Ứng dụng cfd nghiên ứu giảm lự ản khí động tá động lên tàu hở hàng sông

Trang 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --- Trương Ngọc Kha ỨNG DỤNG CFD NGHIÊN CỨU GIẢM LỰC CẢN KHÍ ĐỘNG TÁC ĐỘNG LÊN TÀU CHỞ HÀNG SƠNG Trang 2 B GIÁO DỘ ỤC VÀ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

Trương Ngọc Kha

ỨNG DỤNG CFD NGHIÊN CỨU GIẢM LỰC CẢN KHÍ ĐỘNG

TÁC ĐỘNG LÊN TÀU CHỞ HÀNG SÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA H C Ọ NGÀNH K THU Ỹ ẬT CƠ KHÍ ĐỘ NG L C Ự

B GIÁO DỘ ỤC VÀ ĐÀO TẠO

-Trương Ngọc Kha

ỨNG DỤNG CFD NGHIÊN CỨU GIẢM LỰC CẢN KHÍ ĐỘNG

TÁC ĐỘNG LÊN TÀU CHỞ HÀNG SÔNG

1

Tôi xin cam đoan đây là nghiên cứu c a riêng tôi Các s li u tính toán và k t ủ ố ệ ế

qu trình bày trong luả ận văn là trung thực và chưa từng được ai công b trong các ốcông trình nào khác

Hà Nội, tháng 9 năm 2018

Học viên

Trương Ngọc Kha

2

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, tôi xin g i l i cử ờ ảm ơn chân thành t i thớ ầy hướng d n luẫ ận văn

c a tôi, TSủ Ngô Văn Hệ, thầy đã tạo điều ki n t t nh t cho tôi hoàn thành luệ ố ấ ận văn này, đã động viên và t n tình ậ giúp đỡ, đưa ra những đề ngh , ch dị ỉ ẫn để tôi hoàn thành tốt chương trình họ ại trườc t ng S hi u bi t sâu s c v khoa hự ể ế ắ ề ọc, cũng như kinh nghi m c a các th y chính là tiệ ủ ầ ền đề giúp tôi đạt được ếk t qu quý báu này và ả

là cơ sở giúp tôi hoàn thành luận văn này

Xin cám ơn các Thầy cô trong B môn k ộ ỹ thuật th y khí và tàu th y, Viủ ủ ện

Cơ khí động l c, trư ng ự ờ Đạ ọi h c Bách khoa Hà Nội đã tạo điều ki n thu n l i cho ệ ậ ợtôi học tập và làm vi c trên B ệ ộ môn để ếti n hành tốt luận văn này

Tôi cũng xin cảm ơn bạn bè, gia đình và đồng nghiệp đã luôn giúp đỡ ổ vũ , c

và động viên tôi những lúc khó khăn để có th ể vượt qua và hoàn thành t t luố ận văn

tốt nghiệp thạc sĩ này

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Học Viên Trương Ngọc Kha

3

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

L ỜI CẢM ƠN 2

DANH MỤ C HÌNH V 4Ẽ DANH M C BỤ ẢNG BI U 6Ể M Ở ĐẦU 7

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN V L C C N TÀU TH Y VÀ BI N PHÁP Ề Ự Ả Ủ Ệ GIẢM LỰC CẢN TÁC ĐỘNG LÊN THÂN TÀU 10

1.1 Lực cản tàu th y 10ủ 1.2 Hi u qu kinh t khai thác tàu và vệ ả ế ấn đề giảm lực cản 11

1.3 Một số ệ bi n pháp gi m lả ực cản tác động lên tàu 13

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYÊT VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN LỰC CẢN KHÍ ĐỘNG TÁC ĐỘNG LÊN TÀU 22

2.1 Cơ sở lý thuy t tính toán l c cế ự ản tác động lên thân tàu 22

2.2 Phương pháp tính to n lá ực cản tác động lên thân tàu 24

2.3 Quy trình thực hiện m t bài toán mô ph ng CFD 26ộ ỏ CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG H C THÂN TÀU CH Ọ Ở HÀNG SÔNG THÔNG QUA S D Ử ỤNG CFD 32

3.1 Mô hình tàu hàng sông s d ng trong nghiên c u 32ử ụ ứ 3.2 Thiết kế miền không gian tính toán, chia lưới và đ t điặ ều ki n biên 34ệ 3.3 Quá trình thực hiện tính toán mô ph ng 37ỏ 3.4 Kết quả khảo sát đặc tính khí động h c thân tàu ch hàng sông 40ọ ở CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU GI M L C CẢ Ự ẢN KHÍ ĐỘNG TÁC ĐỘNG LÊN THÂN TÀU CH HÀNG SÔNG 50Ở 4.1 Ảnh hưởng của tư thế khai thác tàu đế ực cản khí độn l ng 50

4.2 Nghiên c u gi m lứ ả ực cản khí động tác động lên thân tàu 59

K ẾT LUẬ N VÀ KI ẾN NGHỊ 76

B NG GI I THÍCH T Ả Ả Ừ VIẾT TẮ T VÀ KÝ HI U S DỆ Ử ỤNG 78 TÀI LIỆ U THAM KH O 80Ả

4

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Một số ệ bi n pháp gi m tiêu hao nhiên li u cho tàu ả ệ 13 Hình 1.2 Làm sạch v tàu đ gi m lực cản ma sát cho tàu ỏ ể ả 14 Hình 1.3 Cải tiến hình dáng thân tàu để ả gi m s ựtách dòng phía sau tàu 16 Hình 1.4 Cải tiến phần dòng ra sau đuôi tàu và ống bao tr c chân v t ụ ị 17

Hình 1.6 Cải tiến bánh lái theo dạng khí động học tương thích với chân v t ị 18 Hình 1.7 Tối ưu hình dáng bánh lái tàu giúp cải thiệ ựn l c đ y tàu và gi m c n ẩ ả ả 18

H nh 2.1ì Sơ đồ phân tích lực cản khí động tác động lên tàu và hướng gió 22 Hình 3.1 Đường hình dáng tàu hàng sông s d ng trong nghiên c u ử ụ ứ 32 Hình 3.2 Mô h nh tàu ch hàng sông s d ng trong tính toán ì ở ử ụ 33

Hình 3.4 Chia lưới mi n không gian tính toán kh o sát thân tàu ề ả 35 Hình 3.5 Thiết lập các điều ki n tính toán trong công c Ansys-Fluent ệ ụ 39 Hình 3.6 Phân bố áp su t bao quanh tàu tấ ại một số ặ m t c t, Rắ n=6.2x106 40

Hình 3.8 Phân bố áp su t trên bấ ề ặ m t diện tích thân tàu kh o sát, t i Rả ạ n=6.2x106 42 Hình 3.9 Phân bố áp su t trên bấ ề ặ m t diện tích thân tàu kh o sát, t i Rả ạ n=18.6x106 43 Hình 3.10 Phân bố dòng bao quanh thân tàu, t i Rạ n=18.6x106 44 Hình 3.11 Phân bố áp su t trên bấ ề ặ m t diện tích thân tàu kh o sát ả 45 Hình 3.12 Phân bố áp su t tấ ại các vùng đặc biệt trên boong tàu, Rn=18.6x106 46 Hình 3.13 Phân bố áp su t trên bấ ề ặ m t thân tàu tại Rn=13.6x106 47

Hình 3.15 Hệ ố ự s l c cản khí động tác động lên thân tàu kh o sát ả 49

H nh 4.1 Mô hình tàu s d ng trong nghiên c u ì ử ụ ứ ảnh hưởng của tư thế tàu v i góc ớ

5

H nh 4.2 Phân b áp su t bao quanh thân tàu kh o sát t i m t s m t cì ố ấ ả ạ ộ ố ặ ắt đặc bi t, ệ

H nh 4.3 Phân b v n t c dòng bao quanh thân tàu kh o sát t i m t s m t cì ố ậ ố ả ạ ộ ố ặ ắt đặc

H nh 4.4 Phân b áp su t trên b m t di n tích thân tàu kh o sát, vì ố ấ ề ặ ệ ả ới góc ngóc mũi

H nh 4.5 Phân b áp su t bao quanh thân tàu kh o sát t i m t s m t cì ố ấ ả ạ ộ ố ặ ắt đặc bi t, ệ

