Luận án tiến sĩ nghiên cứu chân vịt hai bước để nâng cao hiệu suất làm việc của tàu đánh cá

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN CHÍ CƠNG NGHIÊN CỨU CHÂN VỊT HAI BƯỚC ĐỂ NÂNG CAO HIỆU SUẤT LÀM VIỆC CỦA TÀU ĐÁNH CÁ LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Hà Nội – 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN CHÍ CƠNG NGHIÊN CỨU CHÂN VỊT HAI BƯỚC ĐỂ NÂNG CAO HIỆU SUẤT LÀM VIỆC CỦA TÀU ĐÁNH CÁ Ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực Mã số:9520116 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS Lương Ngọc Lợi PGS TS Ngô Văn Hệ Hà Nội - 2022 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan tất nội dung luận án tiến sỹ “Nghiên cứu chân vịt hai bước để nâng cao hiệu su ất làm việc tàu đánh cá” tự thực dướ i hướ ng dẫn PGS.TS Lương Ngọc L ợi PGS TS Ngô Văn Hệ Các kết tính tốn, số liệu luận án trung thực chưa tác giả khác công bố Hà Nội, ngày 20 tháng 01 năm 2022 Tập thể giáo viên hướng dẫn CBHD1: PGS TS Lương Ngọc Lợi Nghiên cứu sinh CBHD2: PGS TS Ngơ Văn Hệ Nguyễn Chí Cơng i LỜI CÁM ƠN Luận án tiến sỹ tơi – Nguyễn Chí Cơng, chuyên ngành Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực ‘Nghiên cứu chân vịt hai bước để nâng cao hiệu suất làm việc tàu đánh cá’ hoàn thành thời gian quy định bốn năm đạt kết đề Nội dung thự c luận án giúp nâng cao khả tự nghiên cứu trình ứng dụng phát triển khoa học kỹ thuật Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Lương Ngọc Lợi PGS.TS Ngô Văn Hệ, người hướng dẫn trực tiếp cho tơi hồn thành nội dung luận án Những lời khuyên, hướng dẫn bổ ích Thầy định hướng giúp tiếp cận tốt với lĩnh vực tàu thuỷ quan trọng Tơi xin cảm ơn Thầy, Cơ Viện Cơ Khí Động Lực, mơn thuộc Viện Cơ Khí Động Lực, Trường đại học Bách Khoa Hà Nội, Thầy, Cơ Viện Cơ Khí Trường đại học Hàng Hải Việt Nam tạo điều kiện thời gian đóng góp ý kiến cho tơi hồn thành tốt luận án Tơi xin cảm ơn bố mẹ, người vợ thân yêu luôn động viên giúp đỡ tơi hồn thành luận án Hà Nội, ngày 20 tháng 01 năm 2022 Nghiên cứu sinh Nguyễn Chí Cơng ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC BẢNG ix DANH MỤC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ x MỞ ĐẦU xiii Tính cấp thiết luận án xiii Mục tiêu luận án xiv Đối tượng phạm vi nghiên cứu xiv Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án .xiv Những đóng góp luận án xv Phương pháp nghiên cứu luận án xv Bố cục luận án xvi CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC VÀ CHÂN VỊT TÀU CÁ 1.1 Tổng quan hệ thống động lực chân vịt tàu cá 1.1.1 Giới thiệu chung đội tàu cá đánh bắt xa bờ Việt Nam 1.1.2 Đặc điểm hệ thống động lực 1.1.3 Đặc điểm hoạt động 1.2 Đặc điểm hệ thống đẩy tàu cá 1.3 Tình hình nghiên cứu số giải pháp nâng cao hiệu suất chân vịt nước 1.3.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 1.3.2 Tình hình nghiên cứu nước 1.3.3 Tình hình nghiên cứu chân vịt biến bước nước 10 1.3.4 Một số giải pháp nâng cao hiệu suất chân vịt 11 1.4 Đề xuất giải pháp chân vịt hai bước 18 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 21 2.1 Cơ sở lý thuyết dòng chảy bao quanh profile cánh 21 2.2 Mối quan hệ tỷ số bước hiệu suất chân vịt 22 2.3 Quan hệ máy chính, vỏ tàu, chân vịt 24 iii 2.4 Nghiên cứu phương pháp tính, kiểm tra độ xác phương pháp mơ số chân vịt tàu thủy 26 2.4.1 Các phương trình tính tốn mơ dịng chảy không nén 26 2.4.2 Phương trình Navier-Stokes viết dạng trung bình Renolds cho dòng chảy pha 27 2.4.3 Mơ hình rối RNG k - ε 28 2.4.4 Kiểm chứng phương pháp tính tốn mơ 29 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG SỐ 36 3.1 Lựa chọn phương pháp tính tốn thiết kế cánh chân vịt 36 3.1.1 Phương pháp tính tốn thiết kế dựa lý thuyết xốy .36 3.1.2 Phương pháp tính tốn thiết kế theo seri mẫu 36 3.2 Tính tốn thiết kế chân vịt 36 3.2.1 Các thông số tàu khảo sát 37 3.2.2 Tính toán thiết kế cánh chân