Luận án tiến sĩ 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 HUỲNH VĂN CHÍNH 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 THƠNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH HUỲNH VĂN CHÍNH ỨNG DỤNG PHƢƠNG PHÁP TÍNH TỐN ĐỘNG LỰC HỌC LƢU CHẤT (CFD) TRONG TỐI ƢU HĨA HÌNH DẠNG MŨI TÀU QUẢ LÊ LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC MÃ SỐ: 9520116 Ngƣời hƣớng dẫn: PGS.TS Trần Gia Thái TS Bùi Hồng Dƣơng 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 dƣới hƣớng dẫn khoa học PGS.TS Trần Gia Thái TS Bùi Hồng Dƣơng chƣa công bố cơng trình khoa học khác thời điểm Tp Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng năm 2022 Nghiên cứu sinh Huỳnh Văn Chính ii LỜI CÁM ƠN Trong suốt trình thực luận án, thân tơi 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 Trần Gia Thái TS Bùi Hồng Dƣơng 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 Trƣờng 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 Trƣờng Tơi xin chân thành cảm ơn! Tp Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng năm 2022 Tác giả Huỳnh Văn Chính iii TĨM TẮT Sử dụng mũi lê khơng giải pháp hiệu để làm giảm sức cản, mà 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 Một nghiên cứu thực nghiệm toàn diện tiếng đƣợc 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, hoàn 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 - 0.82), 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 = 0.524 nằm ngồi 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 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 mơ 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 không 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 = 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 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 - 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 LPRo = 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 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 1.1 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 HƢỚNG NGHIÊN CỨU 26 1.2.1 Phân tích hƣớng nghiên cứu liên quan 26 1.2.2 Phân tích lựa chọn hƣớng nghiên cứu 30 Kết luận chƣơng 30 viii Chƣơng 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 thơng số mơ phù hợp với tàu tính tốn 54 2.2.4 Tính sức cản tàu tính tốn 63 2.3 PHÂN TÍCH KẾT QUẢ TÍNH TỐN 64 Kết luận chƣơng 67 Chƣơng THIẾT KẾ TỐI ƢU 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 thơng số hình học mũi lê 70 3.1.3 Ảnh hƣởng thông 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 đƣờng hình dáng lê tính tốn 78 3.2.3 Tích hợp hình dạng lê vào đƣờng hình tàu tính tốn 81 3.3 MƠ HÌNH VÀ PHƢƠNG PHÁP TỐI ƢU HÓA MŨI QUẢ LÊ TÀU CÁ 86 3.3.1 Mơ hình tốn tối ƣu hóa tổng qt 86 3.3.2 Mơ hình tốn tối ƣu hóa mũi lê tàu cá 88 3.3.3 Phƣơng pháp giải tốn tối ƣu hóa mũi lê 95 120 Từ kết tính tối ƣu cho trƣờng hợp thay đổi kích thƣớc mũi lê nêu trên, cho phép rút đƣợc nhận xét cụ thể nhƣ sau:  Phƣơng án lê tối ƣu phụ thuộc vào mớn nƣớc tàu thƣờng xuyên hoạt động, hiệu làm việc lê mớn nƣớc thiết kế thƣờng cao Nguyên nhân lê chìm sâu dƣới mặt nƣớc nên thay đổi không lớn mớn nƣớc tàu thƣờng xuyên hoạt động ảnh hƣởng đến kết tính  Hiệu làm việc mũi lê, thể qua độ giảm cơng suất có ích tàu lớn trƣờng 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% Nguyên nhân thơng số chiều dài chiều rộng ảnh hƣởng lớn đến cƣờng độ phase hệ thống sóng mũi tàu lê nên dễ tác động đến hiệu Trong việc tăng chiều cao thƣờng ảnh hƣởng chủ yếu đến độ chìm lê mà ảnh hƣởng đến khối lƣợng, nhƣ 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 ƣớt ảnh hƣởng đến yếu tố thiết kế khác  Kết tính tốn cho thấy phƣơng án kích thƣớc lê tối ƣu xác định theo ba mô hình thay Kriging khác nhau, nhƣng trƣờng 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 tƣơng quan Gauss hàm có độ phi tuyến cao nên đáp ứng tốt thay đổi phức tạp nhƣ biết sức cản tổng tàu thay đổi đồng thời kích thƣớc lê  Kết tính tốn cho thấy mũi lê trƣờng hợp tối ƣu cho phép giảm đƣợc công suất có ích Pe sức cản tổng tàu RT vào khoảng 14%, so