H nh 4.6 Phân b v n t c dòng bao quanh thân tàu kh o sát t i m t s m t c t ì ố ậ ố ả ạ ộ ố ặ ắ đặc

H nh 4.7 Phân b áp suì ố ất trên bề ặt diệ m n tích thân tàu kh o sát ả 56

H nh 4.8 L c cì ự ản khí động tác động lên thân tàu khảo sát trong các tư thế tàu cân

H nh 4.9ì Hình dáng thân tàu thay đổi phần thượng tầng mũi, N1 60

H nh 4.11ì Hình dáng tàu thay đổi phần thượng tầng mũi và thượng t ng lái, N3 62 ầ

H nh 4.12ì Kích thước ch yủ ếu của thượng tầng tàu trước và sau khi thay đổi 63

H nh 4.13 Phân b áp suì ố ất và dòng bao quanh thân tàu kh o sát, N1 ả 64

H nh 4.14 Phân b áp suì ố ất và dòng bao quanh thân tàu khảo sát, N1 65 Hình 4.15 Phân bố áp su t trên bề ặấ m t thân tàu kh o sát, N1 ả 66

H nh 4.16 Phân b áp suì ố ất và dòng bao quanh thân tàu khảo sát, N2 67

H nh 4.17 Phân b áp suì ố ất và dòng bao quanh thân tàu khảo sát, N2 68 Hình 4.18 Phân bố áp su t trên bề ặấ m t thân tàu kh o sát, N2 ả 69

H nh 4.19 Phân b áp suì ố ất và dòng bao quanh thân tàu khảo sát, N3 70

H nh 4.20 Phân b áp suì ố ất và dòng bao quanh thân tàu khảo sát, N3 71

H nh 4.21 Phân b áp suì ố ất trên bề ặ m t thân tàu kh o sát, N3 ả 72

H nh 4.22 So sánh l c cì ự ản khí động tác động lên thân tàu các m u kh o sát ẫ ả 73

6

DANH MỤC BẢNG BIỂU

B ng 2.1 V n t c gió Bopho tả ậ ố ại độ cao h = 6,0 m so v i mớ ặt nước bi n ể 23

B ng 2.3 Giá tr h s b ả ị ệ ố ổ sung kE trong khai thác tàu bi n ể 24

B ng 3.1 Thông s ả ố cơ bản c a tàu ch hàng sông s d ng trong nghiên c u ủ ở ử ụ ứ 33

B ng 3.3: Các thành ph n lả ầ ực cản khí động tác động lên thân tàu kh o sát ả 48

B ng 4.1: Các thành ph n lả ầ ực cản khí động tác động lên thân tàu kh o sát ả 58

B ng 4.2: So sánh các thành ph n lả ầ ực cản khí động tác động lên thân tàu kh o sát ả

với trường h p tàu ợ ở tư thế cân bằng, góc ngóc mũi 0 độ 58

B ng 4.3: Các thành ph n lả ầ ực cản tác động lên các m u tàu kh o sát ẫ ả 74

B ng 4.4: So sánh các thành ph n lả ầ ực cản khí động tác động lên thân tàu 74

7

MỞ ĐẦU

1 Tính cấ p thi t c ế ủa đề tài

Nghiên c u, ứ phân tích, đánh giá và hiểu rõ chuyển động của tàu hay tương tác giữa dòng chảy và thân tàu, hay bi n thiên các yế ế ố tác động lên tàu nhưu t nhi t ệ

độ, áp su t, v n t c c a các v t th chuyấ ậ ố ủ ậ ể ển động trong môi trường ch t l ng vấ ỏ là n ấ

đề quan tr ng trong th c t tính toán thi t k tọ ự ế ế ế ối ưu sản phẩm để mang l i hi u qu ạ ệ ảkinh t cao nh t Có th k ra mế ấ ể ể ột ốs ví d ụ như máy bay chuyển động trong môi trường không khí, tàu th y chuyủ ển động trong môi trường nước và không khí, các dòng khí chuyển động trong h th ng làm mát, d u nh t, hóa ch t trong các ng d n ệ ố ầ ớ ấ ố ẫhay b ể chứa Các thu c tính c a dòng ộ ủ chấ ỏt l ng có th nhể ận đượ ừ ếc t k t qu ả thực nghi m hay k t qu c a các l i gi lý thuy t t các h ệ ế ả ủ ờ ải ế ừ ệ phương trình toán học Tuy nhiên trong quá trình th c hiự ện đó còn có nhiều nh ng vữ ấn đề khó khan nhất định

S dử ụng phương pháp lý thuy t k t h p vế ế ợ ới tính toán mô ph ng s CFD ỏ ố(Computational Fluid Dynamics) là phương pháp có th gi i quyể ả ết được các bài toán t ừ đơn giản đến phức tạ đây là phương pháp khá hữp, u ích tr giúp cho các nhà ợnghiên c u hi n nay trong viứ ệ ệc giải quyết các bài toán k thu t [14, 15] ỹ ậ

Trong th c t nghiên c u thi t k và c i ti n thi t k ự ế ứ ế ế ả ế ế ế cho đội tàu ch hàng, ờ

vấn đề ử ụ s d ng công c tính toán mô ph ng s nh m gi m b t chi phí th c hiụ ỏ ố ằ ả ớ ự ện cũng như nâng cao hiệu qu th c hiả ự ện đã trở nên c n thi t Vi c ng d ng công c ầ ế ệ ứ ụ ụCFD có th giúp gi m b t mô hình th c nghi m, ti t kiể ả ớ ự ệ ế ệm được chi phí ch t o mô ế ạhình, s d ng CFD giúp nhà thi t k ử ụ ế ế có được các hình nh tr c quan chuyả ự ển động

và tương tác giữa dòng ch y và thân tàu tả ốt hơn [1, 2, 3, 4, 5] ng d ng công c Ứ ụ ụ

mô ph ng s trong nghiên c u gi m l c c n, nâng cao hi u qu khai thác v n t i tàu ỏ ố ứ ả ự ả ệ ả ậ ả

là m t trong nh ng vộ ữ ấn đề đã và đang ầc n thiết được gi i quy T , v i nh ng ả ết ừ đó ớ ữyêu cầu đặt ra cho các nhà nghiên c u ứ thiết k nhế ằm làm giảm được ựl c c n tác ả

động lên tàu, góp ph n nâng cao hi u qua khai thác tàu Tác gi th c hiầ ệ ả ự ện đề tài

luận văn :

“Ứng d ng CFD nghiên c u gi m l c cụ ứ ả ự ản khí động tác động lên tàu ch ở

hàng sông “

8

2 Mục đích nghiên cứu, đ i tưố ợng và ph m vi nghiên c u ạ ứ

Trong luận văn này, tác giả th c hi n vi c tính toán l c cự ệ ệ ự ản khí động tác

động lên thân tàu ch hàng sông, thông qua s d ng công c CFD, ở ử ụ ụ trên cơ sở phân tích kết qu tính toán mô ph ng s ả ỏ ố thu được nhằm đưa ra một số ả gi i pháp làm giảm

l c cự ản khí động tác động lên tàu, cũng như những khuyến cáo cho vi c khai thác ệ

s d ng tàu nhử ụ ằm đạt hi u qu kinh t cao nh t thông qua vi c gi m l c c n khí ệ ả ế ấ ệ ả ự ảđộng

Thực hi n s d ng công c tính toán mô ph ng s CFD, l m bệ ử ụ ụ ỏ ố ắ ắt được quy trình và trình t ự các bước trong vi c s dệ ử ụng phương pháp tính toán động l c hự ọc chất lỏng CFD th c hi n tính toán mô ph ng lự ệ ỏ ực cả khí độn ng tác động lên thân tàu

