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 TRƯƠNG NGỌC KHA TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Trương Ngọc Kha CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC ỨNG DỤNG CFD NGHIÊN CỨU GIẢM LỰC CẢN KHÍ ĐỘNG TÁC ĐỘNG LÊN TÀU CHỞ HÀNG SÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC KHĨA 2017B-MTK.KH Hà Nội - 2018 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17057204916611000000 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI H ỌC BÁCH KHOA HÀ N ỘI - Trương Ngọc Kha ỨNG DỤNG CFD NGHIÊN CỨU GIẢM LỰC CẢN KHÍ ĐỘNG TÁC ĐỘNG LÊN TÀU CHỞ HÀNG SƠNG Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGÔ VĂN HỆ Hà Nội – 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nghiên u riêng Các số li ệu tính tốn kế t trình bày luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Hà Nội, tháng năm 2018 Học viên Trương Ngọc Kha LỜI CẢM ƠN Trước tiên, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy hướng dẫn luận văn tôi, TS Ngô Văn Hệ, thầy tạo điề u ki ện tốt cho tơi hồn thành luận văn này, động viên t ận tình giúp đỡ, đưa đề nghị, dẫn để tơi hồn thành tốt chương trình học trườ ng Sự hiểu bi ết sâu sắc khoa h ọc, kinh nghiệm c thầ y tiền đề giúp tơi đạt kết q báu sở giúp tơi hồn thành luận văn Xin cám ơn Thầy cô Bộ mơn k ỹ thuật thủ y khí tàu thủy, Viện Cơ khí động lực, trường Đại học Bách khoa Hà N ội tạo điều ki ện thuận lợi cho học tập làm vi ệc Bộ môn để tiế n hành tốt luận văn Tơi xin cảm ơn bạn bè, gia đình đồng nghiệp giúp đỡ, cổ vũ động viên tơi lúc khó khăn để có th ể vượt qua hoàn thành t ốt luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Tôi xin chân thành cảm ơn! Học Viên Trương Ngọc Kha MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢ NG BIỂU .6 MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LỰC CẢN TÀU THỦY VÀ BIỆN PHÁP GIẢM LỰC CẢN TÁC ĐỘNG LÊN THÂN TÀU 10 1.1 Lực cản tàu thủ y 10 1.2 Hiệu kinh tế khai thác tàu vấn đề giảm lực cản 11 1.3 Một số biện pháp giảm lực cản tác động lên tàu .13 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYÊT VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN LỰC CẢN KHÍ ĐỘNG TÁC ĐỘNG LÊN TÀU 22 2.1 Cơ sở lý thuyết tính tốn lực cản tác động lên thân tàu 22 2.2 Phương pháp tí nh toán lực cản tác động lên thân tàu 24 2.3 Quy trình thực hiệ n tốn mơ phỏ ng CFD 26 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG HỌ C THÂN TÀU CHỞ HÀNG SÔNG THÔNG QUA SỬ DỤNG CFD 32 3.1 Mơ hình tàu hàng sông sử dụng nghiên cứu 32 3.2 Thiết kế miền khơng gian tính toán, chia lưới đặt điều kiện biên 34 3.3 Q trình thực hiệ n tính tốn mơ 37 3.4 Kết khảo sát đặc tính khí động học thân tàu chở hàng sông 40 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU GIẢM LỰ C CẢN KHÍ ĐỘNG TÁC ĐỘNG LÊN THÂN TÀU CH Ở HÀNG SÔNG 50 4.1 Ảnh hưởng tư khai thác tàu đến l ực cản khí động 50 4.2 Nghiên cứu giả m lực cản khí động tác động lên thân tàu 59 KẾT LUẬN VÀ KI ẾN NGHỊ 76 BẢNG GIẢI THÍCH TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU SỬ DỤNG 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 80 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Một số biện pháp giảm tiêu hao nhiên liệu cho tàu 13 Hình 1.2 Làm vỏ tàu để giảm lực cản ma sát cho tàu 14 Hình 1.3 Cải tiến hình dáng thân tàu để giảm tách dịng phía sau tàu 16 Hình 1.4 Cải tiến phần dịng sau tàu ống bao trục chân v ịt 17 Hình 1.5 Cải tiến vây giảm lắc theo dạng sóng tàu 17 Hình 1.6 Cải tiến bánh lái theo dạng khí động học tương thích với chân vịt 18 Hình 1.7 Tối ưu hình dáng bánh