Hiện nay trên thế giới có rất nhiều phương nghiên cứu nhằm giảm lực cản tàu thủy. Trong đó, phương pháp tạo bọt khí là một trong những phương pháp có hiệu quả và tính khả thi cao. Tuy nhiên, phương pháp này chưa được áp dụng nghiên cứu tại Việt Nam trong khi ngành đóng tàu nước ta đã có những bước phát triển đáng kể. Chính vì vậy, đề tài: “Nghiên cứu giảm lực cản nhớt của tàu thủy bằng phương pháp tạo bọt khí” với mục đích nghiên cứu, kiểm nghiệm phương pháp tạo bọt khí nhằm giảm lực cản tàu thủy và khả năng ứng dụng phương pháp đó trong thực tế khai thác tàu thủy.
Luận án Tiến sĩ Cơ học chất lỏng i LỜI CẢM ƠN Trong q trình nghiên cứu hồn thành luận án tiến sĩ với đề tài: “Nghiên cứu giảm lực cản nhớt tàu thủy phương pháp tạo bọt khí ” tác giả nhận nhiều giúp đỡ từ tổ chức cá nhân Tác giả xin chân thành cảm ơn: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Cơ khí Động lực, Bộ mơn Kỹ thuật Thủy khí & Tàu thủy tạo điều kiện mặt thời gian công tác chuyên môn để tác giả tập trung vào công việc nghiên cứu Hội Cơ học Việt Nam, Quỹ Phát triển Khoa học Công nghệ Quốc gia – NAFOSTED, Phịng Khoa học – Cơng nghệ trường Đại học Bách khoa Hà Nội hỗ trợ kinh phí, tạo điều kiện để tác giả báo cáo cơng trình nghiên cứu hội nghị nước Trung tâm Nghiên cứu Thử nghiệm Kiểm định Tàu thủy - Viện Khoa học Công nghệ Tàu thủy Việt Nam hỗ trợ kinh phí giúp đỡ tác giả hoàn thành phần thực nghiệm Tập thể cán hướng dẫn: GS.TSKH.NGND Vũ Duy Quang TS Lê Thanh Tùng định hướng để tác giả tiếp cận tốt với phương pháp nghiên cứu Gia đình bạn bè động viên, khích lệ để tác giả hoàn thành tốt luận án Trân trọng cảm ơn! Tác giả Phạm Thị Thanh Hương Luận án Tiến sĩ Cơ học chất lỏng ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan tất nội dung luận án “Nghiên cứu giảm lực cản nhớt tàu thủy phương pháp tạo bọt khí” tơi tự thực đồng thực hướng dẫn tập thể cán hướng dẫn GS.TSKH.NGND Vũ Duy Quang TS Lê Thanh Tùng Để hoàn thành luận án này, dùng tài liệu ghi mục tài liệu tham khảo mà không dùng tài liệu khác Khơng có chép, gian lận kết cơng trình nghiên cứu khác Tác giả Phạm Thị Thanh Hương Luận án Tiến sĩ Cơ học chất lỏng iii MỤC LỤC NỘI DUNG DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU CHƢƠNG Lý nghiên cứu, mục đích đề tài Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Bố cục luận án TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU LỚP BIÊN - LỰC CẢN 1.1 1.1.1 1.1.2 1.1.3 1.1.3.1 1.1.3.2 1.1.3.3 1.1.4 1.1.4.1 1.1.4.2 1.1.4.3 1.2 1.2.1 1.2.2 1.3 1.3.1 1.3.2 1.4 1.4.1 1.4.1.1 1.4.1.2 Nghiên cứu lớp biên Khái niệm lớp biên Cấu trúc lớp biên Hệ phương trình lớp biên Phương trình Navier – Stokes Phương trình Reynolds Hệ phương trình Prandtl Phương pháp giải hệ phương trình lớp biên Phương pháp giải tích Phương pháp tích phân Tính toán số Lực cản vật chuyển động chất lỏng Khái niệm lực cản Thành phần lực cản vật ngập chuyển động chất lỏng Lực cản tàu