Ứng d ng công c mô ph ng s CFD, th c hi n mô ph ng l c c n ụ ụ ỏ ố ự ệ ỏ ự ả khí động tác động lên thân tàu ch hàng sông ở Trên cơ sở phân tích k t qu nghiên c u và ế ả ứtính toán mô ph ng s CFD v i m u tàu nguyên b n, tác gi ỏ ố ớ ẫ ả ả đưa ra mộ ốt s biện pháp nh m làm gi m l c c n ằ ả ự ả khí động tác động lên thân tàu chở hàng sông, góp

ph n nâng cao hi u qu kinh t khai thác tàu ầ ệ ả ế

Đối tượng nghiên c u c a luứ ủ ận văn là ạlo i tàu ch ở hàng sông đặc thù trên tuy n sông mi n bế ề ắc nước ta, lo i tàu hàng sông v i t i tr ng t 200 ạ ớ ả ọ ừ đến 1000 t n ấTác gi nghiên c u, kh o sát ả ứ ả các đặc tính khí động l c hự ọc ủc a ph n thân tàu trên ầ

mặt nước thông qua mô ph ng s CFD T vi c phân tích các k t qu mô ph ng s ỏ ố ừ ệ ế ả ỏ ốCFD l c cự ản gió và các đặc tính khí động thân tàu, tác gi ả đưa ra mộ ố ệt s bi n pháp

cải tiến nh m làm giằ ảm lực cản gió tác động lên tàu

3 Phương pháp nghiên c u trong luứ ận văn

Trong luận văn này, tác giả ử ụng phương pháp nghiên cứ s d u tính toán lý thuy t k t h p v i mô ph ng s CFD Thông qua viế ế ợ ớ ỏ ố ệc so sánh đánh giá kết qu t ả ừcác nghiên cứu đã có sẵn, lý thuy t tính toán theo các công th c kinh nghi m và kế ứ ệ ết

qu mô ph ng s tác gi ả ỏ ố ả đưa ra các tính toán phù hợp có độ tin c y nhậ ất trong điều

ki n nghiên c u hi n nay ệ ứ ệ

9

4 Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp của tác gi ả

Trong luận văn này, tác giả ậ t p trung nghiên c u ng d ng công c tính toán ứ ứ ụ ụ

mô ph ng s CFD trong tính toán l c cỏ ố ự ản khí động tác động lên thân tàu ch hàng ởsông t i ph n trên mạ ầ ặt nước Đồng th i thông qua viờ ệc phân tích các phương pháp,

gi i pháp làm gi m l c c n tàu th y, tác gi t p trung nghiên c u các gi i pháp ả ả ự ả ủ ả ậ ứ ả

nh m làm gi m l c cằ ả ự ản khí động tác động lên thân tàu ch hàng sông nghiên c uở ứ Bên cạnh đó, tác giả đi nghiên cứu các phương pháp, công cụ thực hi n nghiên cệ ứu

gi m l c c n hi n tả ự ả ệ ại đang sử ụ d ng T ừ đó tác giả nghiên c u tính toán l c c n tàu ứ ự ảthủy bằng phương pháp sử ụ d ng công c mô ph ng s CFD Thông qua vi c s ụ ỏ ố ệ ử

d ng công c mô ph ng s , tác gi ụ ụ ỏ ố ả thực hi n khệ ảo sát các đặc tính khí động l c hự ọc tác d ng lên thân tàu hàng ụ sông Từ các phân tích k t qu , tác gi ế ả ả đưa ra mộ ố ải t s gipháp nh m gi m lằ ả ực cả khí độn ng tác động lên tàu

Thông qua các k t qu v s d ng CFD th c hi n tính toán kh o sát l c c n ế ả ề ử ụ ự ệ ả ự ảkhí động tác động lên tàu, các bi n pháp nh m gi m l c c n ệ ằ ả ự ả khí động tác động lên tàuhàng sông được đề xuất thực hiện

Luận văn này có thể ử ụ s d ng làm các tài li u ph c v cho vi c nghiên c u ệ ụ ụ ệ ứtính toán l c c n ự ả khí động tác động lên tàu chở hàng nói chung, s d ng làm các tài ử ụliệu tra c u v s ứ ề ự ảnh hưởng c a l c c n khí độủ ự ả ng n quá trình khai thác tàu và đếcũng là tài liệu tham kh o cho các nhà khai thác s d ng tàu trong khai thác ả ử ụ tàu để

nhằm có được ệhi u qu kinh t khai thác tàu cao nh ả ế ất

10

GIẢM LỰC CẢN TÁC ĐỘNG LÊN THÂN TÀU

1.1 Lực cản tàu thủy

Trong chuyển động c a tàu thủ ủy, thân tàu được phân thành hai ph n: một ầ

ph n thân trên ti p xúc và chuyầ ế ển động trong môi trường không khí với tác động

c a gió; phủ ần thân dưới ti p xúc vế ới nước chịu tác động của nước, dòng ch y và ảsóng nước Chuyển động c a thân tàu trủ ong môi trường ch t l ng bao g m c ấ ỏ ồ ả nước

và không khí, khi đó ề ặ ỏb m t v tàu ti p xúc vế ới môi trường bao quanh nó, di n tích ệ

v tàu ti p xúc vỏ ế ới môi trường nước g i là diọ ện tích ướt, ph n trên mầ ớn nước ti p ếxúc v i không khí và b m t này s ớ ề ặ ẽ chịu tác động c a các lủ ực khí động do môi trường gây ra L c cự ản tác động lên thân tàu là toàn b các thành ph n l c gây c n ộ ầ ự ảtrở chuyển động c a tàu trong quá trình di chuy n L c c n t ng c ng bao g m c ủ ể ự ả ổ ộ ồ ả

ph n l c c n gây ra do phầ ự ả ần thân tàu dưới nước và l c cự ản tác động lên ph n thân ầtàu phía trên mặt nư c [6, 7, 14, 15] ớ

Trong th c t viự ế ệc xác định các thành ph n l c cầ ự ản tác động lên thân tàu có

th thể ực hiện được theo các cách khác nhau như: tính toán lý thuyết, th nghi m mô ử ệhình tàu trong b ể thử Trong đó, các thành phầ ựn l c cản thường được tách ra thành hai ph n riêng bi t g m: ph n l c cầ ệ ồ ầ ự ản dưới nước và ph n l c cầ ự ản khí động do tác

động c a gió lên ph n thân phía trên mủ ầ ặt nước c a tàu Th c t rủ ự ế ất khó để xác định

hoặc đo lường m t cách tr c ti p và chính xác các thành ph n l c c n khác nhau tác ộ ự ế ầ ự ảđộng lên thân tàu này Ki n th c v tính toán l c c n ế ứ ề ự ả tác động lên tàu thường được thu th p và xây d ng t ậ ự ừ thử nghi m trên các mô hình tàu ho c thông qua tính toán ệ ặ

mô ph ng lý thuy t [9, 10, 11, 12, 13] Viỏ ế ệc xác định l c c n c a tàu trong môi ự ả ủtrường nước thường phân tích trên các thành ph n l c cầ ự ản độ ập, sơ đồc l các thành

ph n l c cầ ự ản như sau:

c a c a hình dáng thân tàu càng nh ủ ủ ỏ thì ựl c c n nh t hả ớ ầu như hoàn toàn là ựl c c n ả

ma sát L c c n ma sát ch u ự ả ị ảnh hưởng độ cong d c và ngang thân tàu ọ

L c c n hình dáng Rự ả V: sinh ra bởi ảnh hưởng c a lủ ớp biên đối v i quy luớ ật phân b áp su t trên thân tàu, nó ph ố ấ ụ thuộc vào các d ng tách l p biên, mà hi n ạ ớ ệtượng này lại ảnh hưởng b i hình dáng thân tàu N u hình dáng thân tàu càng khó ở ếthoát nước thành ph n l c c n này càng l n ầ ự ả ớ

L c c n sóng Rự ả w: Khi tàu chuyển động trên m t thoáng c a ch t l ng tr ng ặ ủ ấ ỏ ọ

lực sẽ sinh ra sóng (sóng bản thân), sóng đó sinh ra ựl c c n sóng L c c n sóng càng ả ự ả

l n khi v n t c tàu càng l n ớ ậ ố ớ

L c c n toàn b cự ả ộ ủa tàu được xác định là t ng cổ ủa ựl c c n ma sát Rả F và l c ựcản dư Rr và các thành ph n l c c n b ầ ự ả ổ sung:

RT = RF + RR + RA (1.1)

1.2 Hiệu quả kinh tế khai thác tàu và vấn đề giảm lực cản

Trong vấn đề khai thác v n t i nói chung và v n tậ ả ậ ải đường thu nói riêng ỷHiệu qu kinh t ả ế khai thác tàu được đánh giá đựa trên vấn đề chi phí tiêu hao cho toàn b quá trình vộ ận hành và khai thác tàu Trong đó, chi phí nhiên li u tiêu hao ệchậy tàu chi m ph n l n trong t ng chi phí khai thác cế ầ ớ ổ ủa tàu Lượng nhiên li u tiêu ệ