vịt 37 3.2.3 Tính tốn thiết kế bầu 39 3.2.4 Xác định tỷ số bước H/D cho chế độ hoạt động thứ hai 40 3.3 Tính tốn mơ số 41 3.3.1 Các trường hợp tính tốn mơ 41 3.3.2 Xây dựng mô hình miền khơng gian tính tốn 42 3.3.3 Chia lưới, điều kiện biên 43 3.4 Kết phân tích kết 46 3.4.1 Kết tính tốn mơ 46 3.4.2 Ảnh hưởng tỷ số bước 49 3.4.3 Tỷ số bước phù hợp chế độ chạy tự chân vịt hai bước 53 3.4.4 Đặc tính thuỷ động lực học chân vịt 54 3.4.5 Lực tác động lên cánh chân vịt 58 3.4.6 Tương tác chân vịt hai bước - bánh lái 61 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CHÂN VỊT HAI BƯỚC 70 4.1 Giới thiệu chung thực nghiệm chân vịt 70 4.1.1 Thực nghiệm mặt thoáng 70 4.1.2 Thực nghiệm thiết bị đẩy 71 iv 4.1.3 Thực nghiệm xâm thực 74 4.2 Phương án thực nghiệm chân vịt hai bước 76 4.2.1 Phương án giới hạn nghiên cứu thực nghiệm 76 4.2.2 Đối tượng nghiên cứu thực nghiệm 79 4.3 Chế tạo hệ thống chân vịt 80 4.4 Các bước thiết bị nghiên cứu thực nghiệm 82 4.4.1 Các bước nghiên cứu thực nghiệm 82 4.4.2 Thiết bị nghiên cứu thực nghiệm 83 4.5 Kết phân tích kết nghiên cứu thực nghiệm 84 4.5.1 Kết đo thực nghiệm 84 4.5.2 Phân tích xử lý kết đo 85 4.5.3 Tính tốn so sánh thơng số đặc tính 85 4.5.4 So sánh kết thực nghiệm với tính tốn mơ số 90 KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ 92 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ ĐƯỢC CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .93 TÀI LIỆU THAMKHẢO 95 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu viết tắt chữ La tinh Stt Ký hiệu Đơn vị A Ae bmax c cl cD CV D Dotp 10 db 11 Db m 12 Ddx mm 13 DNS 14 eR mm Chiều dày đỉnh cánh chân vịt 15 e0 mm Chiều dày giả định đường tâm trục chân vịt 16 Ge 17 g 18 H 19 H/D 20 i Tỷ số truyền từ trục động đến trục chân 21 J vịt Hệ số tiến N Ý nghĩa Lực thuỷ động tác dụng lên profile cánh theo phương dây cung profile Tỷ số mặt đĩa chân vịt mm Chiều rộng lớn cánh chân vịt mm Chiều dài dây cung profile cánh Hệ số lực nâng profile Hệ số lực cản profile Đơn vị công suất tính sức ngựa m, N Đường kính ngồi chân vịt, lực cản tác động lên profile cánh m Đường kính chân vịt tối ưu Tỷ số bầu chân vịt Đường kính bầu chân vịt Đường kính đĩa xoay cánh chân vịt Phương pháp tính tốn, mơ số trực tiếp Suất tiêu hao nhiên liệu động m/s m Gia tốc trọng trường Bước chân vịt Tỷ số bước chân vịt vi 22 KT Hệ số lực đẩy chân vịt 23 KQ Hệ số mô men chân vịt 24 k 25 L N 26 Lh mm 27 L N 28 n v/ph 29 N N Lực thuỷ động tác dụng lên profile cánh theo phương Là lượng rối động Lực nâng profile cánh Chiều dài bầu chân vịt Lực nâng tác dụng lên profile cánh Số vòng quay chân vịt, số vòng quay trục động 30 PE W vng góc với dây cung profile Cơng suất cần thiết để đẩy tàu 31 Pp W Công suất đẩy chân vịt tạo 32 Pdc W Công suất trục động 33 PQ W Công suất cần thiết để quay chân vịt 34 Pdcp W Công suất động truyền tới trục chân vịt 35 p Pa Áp suất tĩnh chất lỏng 36 p 37 38 Q R 39 RANS ’ Dao động vecto áp suất N.m m Mô men xoắn trục chân vịt Bán kính chân vịt Phương trình Navier–Stokes viết dạng số Reynolds 40 Re trung bình Số Reynolds 41 Rij Ten sơ ứng suất áp suất 42 rm 43 r 44 Sm Tổn thất động lượng 45 Sij Ten sơ ứng suất trung bình 46 T mm Bán kính cong mũ bầu Hệ số bán kính khơng thứ ngun N Lực đẩy chân vịt vii () Ten sơ vận chuyển áp suất () Ten sơ rối đối lưu ν Ten sơ nhớt khuếch tán 47 Tijk p 48 Tkij u 49 Tkij () 50 t Hệ số dòng hút Dao động vecto vận tốc 51 u 52 53 V VA 54 w Hệ số dòng theo 55 Z Số cánh chân vịt ’ Knot m/s Vận tốc tiến tàu Vận tốc tiến chân vịt Các ký hiệu viết tắt chữ Hy Lạp Stt Ký hiệu ρ Đơn vị Ý nghĩa Khối lượng riêng chất lỏng Trọng lượng riêng chất lỏng kg/m γ N/m α độ η µ Pa.s ν m /s Π Góc đặt cánh Hiệu suất chân vịt, hiệu suất hệ thống Hệ số nhớt động lực học chất lỏng Hệ số nhớt động học chất lỏng Ten sơ biến thiên vận tốc, áp suất ij ε Ten sơ tiêu tán ij viii