thủy Khái niệm lực cản tàu thủy Thành phần lực cản tàu nguyên nhân xuất Phương pháp giảm lực cản tàu số cơng trình nghiên cứu Giảm lực cản nhớt Tầng hóa lớp biên Tạo dao động bề mặt giảm ma sát rối Trang vii ix x 1 2 5 5 6 7 8 8 9 10 10 10 11 13 13 13 22 Luận án Tiến sĩ Cơ học chất lỏng iv 1.4.2 1.4.3 22 22 24 CHƢƠNG TÍNH TỐN LỰC CẢN TÀU – MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN GIẢM LỰC CẢN TÀU Lực cản tàu thủy tính theo lý thuyết Lực cản tàu chuyển động nước tĩnh Lực cản toàn phần tàu Lực cản nhớt tàu Lực cản sóng tàu Lực cản khơng khí tàu Lực cản tàu chuyển động sóng Lực cản tàu tính gần theo thực nghiệm Phương pháp tính lực cản tồn phần theo cơng suất kéo tàu Phương pháp tính lực cản dư lực cản sóng Phương pháp tính chuyển đồng dạng từ tàu mẫu Một số yếu tố ảnh hưởng đến giảm lực cản tàu Hình dáng thân tàu Hình dáng thân tàu biển Hình dạng thân tàu nội địa tàu pha sông biển Hệ số béo tàu Độ nhám thân tàu Độ nhám chung Độ nhám cục Ảnh hưởng lớp rêu, hà bám vào vỏ thân tàu Ảnh hưởng lớp biên bao quanh tàu Ảnh hưởng lớp khí phun vào lớp biên đáy tàu 24 24 24 26 28 28 31 32 33 NGHIÊN CỨU LỰC CẢN TÀU BẰNG PHƢƠNG PHÁP SỐ 40 2.1 2.1.1 2.1.1.1 2.1.1.2 2.1.1.3 2.1.1.4 2.1.2 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.3 2.3.1 2.3.1.1 2.3.1.2 2.3.2 2.3.3 2.3.3.1 2.3.3.2 2.3.4 2.3.5 2.3.6 CHƢƠNG Giảm lực cản hình dáng Giảm lực cản sóng 3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.2.1 3.1.2.2 3.1.2.3 3.1.2.4 3.1.3 3.1.3.1 Tổng quan phương pháp số Khái quát chung Hệ phương trình Phương trình liên tục Phương trình bảo tồn động lượng Phương trình bảo tồn lượng Dạng tổng qt phương trình bảo toàn Các phương pháp số Phương pháp điểm kỳ dị 33 34 34 34 35 35 36 36 36 37 38 38 39 40 40 41 41 41 42 42 42 42 Luận án Tiến sĩ Cơ học chất lỏng 3.1.3.2 3.1.3.3 3.1.3.4 3.1.3.5 3.1.3.6 3.1.3.7 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5 3.2.5.1 3.2.5.2 3.2.5.3 3.2.5.4 3.2.5.5 3.2.5.6 CHƢƠNG Phương pháp vi phân hữu hạn (FDM) Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) Phương pháp thể tích hữu hạn (FVM) Phương pháp phần tử biên (BEM) Phương pháp phổ (SEM) Mơ số (CFD) Mơ dịng chảy bao quanh thân tàu tính tốn lực cản tàu phương pháp CFD Cấu trúc phần mềm Các phương trình tổng quát Phương thức giải Các bước giải toán FLUENT Trình tự mơ dịng chảy bao quanh thân tàu đo lực cản tàu Khởi động xây dựng mơ hình hình học tàu Lựa chọn phương pháp – mẫu dịng rối Miền tính tốn – Điều kiện biên Cấu trúc lưới Quy định độ xác, vịng lặp Kết mơ NGHIÊN CỨU LỰC CẢN TÀU BẰNG THỰC NGHIỆM PHUN KHÍ VÀO LỚP BIÊN ĐÁY TÀU 4.1 4.1.1 4.1.2 4.1.2.1 4.1.2.2 4.1.3 4.1.4 4.1.4.1 4.1.4.2 4.1.4.3 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 Cơ sở thực nghiệm nghiên cứu lực cản tàu Hai nguyên tắc lập mơ hình Cách thức lập mơ hình tàu Lập mơ hình phần theo số Reynolds Lập mơ hình phần theo số Froude Ảnh hưởng mơ hình đến kết thực nghiệm