lái tàu giúp cải thiện lực đẩ y tàu gi ảm cản 18 Hình 1.9 Nguyên lý hệ thống đệ m khí tàu 19 Hình 1.10 Nguyên lý giảm lực cản sóng mũi lê 20 Hình 2.1 Sơ đồ phân tích lực cản khí động tác động lên tàu hướng gió 22 Hình 3.1 Đường hình dáng tàu hàng sơng s dụng nghiên cứu 32 Hình 3.2 Mơ hình tàu chở hàng sơng sử dụ ng tính tốn 33 Hình 3.3 Miền khơng gian tính tốn mơ khảo sát 34 Hình 3.4 Chia lưới miền khơng gian tính tốn khảo sát thân tàu 35 Hình 3.5 Thiết lập điều kiện tính tốn cơng cụ Ansys-Fluent 39 Hình 3.6 Phân bố áp suất bao quanh tàu tạ i số mặt cắt, R n=6.2x106 40 Hình 3.7 Phân bố dòng bao quanh thân tàu, t ại Rn=6.2x106 41 Hình 3.8 Phân bố áp suất bề mặt diện tích thân tàu khảo sát, t ại Rn=6.2x106 42 Hình 3.9 Phân bố áp suất bề mặt diện tích thân tàu khảo sát, t ại Rn=18.6x106 43 Hình 3.10 Phân bố dòng bao quanh thân tàu, t ại Rn=18.6x106 44 Hình 3.11 Phân bố áp suất bề mặt diệ n tích thân tàu khảo sát 45 Hình 3.12 Phân bố áp suất vùng đặc bi ệt boong tàu, R n=18.6x106 46 Hình 3.13 Phân bố áp suất bề mặt thân tàu R n=13.6x106 47 Hình 3.14 Lực cản khí động tác động lên thân tàu kh ảo sát 48 Hình 3.15 Hệ số lực cản khí động tác động lên thân tàu khảo sát 49 Hình 4.1 Mơ hình tàu sử dụng nghiên c ứu ảnh hưởng c tư tàu với góc ngóc mũi tàu độ 50 Hình 4.2 Phân bố áp suất bao quanh thân tàu khảo sát số mặt c đặc biệt, với góc ngóc mũi độ Rn=6.2x106 51 Hình 4.3 Phân bố vận tốc dịng bao quanh thân tàu khảo sát số mặt cắt đặc biệt, với góc ngóc mũi độ Rn=6.2x106 52 Hình 4.4 Phân bố áp suất bề mặt diện tích thân tàu kh ảo sát, với góc ngóc mũi độ Rn=6.2x106 53 Hình 4.5 Phân bố áp suất bao quanh thân tàu khảo sát số mặt c đặc biệt, với góc ngóc mũi độ Rn=11.2x106 54 Hình 4.6 Phân bố vận tốc dòng bao quanh thân tàu khảo sát số mặt cắt đặc biệt, với góc ngóc mũi độ Rn=11.2x106 Hình 4.7 Phân bố áp suất bề mặt diện tích thân tàu khảo sát 55 56 Hình 4.8 Lực cản khí động tác động lên thân tàu khảo sát tư tàu cân tàu có góc ngóc mũi độ 57 Hình 4.9 Hình dáng thân tàu thay đổi phần thượng tầng mũi, N1 60 Hình 4.10 Hình dáng thân tàu thay đổi phần khoang hàng, N2 61 Hình 4.11 Hình dáng tàu thay đổi phần thượ ng tầng mũi thượng tầng lái, N3 62 Hình 4.12 Kích thước chủ yếu thượng tầng tàu trước sau thay đổi 63 Hình 4.13 Phân b ố áp suất dịng bao q uanh thân tàu khảo sát, N1 64 Hình 4.14 Phân b ố áp suất dòng bao quanh thân tàu khảo sát, N1 65 Hình 4.15 Phân bố áp suất bề mặt thân tàu khảo sát, N1 66 Hình 4.16 Phân b ố áp suất dịng bao quanh thân tàu khảo sát, N2 67 Hình 4.17 Phân b ố áp suất dòng bao quanh thân tàu khảo sát, N2 68 Hình 4.18 Phân bố áp suất bề mặt thân tàu khảo sát, N2 69 Hình 4.19 Phân b ố áp suất dòng bao quanh thân tàu khảo sát, N3 70 Hình 4.20 Phân b ố áp suất dòng bao quanh thân tàu khảo sát, N3 71 Hình 4.21 Phân b ố áp suất bề mặt thân tàu khảo sát, N3 72 Hình 4.22 So sánh l ực cản khí động tác độ ng lên thân tàu mẫu khảo sát 73 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Các thành ph ần lực cản tác động lên thân tàu 11 Bảng 2.1 Vận tốc gió Bopho độ cao h = 6,0 m so với mặt nước biển 23 Bảng 2.2 Giá trị h ệ số lực cản khơng khí C AA 24 Bảng 2.3 Giá trị h ệ số bổ sung k E khai thác tàu bi ển 24 Bảng 3.1 Thông s ố tàu chở hàng sông sử dụng nghiên cứu 33 Bảng 3.2 Thiết lập điều kiện tính tốn mơ ph ỏng 36 Bảng 3.3: Các thành ph ần lực cản khí động tác động lên thân tàu khảo sát 48 Bảng 4.1: Các thành ph ần lực cản khí động tác động lên thân tàu khảo sát 58 Bảng 4.2: So sánh thành phần lực cản khí động tác động lên thân tàu khảo sát