12

hao dầu đốt trên tàu này có th ể tính toán được theo l ng chiượ ếm nước và công suất

c a t ng lo i tàu Có th l y m t ví d v ủ ừ ạ ể ấ ộ ụ ề lượng tiêu hao nhiên li u c a m t chiệ ủ ộ ếc phà như sau: Chi phí nhiên li u cho m t chi c phà l n ch y liên t c 20 gi /ngày ệ ộ ế ớ ạ ụ ờtrong một năm có thể lên đến hàng triệu đôla Ở nước ta, trung bình m t chuy n ộ ế tàu

đi ểbi n (kho ng 30 ngày) c a mộả ủ t tàu cá c l n (chi u dài trên 24 mét) chi phí nhiên ỡ ớ ềliệu (dầu đốt) kho ng t vài chả ừ ục đến hơn trăm triệu đồng, con s trên là khá l n so ố ớ

v i kh ớ ả năng kinh tế ủa ngư dân nướ c c ta hi n nay Do v y, gi m m t ệ ậ ả ộ lượng nh dù ỏ

là m t vài phộ ần trăm tiêu thụ nhiên liệu trên tàu cũng có ý nghĩa rấ ớt l n trong vấn đề

ti t kiế ệm chi phí v n hành khai thác c a tàu trong c ậ ủ ả năm Dưới đây là một số yế ốu t quan tr ng nhọ ất ảnh hưởng đến m c tiêu th trên tàu: ứ ụ

- M t s thông s chính cộ ố ố ủa tàu như: hình dạng v tàu, khỏ ối lượng tàu, loại động cơ, chân vịt…

- Loại tàu s d ng khai thác trong vùng hoử ụ ạt động đặc thù hay th c hi n các chự ệ ức năng nhiệm v c thù khác nhau ụ đặ

- Kết cấu vận hành và khai thác đi kèm theo trên tàu

- Vật liệ , đặc thù củu a loại tàu

- S ố lượng máy chính

- Tốc độ tàu, dải vậ ốc khai thác tàu.n t

- Dòng chảy, sóng, gió (hướng và lực tác động)

- Điều ki n khai thác t ệ ự nhiên tác động lên thân tàu thay đổi như thế nào Trong mỗi trường h p c th có th có các yế ố ầợ ụ ể ể u t c n ph i k n trong tính toán l c c n tác ả ể đế ự ả

động lên thân tàu nhất định

- Mớn nước của tàu (ph ụ thuộc vào lượng hàng hóa) S ự thay đổi chi u chìm cề ủa tàu theo điều ki n khai thác s d ng tàu Tùy thu c vào đi u ki n lu ng l ch trong ệ ử ụ ộ ề ệ ồ ạtuy n v n tế ậ ải của tàu

M t s bi n pháp k thuộ ố ệ ỹ ật được đưa ra nhằm đạt được hi u qu trong việ ả ệc

giảm lượng tiêu th nhiên li u trên tàu ụ ệ như sau:

13

Hình 1.1 M ột số biệ n pháp gi m tiêu hao nhiên li u cho tàu ả ệ

Nhìn chung h u h t các biầ ế ện pháp đều t p trung vào vi c gi m l c kéo nói ậ ệ ả ựcách khác là giảm ựl c c n c a tàu và m t s bi n pháp khác c g ng c i thi n hi u ả ủ ộ ố ệ ố ắ ả ệ ệ

qu c a các thi t b y tàu và v n hành tàu T ả ủ ế ị đẩ ậ ừ đó giúp giảm được lượng nhiên li u ệtiêu thụ ch y tàu c n thi ạ ầ ết

1.3 Một số biện pháp giảm lực cản tác động lên tàu

Khi tàu ch y, hạ ầu như toàn bộ năng lượng sinh ra t ừ thiế ị đẩt b y tàu tiêu hao cho l c c n ự ả tác động lên thân tàu Các thành ph n l c c n ch y u bao g m l c c n ầ ự ả ủ ế ồ ự ả

nh t, l c c n ma sát gi a thân tàu và ch t l ng bao quanh, l c c n sóng, l c c n khí ớ ự ả ữ ấ ỏ ự ả ự ảđộng tác động lên tàu Do v y, vi c nghiên c u gi m các thành ph n l c c n trên có ậ ệ ứ ả ầ ự ả

ý nghĩa quan tr ng trong vi c gi m tiêu hao nhiên li u t ọ ệ ả ệ ừ đó giảm được chi phí v n ậhành tăng hiệu qu khai thác c a tàu, giả ủ ảm lượng khí thải ra môi trường [9, 10, 13]

14

Trong lĩnh vực nghiên c u gi m l c c n tàu th y, có th ứ ả ự ả ủ ể được phân chia thành các m ng nghiên c u l n g m: nghiên c u gi m l c cả ứ ớ ồ ứ ả ự ản do nước tác động vào thân tàu gây ra bao gồm ệvi c nghiên c u giứ ảm ựl c c n nh t và l c c n sóng tác ả ớ ự ả

động lên tàu Nghiên c u gi m l c cứ ả ự ản khí động hay l c cự ản gió tác động lên tàu

L c c n nhự ả ớt đóng vai trò chính trong tổng l c c n c a tàu, nh ng v t chìm hoàn ự ả ủ ở ữ ậtoàn hầu như chỉ có ựl c c n nh t V y vi c tìm các bi n pháp giả ớ ậ ệ ệ ảm ựl c c n nh t là ả ớđiều quan trọng Đố ới v i các v t th d ậ ể ễ thoát nước chú ý n vi c gi m l c c n ma đế ệ ả ự ảsát vì thành ph n l c c n hình dáng không lầ ự ả ớn Còn đối v i các v t th khó thoát ớ ậ ểnước ph i gi m l c cả ả ự ản hình dáng Để ả gi m l c c n nh t ph i giự ả ớ ả ảm độ nhám chung

và độ nhám c c bụ ộ, đặc biệt là độ nhám do việc quét sơn, phòng chống rêu hà bám

và độ ăn mòn, áp dụng các d ng tàu tránh hiạ ện tượng tách l p biên M t s bi n ớ ộ ố ệpháp công ngh giệ ảm ựl c cản đang được nghiên c u và áp d ng hi n nay trên tàu ứ ụ ệnhư sau:

Làm s ch v ạ ỏ tàu giúp gi m l c c n ma sát thân tàu ả ự ả : bi n pháp này có th áp ệ ể

d ng cho t t c các lo i tàu b t k ki u loụ ấ ả ạ ấ ể ể ại, kích thước và công d ng khai thác ụNgay sau khi xuất xưởng, v tàu, bánh lái, chân v t và các ph n khác cỏ ị ầ ần được gi ữ

s ch Tuy nhiên theo th i gian, các b ph n này s b bám b n do t o, hàu và các ạ ờ ộ ậ ẽ ị ẩ ảloài khác làm cho tàu khó khăn khi chạy ở ốc độ định trước do gia tăng ự t l c c n ma ảsát và làm tăng lượng tiêu hao nhiên li u Vi c làm sệ ệ ạch định k s c i thiỳ ẽ ả ện được tình tr ng này, nạ ếu như không thể đưa tàu lên triền đà hoặc vào ụ thường xuyên,

vi c làm s ch chân v t b ng ệ ạ ị ằ thợ ặn cũng tỏ l ra có hi u qu nhệ ả ấ ịt đ nh

Hình 1 2 Làm sạch vỏ tàu để ả l gi m ực cả n ma sát cho tàu

15

S d ng v t li u ph ử ụ ậ ệ ủ Polyme: b m t v ề ặ ỏ tàu được phun ph m t l p mủ ộ ớ ỏng Polyme để ả gi m l c c n c a tàu Trong su t ba th p k qua r t nhi u bài báo trình ự ả ủ ố ậ ỷ ấ ềbày nghiên c u v s d ng Polyme trong viứ ề ử ụ ệc ựl c c n tàu, các nghiên c u ch ra ả ứ ỉ

r ng các phân t Polime b ằ ử ị kéo căng trong lớp biên r i b i dòng ch y k t qu làm ố ở ả ế ảtăng độ nh t c c b ớ ụ ộ đã làm giảm l c c n chung trên toàn b b mặự ả ộ ề t v tàu, nh ng ỏ ữnghiên c u gứ ần đây đã cho thấy các phân t ử Polyme còn có tác động vào s phân b ự ốxoáy trong dòng ch y t ả ừ đó làm giảm độ ố r i trong dòng chảy