với tàu khơng có trang bị mũi lê, hoàn toàn phù hợp với số liệu thực nghiệm đƣợc công bố tƣơng ứng (12 – 15)% 121 Hình 3.33 3.34 kết tính tốn xuất từ Xflow biểu đồ phân bố trƣờng vận tốc trƣờng áp suất dòng lƣu chất xung quanh thân tàu FAO 75 trƣờng hợp khơng có trang bị lê có trang bị lê tối ƣu điều kiện hoạt động chế độ thiết kế tƣơng ứng với tốc độ U= 15 hl/h mớn nƣớc 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 ƣu, dẫn đến làm giảm đáng kể thành phần sức cản sinh sóng, đó, sức cản tổng tàu đƣợc 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 ƣu (a) Phân bố trƣờng vận tốc dòng lƣu chất (b) Phân bố trƣờng áp suất dịng lƣu chất Hình 3.33 Phân bố trường vận tốc trường áp suất dòng lưu chất xung quanh thân tàu FAO 75 trường hợp khơng có lê 122 (a) Phân bố trƣờng vận tốc dòng lƣu chất (b) Phân bố trƣờng áp suất dịng lƣu 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 123 Hình 3.35 đƣờng hình tàu FAO 75 với lê ban đầu thiết kế theo đồ thị Kracht có kích thƣớc LPRo = 1.50 m, BBo = 1.70 m, ZBo = 2.10 m (đƣờng đen) lê tối ƣu có kích thƣớc LPRop = 1.65 m, BBop = 1.91 m, ZBo = 2.10 m (đƣờng đỏ), tƣơng ứng trƣờng hợp thay đổi đồng thời chiều dài chiều rộng lê ban đầu với gia số lần lƣợt LPR = 0.11 m, BB = 0.21 m Hình 3.35 Bản vẽ đƣờng hình tàu FAO 75 với lê ban đầu lê tối ƣu Kết luận chƣơng Chƣơng trình bày kết luận án sử dụng đồ thị Kracht thiết kế mũi lê cho tàu có hệ số béo không nằm phạm vi áp dụng đồ thị, với mơ hình phƣơng pháp giải tốn tối ƣu hình dạng mũi lê cho tàu cá dựa sở sử dụng kết hợp phƣơng pháp tính CFD mơ hình thay Kriging Kết sử dụng đồ thị Kracht xác định sơ kích thƣớc 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 phƣơng pháp tối ƣu mũi lê tàu cá nghiên cứu tìm đƣợc phƣơng án lê tối ƣu 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 trƣờng vận tốc trƣờng áp suất Xflow cho thấy trƣờng hợp lắp lê tối ƣu tính, chiều cao sóng giảm rõ rệt khơng có xuất sóng khu vực tàu, dẫn đến làm giảm sức cản tàu 124 Chƣơng KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 4.1 KẾT LUẬN Kết nghiên cứu luận án cho phép NCS rút điểm số kết luận cụ thể nhƣ 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 phƣơng 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 thƣớc miền tính hệ số mơ hình rối k- động rối k và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, phƣơng pháp kết xác định giá trị thông số mô phù hợp với loại tàu tính đƣợc trình bày cụ thể phần 2.2.3 chƣơng 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 tƣơng ứng tàu tính tốn FAO 72 FAO 75 nằm phạm vi 3% nhƣ trình bày Bảng 2.12 Bảng 2.13 (2) Bổ sung, hoàn thiện phƣơng pháp thiết kế mũi lê Phƣơng pháp thiết kế lê hiệu sử dụng đồ thị Kracht, nhiên phƣơng pháp có điểm hạn chế định nhƣ áp dụng cho tàu có hệ số béo phạm vi CB = (0.56 - 0.82), lê tính đƣợc gần với tối ƣu, khơng đề cập đến việc nối phần mũi lê thiết kế đƣợc vào phần thân tàu lại Kết nghiên cứu mục 3.2 Chƣơng bổ sung, hoàn thiện phƣơng pháp cách sử dụng kết hợp phƣơng pháp nội suy ngoại suy đồ thị Kracht để xây dựng đƣờng 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 đƣờng biên dạng tích hợp lê vào đƣờng hình tàu đảm bảo bề mặt tiếp giáp lê thân tàu trơn thông số lê xác định khơng đổi 125 (3) Xây dựng mơ hình phƣơng pháp giải toán tối ƣu mũi lê Kết nghiên cứu luận án xây dựng đƣợc mơ hình phƣơng pháp giải tốn tối ƣu 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 lƣới, xác định phạm vi thay đổi kích thƣớc lê để xây dựng phƣơng 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 ƣu dựa kết hợp CFD mơ 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 ƣu Hình 3.33 Hình 3.34 cho thấy đƣợc phù hợp tốt phƣơng 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, phƣơng án thay đổi đồng thời chiều dài chiều rộng lê có hiệu cao thay đổi thông số ảnh hƣởng chủ yếu đến chiều dài khối lƣợng mũi lê, dẫn đến ảnh hƣởng lớn đến pha biên độ hệ thống sóng lê tạo ra, thay đổi độ cao ảnh hƣởng đến độ chìm lê nên có ảnh hƣởng đến hiệu suất làm việc mũi lê - Trong thực tế, liệu tính tốn cho bóng