với trường hợp tàu tư cân bằng, góc ngóc mũi độ 58 Bảng 4.3: Các thành ph ần lực cản tác động lên mẫu tàu khảo sát 74 Bảng 4.4: So sánh thành phần lực cản khí động tác động lên thân tàu 74 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Nghiên cứu, phân tích, đánh giá hiể u rõ chuyển động tàu hay tương tác dòng chảy thân tàu, hay biến thiên yếu tố tác động lên tàu nhiệt độ, áp suất, vận tốc củ a vật thể chuyển động môi trường chất lỏng vấ n đề quan trọng thực tế tính tốn thiết kế tối ưu sản phẩm để mang lại hiệu kinh tế cao Có thể kể số ví dụ máy bay chuyển động mơi trường khơng khí, tàu thủ y chuyển động mơi trường nước khơng khí, dịng khí chuyển động hệ thống làm mát, dầu nhớt, hóa chất ống d ẫn hay bể chứa Các thu ộc tính dịng chất l ỏng nhận t kết thực nghiệm hay kết c lời giải lý thuyết từ hệ phương trình tốn học Tuy nhiên q trình thực cịn có nhiều vấn đề khó khan định Sử dụng phương pháp lý thuyết kết hợp với tính tốn mơ số CFD (Computational Fluid Dynamics) phương pháp giải toán từ đơn giản đến phức tạp, phương pháp hữu ích trợ giúp cho nhà nghiên cứu việc giải toán k ỹ thuật [14, 15] Trong thực tế nghiên c ứu thiết kế cải tiến thiết kế cho đội tàu chờ hàng, vấn đề sử dụng cơng cụ tính tốn mơ ph ỏng s ố nhằm giảm bớt chi phí thực nâng cao hiệu thực trở nên cần thiết Vi ệc ứng dụng cơng c ụ CFD giúp giảm bớt mơ hình thự c nghiệm, tiết kiệm chi phí chế tạo mơ hình, sử dụng CFD giúp nhà thiết kế có đượ c hình ảnh trực quan chuyển động tương tác dòng chả y thân tàu tốt [1, 2, 3, 4, 5] Ứng dụng công cụ mô số nghiên cứu gi ảm lực cản, nâng cao hiệu khai thác vận tải tàu vấn đề cần thiết giải Từ đó, với nhữ ng yêu c ầu đặt cho nhà nghiên u thiết kế nhằm làm gi ảm lự c cản tác động lên tàu, góp phần nâng cao hiệu qua khai thác tàu Tác gi ả thực đề tài luận văn: “Ứng dụng CFD nghiên cứu giảm lực cản khí động tác độ ng lên tàu chở hàng sơng “ Mục đích nghiên cứu, đối tượng phạm vi nghiên cứu Trong luận văn này, tác giả thực việc tính tốn lực cản khí động tác động lên thân tàu ch hàng sông, thông qua s dụng công cụ CFD, sở phân tích kết tính tốn mô số thu nhằm đưa số giải pháp làm giảm lực cản khí động tác động lên tàu, khuyến cáo cho vi ệc khai thác sử dụng tàu nhằm đạt hiệu kinh tế cao thông qua việc giả m lực cản khí động Thực sử dụng cơng c ụ tính tốn mơ số CFD, lắ m bắt quy trình trình tự bước việ c sử dụng phương pháp tính tốn động lực học chất lỏng CFD thực tính tốn mơ l ực cản khí động tác độ ng lên thân tàu Ứng dụng công cụ mô số CFD, thực hi ện mô phỏ ng lực cản khí động tác động lên thân tàu chở hàng sơng Trên sở phân tích kết nghiên cứu tính tốn mơ ph ỏng số CFD với mẫu tàu nguyên b ản, tác giả đưa số biện pháp nhằ m làm gi ảm l ực cản khí động tác động lên thân tàu chở hàng sơng, góp phần nâng cao hiệu kinh tế khai thác tàu Đối tượng nghiên cứu luận văn loại tàu chở hàng sông đặc thù tuyến sông miề n bắc nước ta, loại tàu hàng sông với tải tr ọng từ 200 đến 1000 Tác giả nghiên cứu, khảo sát đặc tính khí động lự c học phần thân tàu mặt nước thông qua mô ph ỏng số CFD Từ vi ệc phân tích kế t qu ả mơ số CFD lực cản gió đặc tính khí động thân tàu, tác giả đưa số biện pháp cải tiến nhằm làm gi ảm lực cản gió tác động lên tàu Phương pháp ngh iên cứu luận văn Trong luận văn này, tác giả sử dụng phương pháp nghiên cứu tính tốn lý thuyết kết hợp với mô số CFD Thông qua việc so sánh đánh giá kết từ nghiên cứu có sẵn, lý thuyết tính tốn theo cơng thức kinh nghiệm kết mô ph ỏng số tác giả đưa tính tốn phù hợp có độ tin cậy điều kiện nghiên cứu