Bôi trơn bọt khí: phun b t khí, t o khoang khí và t o l p màng khí là ba cách ọ ạ ạ ớthức của phương pháp bôi trơn bọt khí b ng cách phun khí t o l p ph không th m ằ ạ ớ ủ ấnước C ả ba phương pháp đều đã chứng mình là có kh ả năng giảm một lượng l c ự

c n cho tàu m t cách hi u qu Hi u qu giả ộ ệ ả ệ ả ảm ựl c c n trong vả ấn đề này là công suất đẩy tàu đã giảm nhiều hơn so với công su t c a h th ng c p khí Qua các th ấ ủ ệ ố ấ ửnghiệm phương pháp này cho việc gi m l c cả ự ản đạt trên 5%, phương pháp này rất

có tiềm năng trong việc gi m công su t cả ấ ủa động cơ hoặc có th nâng cao v n tể ậ ốc cho tàu v i công suớ ất không đổi S d ng bi n pháp t o khoang khí phù h p v i các ử ụ ệ ạ ợ ớtàu ch y v i m t tạ ớ ộ ốc độ ít thay đổi, vì biện pháp này đạt hi u qu cao nhệ ả ất ở một

ph m vi v n tạ ậ ốc rấ ẹt h p

C i ti n hình dáng tàu: ả ế Những tàu béo l c c n hình dáng sinh ra do hi n ự ả ệtượng tách l p biên phớ ở ần đuôi tàu và thành phầ ựn l c cản này đóng vai trò chính trong l c c n nh tự ả ớ Để ả gi m b t chi u dài phớ ề ần tách biên người ta có th dùng cánh ể

có dộ dang bé và đặt nó vuông góc v i v ớ ỏ bao phía trước vùng d ki n tách l p biên ự ế ớ

16

Hình 1.3 C ải tiến hình dáng thân tàu để ả gi m s ự tách dòng phía sau tàu

Dưới đây là mộ ốt s ví d trong vi c c i ti n hình dụ ệ ả ế ạng tàu để gi m s t o ả ự ạxoáy sau đuôi tàu do hiện tượng tách l p biên: ớ

17

Hình 1.4 C ải tiế n ph ần dòng ra sau đ uôi tàu và ng bao tr c chân v t ố ụ ị

Hình 1 5 C ải tiế n vây gi ả m l ắ c theo d ng sóng trên tàu ạ

18

Hình 1.6 C ải tiế n bánh lái theo d ạng khí độ ng h c ọ tương thích vớ i chân v t ị

Hình 1 7 T ối ưu hình dáng bánh lái tàu giúp cải thiệ ực đẩ n l y tàu và gi ả m c ản

19

Hình 1 8 Thay đổ i ky đ chân vị ỡ t bánh lái tàu nh ằ m gi m l ả ực cản

Giảm l c c n sóng: L c c n sóng Rự ả ự ả W c a tàu ch y u ph ủ ủ ế ụ thuộc vào s Fố r và hình dáng thân tàu Vi c gi m s Fệ ả ố r không ph i là giả ảm ựl c cản sóng theo hướng tích c c, tuy nhiên nhiự ều trường h p khi gi m s Fợ ả ố r có th ể đạt ưu thế ề ự v l c cản sóng và đưa chuyển động vào vùng t c đ có l i ố ộ ợ

Hình 1.9 Nguyên lý h ệ thống đệ m khí trên tàu

20

Việc thay đổ ối s Fr theo hướng có l i khi gi nguyên tợ ữ ốc độ chuyển động bằng cách thay đổi chi u dài tàu Vi c giề ệ ảm đột ng t ho c tri t tiêu hoàn toàn l c ộ ặ ệ ự

cản sóng khi đưa chuyển động vào s Fố r > 1.0, các ch này là ch nế độ ế độ ổi tĩnh

b ng ch ằ ế độ lướt, hay nói cách khác là dùng tàu cánh ngầm hoặc tàu đệm khí

Một cách khác để giảm ựl c c n sóng ta dùng thi t b giao thoa: Nguyên lý ả ế ị

giảm ựl c cản sóng khi mũi tàu có dạng qu lê có th ả ể thấy d a trên nguyên lý triự ệt tiêu sóng t i do sóng t sinh ra t các hình d ng thích hớ ự ừ ạ ợp trên tàu như hình dạng mũi quả lê

Hình 1.1 0 Nguyên lý giả l c c n sóng c m ự ả ủa mũi quả lê

Sóng sinh ra khi tàu chạy

Hình 1.1 1 Tàu cá mũi quả lê được sử ụ d ng nh ằ m gi m l ả ực cản sóng

Trong luận văn này, tác giả ậ t p trung nghiên c u ng d ng công c tính mô ứ ứ ụ ụ

ph ng s ỏ ố CFD để thực hi n việ ệc tính toán l c c n ự ả khí động tác động lên tàu chởhàng sông Thông qua đó có t ểh giúp ng dứ ụng để tính toán gi m l c c n cho tàu ả ự ảnói chung và tàu ch hàng sông nói riêng ở

22

2.1 Cơ sở lý thuyết tính toán lực cản tác động lên thân tàu

Trong th c t , ự ế việc tính toán l c c n theo lý thuyự ả ết được th c hi n d a trên ự ệ ự

cơ sở lý thuy t dòng ch y bao, thế ả ủy động l c h c ch t lự ọ ấ ỏng Theo đó lực c n tác ảđộng lên tàu được tính toán theo động năng của dòng chảy khi tương tác với thành

r n thân tàu [6, 9, 10, 11, 12, 13] Theo nguyên lý l c c n và l c nâng có th tính ắ ự ả ự ểtoán lực cản tác động lên tàu theo công thức như sau:

2

1

2

-  l khà ối lượng riêng không kh (í kg/m 3)

- V A l v n t c cà ậ ố ủa dòng kh bao quanh t u Ph í à ụ thuộc v n t c t u v v n tậ ố à à ậ ốc tuyệ ốt đ i của gió VB

H nh 2.1 ì Sơ đồ phân tích l ực ản khí độ c ng tác động lên tàu và hướ ng gió

Trong đó:

- α1 l gà óc tạo bởi VA v Và B

- α2 l g c t o b i Và ó ạ ở A v i m t phớ ặ ng đố i x ng c a t u Khi t u chuyứ ủ à à ển động xuôi gi : ó thì α1 = 1800

- β1 l gà óc tạo b i lở ực khí độ ng RAA v i mớ ặt ph ng đối xứng của tàu

- C ó thể ác đị x nh VA b ng mằ áy đo gió C p gi ấ ó được phân th nh 12 c p gi à ấ óBopho dựa theo k t quả ủế c a c c khụ í tượng thu ỷvăn Liên Xô

B ng 2.1 V n t c gió Bopho t ả ậ ố ại độ cao h = 6,0 m so v ới mặ t nư c biể ớ n

C ấp gió V ận tốc gió (m/s) C ấp gió V ận tốc gió (m/s)

24

6

ln(500 ) ln(3000)

Với tàu vậ ải, tuỳ thuộc hình dáng phần t n khô và v n tậ ốc:

RAA = (0,015 ÷0,03).Rx Khi không c gi Ró ó thì AAthường không l n Khi có gió và ớngược gió c p 4, c p 5, trên các tàu v n t i: Rấ ấ ậ ả AA = (0,10÷0,15) Rx

Ở nh ng tàu cao t c Rữ ố AA có tr s ị ố đáng k ngay c khi không có gió ể ả

H s l c c n b ệ ố ự ả ổ sung Cd (hoặc kE ), ph ụ thuộc điều ki n khai thác tàu: khí ệ tượng thủy văn, trạng thái b m t ngoài c a phần thân tàu ngâm nước ề ặ ủ

B ng 2.3 ả Giá trị ệ ố ổ sung k h s b E trong khai thác tàu bi n ể

Loại tàu Trọng tải DWG, t H s kệ ố E (C d )