đèn tối ƣu tàu FAO 75 cho thấy mức giảm tối đa cơng suất có ích sức cản tổng sau lắp lê tối ƣu khoảng 14%, nằm phạm vi liệu thử nghiệm (12- 15)% đƣợc cơng bố thức nhiều nhà nghiên cứu cho tàu thông thƣờng có mũi lê nhƣ Bertram Schneekluth (1998) [6], Larrie D F (2011) [3] - Việc sử dụng đồ thị Kracht, với phƣơng pháp ngoại suy nội suy để thiết kế sơ lê ban đầu cho tàu có hệ số béo CB khơng nằm phạm vi áp dụng đồ thị phù hợp, thể chỗ kích thƣớc lê ban đầu gần tối ƣu nên xác định đƣợc kích thƣớc lê tối ƣu sau hai lần tính tốn cách sử dụng mơ hình thay nhƣ trƣờng hợp 126 4.2 KHUYẾN NGHỊ Từ kết nghiên cứu đạt đƣợc luận án, NCS xin phép đề xuất số khuyến nghị cụ thể nhƣ sau:  So với công cụ phần mềm CFD khác nhƣ đƣợc giới thiệu mục 1.1.2 việc sử dụng phần mềm XFlow để ƣớc tính sức cản tàu dễ dàng nhiều, đặc biệt nhờ sử dụng công nghệ không lƣới 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 nhƣ OpenFoam Đặc biệt sử dụng giải pháp khởi tạo file mơ hình hình học dƣới 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 tốn 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 đƣợc 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 nhƣ đạt đƣợc 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 nhƣ 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 đƣợc 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 đƣợc ứng dụng rộng rãi nhiều thực tế thiết kế sử dụng tàu cá nƣớc ta  Ứng dụng kết nghiên cứu vào thiết kế lê cho tàu chƣa có mũi lê Trên sở sử dụng mẫu tàu lựa chọn, phƣơng pháp thiết kế tối ƣu 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 127 Bên cạnh đó, nghiên cứu ứng dụng CFD giải tốn tối ƣu hóa mũi lê đặt luận án cách làm mới, tiếp cận với phƣơng pháp nghiên cứu đại Ngồi đặt vấn đề nghiên cứu tiếp nội dung nhƣ:  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 nhƣ nêu luận án dễ thực thực tế nhiều thời gian, công sức  Nghiên cứu phƣơng pháp thiết kế tích hợp lê vào đƣờng hình tàu tính tốn mang tính tổng qt so với phƣơng pháp sử dụng phần mềm AutoShip nêu Một phƣơng pháp đƣợc nhà khoa học nghiên cứu thực phối hợp điểm kiểm soát (control points) đƣờng cong NURBS dùng biểu diễn hình dạng lê thân tàu để cho đảm bảo đƣợc hịa hợp hình dạng lê với đƣờng hình phía mũi tàu  Phƣơng pháp tối ƣu hóa hình dạng mũi tàu lê đề xuất luận án đƣợc xây dựng sở thay đổi thông số tuyến tính lê thay đổi kích thƣớc thay đổi đồng thời cặp thơng số kích thƣớc với Trên sở đó, đặt vấn đề tiếp tục nghiên cứu toán tối ƣu lê trƣờng hợp thay đổi kích thƣớc khác, cụ thể nhƣ: - Thay đổi thơng số hình học phi tuyến lê nhƣ hệ số mặt cắt ngang CABT, hệ số cạnh bên CABL hệ số thể tích CPR - Thay đổi đồng thời ba kích thƣớc 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, tồn nhƣ tối ƣu hóa đƣờng hình tàu cá, tính tốn tính biển (sea-keeping), tính tốn tính động (manueroving), tính toán thủy động lực học thiết bị đẩy tàu … 128 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 Estimating Fishing Boat Resistance”, International Journal of Engineering Trends and Technology - Volume 69 Issue 4, pp 131- 138, April 2021 Bài báo 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 Scopus ISSN 2231 – 5381 Scopus ISSN 2092-6782 SCIE Điểm IF 129 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 130 [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 131 [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 132 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, 133 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 – cơng 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 thông Vận tải Thành phố Hồ Chí Minh [52] Nguyễn Mạnh Hƣng, Ngô Văn Hệ, Lê Quang, Ứng phương pháp điểm kì dị để tính tốn sức cản sóng tàu thủy, Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội, Tạp chí Khoa học công nghệ Hàng hải, số 21 – 01/2010 134 [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, Trƣờng 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 Trƣờng 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 Công 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