Tính chuyển lực cản từ mơ hình sang tàu thực Phương pháp Froude Phương pháp Hughes Phương pháp Telfer Trang thiết bị thử mơ hình tàu Bể thử mơ hình tàu Xe kéo mơ hình thiết bị gắn xe kéo Thiết bị tạo khử sóng bể thử mơ hình Thiết bị đo thử nghiệm v 43 45 45 49 49 49 54 54 55 56 56 57 58 60 60 61 63 63 72 72 72 72 73 73 74 74 75 76 76 77 77 78 80 82 Luận án Tiến sĩ Cơ học chất lỏng vi 4.2.5 4.2.6 4.2.7 4.3 4.4 83 83 84 85 85 4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.4.3.1 4.4.3.2 4.4.4 4.4.5 4.4.5.1 4.4.5.2 4.4.5.3 4.4.6 Thiết bị kết nối máy tính Hệ thống điều khiển trung tâm Phần mềm đo CATMAN Trình tự thử nghiệm đo lực cản tàu Thực nghiệm phun khí vào lớp biên đáy tàu giảm lực cản tàu Mơ hình thiết bị thử nghiệm Kết nối thiết bị thử nghiệm Quá trình thử nghiệm đo lực cản tàu Thực nghiệm tính lực cản tàu chuyển động nước tĩnh Thực nghiệm tính lực cản tàu chuyển động sóng So sánh kết lực cản tàu theo tính tốn số thực nghiệm Đánh giá cơng suất kéo tàu thử nghiệm Công suất kéo tàu tính theo lý thuyết Cơng suất kéo tàu thử nghiệm Đánh giá hiệu áp dụng phun khí vào lớp biên đáy tàu thử nghiệm Thảo luận kết thực nghiệm 85 88 89 89 90 92 93 93 94 96 97 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO xii DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN xvi Luận án Tiến sĩ Cơ học chất lỏng vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT TT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 TÊN GỌI Chiều dài tàu, chiều dài tàu thực, chiều dài tàu mơ hình Chiều rộng tàu Chiều cao mạn Chiều chìm tàu Chiều dày lớp bien Chiều dày nén lớp biên Chiều dày tổn thất xung lượng lớp biên Chiều cao đỉnh mơ nhám thân tàu Chiều cao bình phương trung bình mô nhám thân tàu Công suất kéo tàu Diện tích mặt cắt ướt tàu Diện tích mặt cắt ướt thân tàu trơn Góc vào nước (góc tới) cánh Hệ số béo thể tích tàu (Hệ số thể tích lượng chiếm nước) Hệ số béo đường nước tàu (Hệ số diện tích mặt đường nước) Hệ số béo thẳng đứng tàu (Hệ số diện tích mặt cắt ngang tàu) Hệ số béo dọc tàu (Hệ số lăng trụ) Hệ số lực cản toàn phần 19 20 Hệ số lực cản tàu thực tàu mơ hình Hệ số lực nâng 21 22 23 Hệ số lực cản áp suất Hệ số lực cản ma sát Hệ số cản ma sát cục 24 Hệ số lực cản ma sát phẳng tương ương 25 Hệ số lực cản nhớt KÝ HIỆU CHỮ VIẾT TẮT ĐƠN VỊ L; LH; LM m B H T * ** k m m m m m m m k tb m EPS (PS,PE) 0 (CB) W m2 m2 độ (CWP) (CM) C, Cx CH, CM Cy CP CF Cf CFo CV Luận án Tiến sĩ Cơ học chất lỏng viii 26 27 28 29 30 31 32 Hệ số lực cản hình dáng Hệ số lực cản sóng Hệ số lực cản khơng khí Hệ số lực cản độ nhám bề mặt thân tàu Hệ số lực cản phần nhô Hệ số lực cản dư Hệ số lực cản bổ sung CVP CW CAA CA CAP CR 33 34 CE 39 40 41 Hệ số hải quân Hệ số hình dáng (kể đến ảnh hưởng độ cong hình dáng thân tàu) Hệ số ảnh hưởng độ cong bề mặt thân tàu Hệ số ảnh hưởng hình dáng thân tàu Hệ số nhớt động học chất lỏng Hệ số nhớt động học chất lỏng quanh tàu thực