2.2 Phương pháp tính to án lực cản tác động lên thân tàu

Trong nghiên c u và thi t k tàu, vi c thứ ế ế ệ ực ệhi n tính toán l c cự ản tác động lên thân tàu nói chung được th c hi n theo m t trong những phương pháp như sau: ự ệ ộ

25

- Tính toán theo lý thuy t thu n túy: d a trên nhế ầ ự ững căn cứ là các tài li u tính ệtoán l c cự ản tác động lên thân tàu, các nhà thi t k s ế ế ẽ thực hi n quá trình tính ệtoán l c cự ản tác động lên tàu c n thi t Nh ng tài liầ ế ữ ệu căn cứ thực hi n tính ệtoán l c cự ản tác động lên thân tàu có th là các tài li u lý thuy t thể ệ ế ủy động

l c hự ọc, cơ học, các tài liệu hướng d n hay s tay tính toán thi t k ẫ ổ ế ế tàu được các t ổ chức uy tín xu t bấ ản Trong phương pháp tính toán lý thuyết này,

nh ng công th c, bi u th c s d ng trong tính toán có th là nh ng công ữ ứ ể ứ ử ụ ể ữthực kinh nghiệm được đúc kế ừt t quá trình th nghiử ệm mô hình tàu được đề

xuất sử ụ d ng

- Thử nghiệm mô hình tàu để xác nh l c cđị ự ản tác động lên thân tàu Trên cơ

s ở thiế ế sơ bộ hình dáng tàu, mô hình tàu đượt k c ch t o phù h p vế ạ ợ ới điều

ki n th nghi m và th c hi n quá trình th c nghiệ ử ệ ự ệ ự ệm để xác định l c c n tác ự ảđộng lên thân tàu Phương pháp này, đòi hỏi cơ sở ự th c hi n thi t k ph i có ệ ế ế ả

b ể thử tàu để thực hiện Theo phương pháp này, đòi hỏ ầi c n có quá trình th c ự

hi n nghiên c u ch t o mô hình tàu, vi c th c hi n ch t o mô hình tàu có ệ ứ ế ạ ệ ự ệ ế ạthể ph i th c hi n nhi u lả ự ệ ề ần để đạt được mục đích xác định l c cự ản tác động lên thân tàu Chính vì vậy theo phương pháp này có thể ph i ch u t n kém ả ị ốkhá nhi u cho quá trình th c hi n ch t o mô hình tàu và chi phí th nghiề ự ệ ế ạ ử ệm

mô hình

- Bên cạnh các phương pháp thực hiện trên thì phương pháp tính toán lý thuyết

k t h p mô ph ng s CFD hiế ợ ỏ ố ện nay đang được nhi u nhà nghiên c u, thiề ứ ết

k tàu s d ng Mô ph ng s có chế ử ụ ỏ ố ất lượng t t có th ố ể được coi gần như là làm thí nghiệm ảo trên máy tính Bằng mô hình và phương pháp mô phỏng thích h p s cho ra k t qu g n gi ng v i th c hi n trên mô hình tàu ợ ẽ ế ả ầ ố ớ ự ệ trong phòng thí nghi m Vi c mô ph ng s ệ ệ ỏ ẽ thực hi n chuyệ ển hệ ậ v t lý thành h các ệphương trình cơ bản và sau đó xác lập thành m t mô hình toán h c g m h ộ ọ ồ ệcác phương trình xấp x ỉ được gi i tr c ti p ho c bả ự ế ặ ằng phương pháp lặp, sau

đó phân tích sự ộ ụ h i t , tính chính xác và đánh giá sai số để xem xét tính hi u ệ

26

qu cả ủa phương pháp số Theo đó, phương pháp thự c hi n này có th giúp ệ ể

gi m bả ớt được rất nhi u công s c trong quá trình th nghi m mô hình tàu ề ứ ử ệ

2.3 Quy trình thực hiện một bài toán mô phỏng CFD

Trong các bài toán th c hi n tính toán mô ph ng s ự ệ ỏ ố CFD, thông thường bài toán được th c hi n theo các quy trình gự ệ ồm các bước th c hi n ự ệ như sau:

- Thiế ế t k mô hình bài toán và x lý mô hình: ử trên cơ sở ấn đề đặ v t ra, nhà nghiên c u s ứ ẽ thực hi n vi c xây d ng mô hình bài toán phù h p v i quá ệ ệ ự ợ ớtrình tính toán mô phỏng, cũng như việc tương thích các điều ki n tính toán ệ

mô ph ng v i mô hình bài toán s ỏ ớ ẽ thực hiện Theo đó việc xác định mô hình tính toán, mi n không gian tính toán và l a chề ự ọn phương án rờ ại r c hóa miền tính toán s ẽ được thực hi n ệ

- Thiế ế t k mi ền không gian tính toán và chia lướ i: để thực hiện được quá trình tính toán mô ph ng c n thi t phỏ ầ ế ải xác định được mi n không gian tính toán ề

và th c hiự ện chia lưới cho miền không gian tính toán đã xác định theo yêu

c u c n tính toán Quá trình th c hiầ ầ ự ện chia lưới thường ph i tuân theo các ảquy định v ề kích thước gi i h n mi n không gian tính toán và chớ ạ ề ất lượng lưới chia

- Thiế ập các điề t l u ki n, thu ệ ật toán đế gi i bài toán: ả trên cơ sở đã thiết k ếđược mi n không gian tính toán, mô hình tính toán cho về ấn đề đặ t ra Ti p ếtheo nhà nghiên c u c n th c hi n quá trình thi t lứ ầ ự ệ ế ập các điều ki n tính toán ệ

và th c hi n l a ch n thu t gi i tích phân s và chự ệ ự ọ ậ ả ố ạy chương trình, giám sát quá trình th c hi n tính toán ự ệ

- X lý k t qu : ử ế ả sau khi k t thúc quá trình tính toán, vi c th c hiế ệ ự ện đánh giá

k t qu ế ả và đề xuất các thay đổi liên quan đến mô hình tính toán s đư c th c ẽ ợ ự

hi n nhệ ằm đưa ra các giải pháp cần thi t cho bài toán thế ực hiện

Trong quy trình tính toán và phương pháp tính toán mô phỏng s thư ng có ố ờ

nh ng vữ ấn đề quan trọng như sau:

M ột số phương pháp mô phỏ ng:

27

- RANS: Phương pháp trung bình Reynolds Navier-Stokes

- LES: Mô phỏng xoáy l n ớ

- DES: Mô phỏng tách xoáy

Việc gi i tr c tiả ự ếp các phương trình Navier-Stokes ch th c hiỉ ự ện được trong

những trường hợp đơn giản v i s ớ ố Reynolds tương đối th p Gi i pháp thay th là ấ ả ếchỉ quan tâm đến các đại lượng trung bình (v n t c, áp su t, nhiậ ố ấ ệt độ, …) và các phương trình kiểm tra bởi các đại lượng này Áp d ng thu t toán trung bình chung ụ ậ(RANS) cùng trung bình các phương trình chuyển động trong đó các b ến đượi c tách

r i thành: trung bình + nhiờ ễu động, cho phép tính dòng trung bình và các đại lượng đặc trưng rối (động năng rối k và t n th t rổ ấ ối ε) Phầ ớn tính toán RANS đền l u s ử

d ng mô hình khép kín bụ ậc 1 dạng k- ε

M ột số mô hình toán:

Do đặc đi m hình dáng thân tàu nên tr ng thái dòng ch y xung quanh tàu là ể ạ ảdòng ch y r i Khi có rả ố ối xảy ra làm tăng khả năng tiêu hao năng lượng, s trao đ i ự ổnhiệt… Thông thường, vi c mô t dòng rệ ả ối thường rất khó khăn bởi trong các

phương trình đặ ảc t có ch a các đ i lư ng ứ ạ ợ chưa biết Do đó, việc xây d ng các mô ựTrong đó:

(2.8)Trong đó: Gk là h ng s ằ ố thể ệ hi n s ph ự ụ thuộc c a s ủ ự hình thành năng lượng

rố ội đ ng học (k) vào sự ế bi n thiên của vậ ốc trung bình như sau:n t

29

Gb được xác định như sau:

Prt: hằng s ố Prantl, β: hệ ố s giãn n nhiở ệt môi trường;

gi: thành phần gia t c tr ng trưố ọ ờng theo phương i;

YM: Hệ ố ể ệ s th hi n s bi n thiên quá trình giãn n so vự ế ở ới giá trị trung bình:

a: vậ ốn t c âm thanh, µt: h s nhệ ố ớt rối

Các h s còn l i là các h ng s , có giá tr mệ ố ạ ằ ố ị ặc định như sau:

K t hế ợp các phương trình trên với phương trình liên tục và phương trình động lượng, ta được m t h ộ ệ phương trình khép kín để xác định trường phân b v n ố ậ

Mô hình k-ω: đây là cũng là một mô hình thường được s d ng trong mô ử ụ

ph ng bài toán 2 pha, mô hình này cho phép gi i bài toán v i dòng sát b m t vỏ ả ớ ề ặ ật thể và cho k t qu tính toán chính xác v i s Reynolds th p Mô hình tính toán k-ω ế ả ớ ố ấ

30

được chia ra thành hai d ng: d ng chu n và d ng SST (shear-stress transport) Mô ạ ạ ẩ ạhình dòng ch y r i k-ả ố ω dạng chu n tính ẩ toán đến s ự thay đổ ừi t hi u ng s ệ ứ ốReynold thấp, độ nén, và độ m r ng s ở ộ ự trượt dòng ch y, v i t l m r ng ngả ớ ỉ ệ ở ộ ẫu nhiên T l ỉ ệ trượt này có giá tr g n v i giá tr ị ầ ớ ị đo cho các hiện tượng x y ra trên ẩcánh như: bước nh y sóng, s tr n l n gi a các vùng V i mô hình tính toán d ng ả ự ộ ẫ ữ ớ ạk-ω SST, mô hình chảy rối được k t h p ch t ch gi a mô hình k-ế ợ ặ ẽ ữ ω chuẩ ạ ần n t i g

b m t và mô hình k-ề ặ ε ở phía xa b m t dòng chề ặ ảy Mô hình này ban được gi i ớthiệu bởi Saffman sau đó được phát tri n m r ng bể ở ộ ởi Wicox, phương trình ω được Wilcox đưa ra như sau:

(2.9) Trong mô hình này độ nh t r i µớ ố tđược xác định:

Ngoài ra còn một số mô hình khác cũng đư c s dợ ử ụng như:

Mô hình V 2 -f

Mô hình ứ ng su t Reynolds (RSM) ấ

Mô hình xoáy lớn (LES)

Có m t th c t là không có m t mô ộ ự ế ộ hình độ ậc l p nào có th bi u di n h t các ể ể ễ ếtính ch t c a dòng ch y r i Vi c l a ch n mô hình r i s ph ấ ủ ả ố ệ ự ọ ố ẽ ụ thuộc vào đặc điểm, tính ch t v t lý c a dòng, mấ ậ ủ ức độ yêu cầu chính xác, cơ sở tính toán và th i gian ờ

c n cho vi c mô phầ ệ ỏng… Để có được s l a ch n phù h p nh t cho m u mô hình, ự ự ọ ợ ấ ẫ

c n hi u rõ kh ầ ể ả năng và giớ ại h n c a nh ng l a ch n Tuy nhiên không th áp d ng ủ ữ ự ọ ể ụ

m t mô hình r i cho t t c các bài toán, m i mô hình r i ch cho k t qu ộ ố ấ ả ỗ ố ỉ ế ả đúng trong

m t s ộ ố trường h p nhợ ất định Điều đó đòi hỏi ta ph i n m rõ b n chả ắ ả ất cũng như trường h p áp d ng c a chúng đ ợ ụ ủ ể đưa ra những l a ch n h p lý cho t ng bài toán ự ọ ợ ừ

31

Như trên đã trình bày, đa số dòng ch y xung quanh thân tàu là dòng ch y r i ả ả ố

T t c các mô hình rấ ả ối đều xu t phát t ấ ừ hai phương trình cơ bản là phương trình bảo

toàn mômen động lượng và phương trình liên tục (phương trình bảo toàn khối lượng), như sau: Phương trình bảo toàn vi t trong h tế ệ ọa độ Descartes:

- ui, uj: các vậ ốn t c tức thời (i, j = 1, 2, 3 ph ụthuộc mô hình 2D, 3D)

Trong tính toán mô ph ng s v i công c tính toán FLUENT cung c p 3 ỏ ố ớ ụ ấphương thức gi i khác nhau: Segregated, Coupled implicit, Coupled explicit C ba ả ảphương thức giải đều cho phép tính toán v i dòng b t k Tuy nhiên trong m t s ớ ấ ỳ ộ ốtrường h p, vi c chợ ệ ọn phương thức gi i h p lý s cho k t qu ả ợ ẽ ế ả chính xác hơn Segregated giải phương trình một cách tu n t , trong khi couple ti n hành gi i mầ ự ế ả ột cách đồng th i Implicit và explicit khác nhau cách tuyờ ở ến tính hoá phương trình

để ế ti n hành giải Thông thường Couple được s d ng cho các bài toán vử ụ ới lưu chất

ở ậ ố ớn và nén đượ v n t c l c Couple cho k t qu ế ả nhanh và chính xác hơn nhưng cũng đòi hỏi b nh l n và c u hình m nh M t s d ng bài toán ch có th giộ ớ ớ ấ ạ ộ ố ạ ỉ ể ải được

b ng Segregated ằ

32

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG HỌC THÂN TÀU CHỞ

HÀNG SÔNG THÔNG QUA SỬ DỤNG CFD

3.1 Mô hình tàu hàng sông sử dụng trong nghiên cứu

Trong luận văn này, tàu ch hàng sông 350 tở ấn được s d ng ử ụ làm đối tượng nghiên c u tính toán mô phứ ỏng Trên cơ sở tính toán thi t k tàu ch hàng 350 t n, ế ế ở ấtrong ph n này tác gi gi i thiầ ả ớ ệu sơ bộ ề đặc điểm cơ bả v n c a tàu Tuy n hình tàu ủ ế

chở hàng sông s dử ụng được th hi n trên ể ệ Hình 3.1. Các thông số thi t k ủ ếế ế ch y u

của tàu được th hi n trong b ng ể ệ ả B ng 3.1 ả

Hình 3 1 Đườ ng hình dáng tàu hàng sông s d ng trong nghiên c u ử ụ ứ

33

B ng 3.1 Thông s ả ố cơ bả n c a tàu ủ chở hàng sông s d ng trong nghiên c u ử ụ ứ

34

3.2 Thiết kế miền không gian tính toán, chia lưới và đặt điều kiện biên

Để th c hi n vi c tính toán mô ph ng khự ệ ệ ỏ ảo sát đặc tính khí động h c v i ọ ớ

ph n thân trên mầ ặt nước c a tàu, c n thi t k ủ ầ ế ế miền không gian tính toán mô ph ng ỏ

s bao quanh tàu ố Trên cơ sở các tài li u ch d n th c hi n tính toán mô ph ng và ệ ỉ ẫ ự ệ ỏtham kh o nh ng tài li u nghiên cả ữ ệ ứu đã công bố [1, 2, 3, 4, 5, 14, 15] Nghiên cứu này th c hi n bài toán tính toán khự ệ ảo sát đặc tính khí động h c và tính toán l c c n ọ ự ảgió tác động lên tàu, mi n không gian khề ảo sát được thi t k v i gi i hế ế ớ ớ ạn như sau: chiều dài mi n không gian tính toán 5L, chi u r ng mi n không gian tính toán L, ề ề ộ ềchiều cao miền không gian tính toán L Trên cơ sở đo xác định được kích thước miền không gian tính toán như sau: chiều dài 200m, chi u r ng 40m và chi u cao ề ộ ề40m, mi n không gề ian tính toán được th c hi n thi t k ự ệ ế ế tương ứng cho mô hình

thực c a tàu vủ ới chiều dài 43.28m

Hình 3.3 Mi n không gian tính toán mô ph ng ề ỏ khảo sát đặc tính khí độ ng h c thân ọ

35

triệu lưới không c u trúc d ng t di n ấ ạ ứ ệ Hình 3.4 thể ệ hi n hình ảnh chia lưới mi n ềkhông gian tính toán cho bài toán khảo sát đặc tính khí động h c c a tàu ch hàng ọ ủ ởsông

