.1 Mơ mơ hình tàu đồng dạng theo tiêu chuẩn với M/V TAN CANG FOUNDATION 32 2.2 Mơ tả hình ảnh đường mớn nước khảo sát 33 2.3 Mơ hình tốn nghiên cứu điều kiện biên 34 2.4 Mơ tả mặt thống phân cách toán hai pha 35 2.5 Cửa sổ lựa chọn mơ hình tính tốn VOF 39 2.6 Cửa sổ lựa chọn chương trình tính tốn VOF 39 2.7 Cửa sổ lựa chọn thông số pha (pha khơng khí) 40 2.8 Cửa sổ lựa chọn thơng số pha (pha không nước) 40 2.9 Cửa sổ lựa chọn thông số đầu vào nước 41 2.10 Cửa sổ lựa chọn thơng số đầu vào khí 41 2.11 Cửa sổ tổng hợp giá trị đầu vào nước khí 42 2.12 Cửa sổ lựa chọn kỹ thuật giải 42 2.13 Cửa sổ thị trạng thái tính tốn tiêu chuẩn hội tụ 43 2.14 Cập nhật điều kiện cho vịng tính tốn đầu 43 2.15 2.16 2.17 2.18 2.19 Cửa sổ đưa số vòng lặp/bước thời gian tổng bước thời gian Kết tính tốn mơ lưới chia mơ hình tính tốn Kết tính tốn mơ phân bố áp suất hai bên mạn tàu (xét phần tiếp xúc với nước) Kết tính tốn mơ cho đường nước khảo sát: a) Phân bố áp suất; b) hệ số áp suất Kết tính tốn mơ đường nước số x 44 44 45 46 47