Hệ số nhớt động học chất lỏng bể thử Hệ số nhớt động lực học chất lỏng Khối lượng riêng chất lỏng 42 Khối lượng riêng khơng khí 43 44 35 36 37 38 Cd k kF kVP H m2/s m2/s M kg/m A kg/m Lưu lượng khí phun Lực cản tồn phần Q, QA lít/phút N 45 Lực nâng Ry 46 47 Số xâm thực Số Froude biến thể 48 49 50 51 Số Reynolds biến thể Trọng lượng tàu Thể tích ngâm nước tàu Tỉ lệ xích tàu mơ hình so với tàu thực 52 53 54 55 56 Tiết diện cản Vận tốc dịng chảy thành phần Vận tốc tàu thực, vận tốc tàu mơ hình Vận tốc luồng khí bao quanh phần khơ tàu Vận tốc tuyệt đối gió R, Rx Fr, FrV, FrH, FrB Re, Re*, Re** k m2/s m2/s 3 N N m3 LM LH 33 S v, vx, vy, vz vH; vM vA vB m2 m/s m/s m/s m/s Luận án Tiến sĩ Cơ học chất lỏng ix DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Giá trị hệ số lực cản phần nhô 28 Bảng 2.2 Giá trị hệ số lực cản bề mặt CA tàu biển 28 Bảng 2.3 Vận tốc gió Bopho độ cao h = 6,0 m so với mặt nước biển 30 Bảng 2.4 Giá trị hệ số lực cản khơng khí CAA 30 Bảng 2.5 Giá trị hệ số bổ sung k E khai thác tàu biển 30 Bảng 3.1 Thông số tàu mơ hình MHNCS 2008-015 58 Và thơng số buồng phun khí ngăn riêng biệt Bảng 4.1 Thông số tàu thực tàu mơ hình Và thơng số buồng phun khí ngăn riêng biệt 85 Luận án Tiến sĩ Cơ học chất lỏng x DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Hình 1.2 Hình 1.3 Hình 1.4 Hình 1.5 Hình 1.6 Hình 1.7 Hình 1.8 Hình 1.9 Hình 1.10 Hình 2.1 Hình 3.1 Hình 3.2 Hình 3.3 Hình 3.4 Hình 3.5 Hình 3.6 Hình 3.7 Hình 3.8 Hình 3.9 Hình 3.10 Hình 3.11 Hình 3.12 Hình 3.13 Hình 3.14 Hình 3.15 Hình 3.16 Hình 3.17 Hình 3.18 Hình 3.19 Lớp biên dịng ngồi Cấu trúc lớp biên theo phương dọc Cấu trúc lớp biên theo phương ngang Lực tác dụng lên vật ngập chuyển động chất lỏng Hệ toạ độ khảo sát chuyển động tàu Điều khiển lớp biên giảm lực cản tàu Kết cấu lớp phủ kiểu cột Kết cấu lớp phủ kiểu sườn Tàu BERGE ARZEW với lớp sơn phủ Sơ đồ thiết bị giao thoa giảm lực cản sóng Sơ đồ luồng khí bao quanh tàu chuyển động điều kiện có gió Lưới thể tích hữu han 2D có cấu trúc Lưới thể tích hữu hạn 3D khơng cấu trúc Cấu trúc mô số CFD Cấu trúc phần mềm ANSYS FLUENT Mơ hình 3D tàu thử nghiệm Miền tính điều kiện biên Mơ hình lưới hỗn hợp Mật độ lưới cao xung quanh lỗ phun khí mũi tàu Phân bố áp suất thân tàu tàu chuyển động nước tĩnh, trường hợp khơng phun khí đáy tàu Phân bố áp suất thân tàu chuyển động nước tĩnh Phân bố áp suất vận tốc mặt thoáng Phân bố vận tốc dịng khí – lỏng dọc theo bề mặt đáy tàu Phân bố dịng khí-lỏng xung quanh lỗ phun dọc thân tàu Phân bố dịng khí-lỏng đáy tàu tàu chuyển động nước tĩnh Phân bố hệ số ma sát bề mặt đáy tàu tàu chuyển động nước tĩnh Phân bố hệ số ma sát dịng khí – lỏng dọc theo thân tàu Lực cản tàu chuyển động nước tĩnh Hệ số lực cản tàu chuyển động nước tĩnh Lực cản hệ số lực cản tàu chuyển động nước tĩnh lưu lượng khí phun Q = 20 lít/phút 5 11 14 20 20 21 23 29 46 47 50 54 59 60 62 62 63 64 65 65 66 67 68 69 69 70 70