Hình 3.4 Chia lướ i mi n không gian tính toán ề kh ả o sát thân tàu

36

Lưới sau khi tinh chỉnh đạt yêu c u s ầ ẽ được lưu dướ ạng file mesh đểi d ph c ụ

v vi c tính toán Ti p theo viụ ệ ế ệc chia lưới, để thực hi n tính toán, c n thi t phệ ầ ế ải thiế ập các điềt l u ki n biên cho bài toán Trong nghiên cệ ứu này, các bài toán được tiến hành v i mô hình r i k-ớ ố ε Mô hình rối k-ε là mô hình đã được nhi u nhà nghiên ề

c u khác nhau trên th gi i s dứ ế ớ ử ụng ấ, r t ph bi n trong các bài toán tính toán mô ổ ế

ph ng v i dòng 1 phaỏ ớ Trên cơ sở miền không gian tính toán và chia lưới đã thực

hi n ệ Điều ki n biên ệ được thiế ật l p cho bài toán mô ph ng s ỏ ố như sau: vân t c dòng ốkhí vào được th c hi n trong d i v n tự ệ ả ậ ốc tương ứng v i c p gió t cớ ấ ừ ấp 1 đến c p 5 ấ

v i d i Reynold trong kho ng t 6x10ớ ả ả ừ 6 n 2.2x10đế 7 nhiệt độ môi trường đượ ấy c l

là 27oC tương đương với 300oK; áp su t tấ ại đầu ra được đặ ằt b ng áp su t khí quy n ấ ể1.025 at; khối lượng riêng c a không khí lủ ấy ρ=1.225 kg/m3, h s nh t không khí ệ ố ớ

là 1.7894x10-5 kg/(ms) Các thông s ố đầu vào được th hi n chi ti t trong B ng 3.2 ể ệ ế ảdưới đây

B ng 3.2 ả Thiết lậ điề p u ki n tính toán mô ph ng ệ ỏ

Thông số Điều ki n ệ Thông số Đơn vị

37

3.3 Quá trình thực hiện tính toán mô phỏng

Trong các bài toán s d ng công c tính toán mô ph ng s ử ụ ụ ỏ ố CFD đều thực

hi n quá trình gi bài toán ệ ải theo các bước như sau: Đặt vấn đề, Gi i quy t vả ế ấn đề và Đánh giá kết qu ả

a) Đặt vấn đề

T nhu c u th c ti n c n gi i quy t các vừ ầ ự ễ ầ ả ế ấn đề mà chúng ta đặt ra vấn đề cho bài toán c a mình, t ủ ừ đó đi tìm lời gi i cho chúng Ví d v bài toán mô ph ng CFD ả ụ ề ỏcho một con tàu, người thi t k c n tính toán m t s thông s ế ế ầ ộ ố ố liên quan đến các v n ấ

đề mà con tàu s g p ph i khi chẽ ặ ả ạy như hệ ố s ma sát, h s c n, h s ệ ố ả ệ ố đàn hồ ủi c a

v t liậ ệu, độ ền Ngườ b i thi t k t ra câu h i, v i d ng hình hế ế đặ ỏ ớ ạ ọc như trong bản thiế ế thì đã tối ưu chưa? ứt k ng suất sinh ra có vượt quá gi i h n cho phép không? ớ ạ

có đảm bảo độ ề b n và an toàn không? T ừ đó, người thi t k cế ế ần tính toán được các thông s u vào, và c n phố đầ ầ ải tìm nhưng thông số đầ u ra nào cho bài toán CFD

c a mình ủ

b) Gi ải quyết vấn đề

Đây chính là phần quan trong nh t, nhi m v ấ ệ ụ trung tâm của bài toán CFD Nó

gồm ba giai đoạn là: Pre-Processing, Processing, và Post-Processing

Pre-Processing là giai đoạn chu n b gi i quyẩ ị để ả ết bài toán CFD, đó là xây dựng

mô hình hình h c c a v t th , r i r c hóa vọ ủ ậ ể ờ ạ ấn đề ằng các điể b m r i r c hay còn gờ ạ ọi

là các lưới điểm Phương pháp r i r c phờ ạ ải đảm bảo được các yêu c u v kh ầ ề ả năng làm vi c cệ ủa máy tính, đảm bảo độ chính xác và h i t cộ ụ ủa phương pháp tính Sau khi đã xây dựn được lưới tính toán, chúng ta ti n hành l a chế ự ọn các phương pháp tính Ở mỗi lĩnh vực c ể, CFD có các phương trình, hệ phương trình cụụ th ể đểth

gi i quy t bài toán thuả ế ộc phạm vi lĩnh vực đó Tuy nhiên các phương trình mô tả bài toán đều có d ng tích phân, ho c vi phân không tuy n tính r t ph c t p M i lo i ạ ặ ế ấ ứ ạ ỗ ạphương trình đòi hỏi nh ng thông s t i thiữ ố ố ểu, đủ để có th gi i và cho l i giể ả ờ ải, đó

là các điều kiện đầu, điều kiện biên, điều ki n khép kín ệ

38

Processing là giai đoạn tính toán được th c hi n, vự ệ ấn đề còn lại đó là can thiệp vào các đại lượng th sinh (xu t phát t t h p các biứ ấ ừ ổ ợ ến cơ sở trong h ệphương trình) Ở giai đoạn này chúng ta quyết định s d ng các gi i pháp nào cho ử ụ ảphương pháp tính để đả m bảo được một phương án tối ưu cho các yêu cầu v th i ề ờgian tính toán, kh ả năng tính toán và độ chính xác của lời gi ải

Post-Processing là giai đoạn tr c quan và x lý k t quự ử ế ả Sau khi giai đoạn Processing hoàn t t, toàn b d u cấ ộ ữ liệ ủa bài toán được ghi l i thành d u s , nh ạ ữ liệ ố ịphân, mã hóa trên c ng c a máy tính Chúng ta hoàn toàn có th x ổ ứ ủ ể ử lý chúng đểthu đượ ờc l i gi i cho bài toán c a mình ả ủ

c) Đánh giá kết quả

Phần này chúng ta so sánh k t qu vế ả ừa tìm được v i các k t qu th c nghi m và ớ ế ả ự ệ

l i gi i s hờ ả ố ọc và để làm tiêu chuẩn điều chỉnh cho phương pháp giả ủa mình Đối i c

với các bài toán đơn giản mà th c nghi m có th ự ệ ể đưa ra kết ảqu chính xác, các lời

gi i toán hả ọc cũng có kết qu chính xác thì k t qu cả ế ả ủa chúng ta cũng phải trùng

kh p ho c trong ph m vi sai s ớ ặ ạ ố chấp nhận được, n u sai s ế ố vượt quá gi i h n cho ớ ạphép thì lúc này thì chúng ta phải điều ch nh th ỉ ế nào để có k t qu ế ả chính xác nh t ấ

Đố ới v i bài toán ph c t p thì th c nghi m và l i gi i s rứ ạ ự ệ ờ ả ố ất khó khăn để đưa ra được

k t qu ế ả chính xác, CFD có ưu thế hơn ở trường h p này N u mợ ế ộ ấn đềt v ph c t p ứ ạ

mà c ả ba phương pháp trên đều không đưa ra được k t chính xác thì c ế ả ba phương

pháp cùng đi nghiên cứu sâu v mề ột đặc tính c ụ thể nào đó, CFD lấ ờy l i gi i c a hai ả ủlĩnh vực còn lại làm tiêu chí đánh giá kết qu c a mình ả ủ

V ề cơ bản, các bước gi i mả ột bài toán trên FLUENT tương tự các bước gi i mả ột bài toán trên CFD V i phiên b n FLUENT 15.0 ớ ả V trong ANSYS Các bước thực

hi n gệ ồm:

• Bước 1: Xây d ng mô hình tính toán ự

Mô hình được xây d ng trên nhi u ph n mự ề ầ ềm CAD như SOLIDWORK, CATIA, INVENTOR, AutoShip, Napa sau đó đưa vào ANSYS hoặc xây

d ng tr c ti p mô hình t các công c có sự ự ế ừ ụ ắn như Design Modeler trong ANSYS