Nghiên ứu ảnh hưởng ủa hình dáng tới sứ ản tàu swath

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu ảnh hưởng hình dáng tới sức cản tàu Swath TRỊNH VĂN ĐẠT Chuyên ngành: Kỹ thuật máy thủy khí Giảng viên hướng dẫn: TS Hồng Cơng Liêm Viện: Cơ khí động lực Chữ ký GVHD HÀ NỘI, 10/2020 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061132203361000000 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Trịnh Văn Đạt Đề tài luận văn: “Nghiên cứu ảnh hưởng hình dáng tới sức cản tàu Swath” Chuyên ngành: Kỹ thuật máy thủy khí Mã số SV: CB170216 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 31 tháng 10 năm 2020 với nội dung sau: - Chỉnh sửa lỗi in ấn, lỗi chế - Cụ thể trích dẫn tài liệu tham khảo luận văn - Bổ sung giải thích thích kết thể đồ thị hình 4.14, hình 4.18 - Bổ sung thêm thích cơng thức, bảng giải thích ký hiệu Ngày 31 tháng 10 năm 2020 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG Mẫu 1c LỜI CẢM ƠN Trong trình học tập hoàn thành luận văn tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến đến giảng viên hướng dẫn TS Hồng Cơng Liêm người trực tiếp hướng dẫn tơi tận tình chu tác giả hồn thành luận văn Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tập thể thầy, giáo Viện Cơ khí Động lực, Viện Đào tạo Sau đại học, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội tận tình dạy dỗ, truyền đạt, chia sẻ kiến thức, giúp đỡ tác giả suốt thời gian học tập làm luận văn Cuối xin chân thành cảm ơn đến quan, gia đình, bạn bè đồng nghiệp ủng hộ, động viên, giúp đỡ tác giả suốt thời gian tơi học tập làm luận văn Tóm tắt nội dung luận văn Đề tài luận văn “Nghiên cứu ảnh hưởng hình dáng tới sức cản tàu Swath” đặt nhằm đưa hình dáng tàu Swath có sức cản nhỏ q trình khai thác, làm sở cho việc triển khai nghiên cứu thiết kế đóng tàu Swath tương lai Nội dung luận văn bao gồm: Tìm hiểu tàu Swath dạng hình dáng phổ biến Tiến hành xây dựng mơ hình số dạng hình dáng phổ biến Xác định sức cản dạng mơ hình Phân tích kết đề xuất mơ hình tối ưu Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết mô số Đây phương pháp đại sử dụng phổ biến, kết có độ tin cậy cao Trong luận văn tác giả sử dụng tài liệu chun ngành tàu thủy tính tốn lý thuyết Kết tính tốn theo lý thuyết sơ để so sánh, đối chiếu & phân tích với số liệu tính theo phần mềm mơ số Trong phương pháp mô số tác giả sử dụng phần mềm Star CMM, phần mềm sử dụng phổ biến mô Công việc bắt đầu bao gồm xây dựng mơ hình thân tàu, sau chia lưới đặt điều kiện biên, lựa chọn mơ hình tính tốn Từ tính tốn sức cản mơ hình Luận văn có tính khoa học nghiên cứu ảnh hưởng hình dáng tới sức cản tàu Swath đưa sở việc lựa chọn hình dáng thân tàu thiết kế nhằm giảm thiểu tối đa sức cản tàu giúp giảm chi phí nhiên liệu hoạt động lượng khí thải tàu từ nâng cao hiệu kinh tế góp phần làm giảm nhiễm mơi trường Luận văn có ý nghĩa thực tế cơng bố vấn đề nghiên cứu sức cản tàu Swath nước hạn chế HỌC VIÊN Ký ghi rõ họ tên i MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC ii CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ TÀU SWATH, TỔNG QUAN VỀ SỨC CẢN 1.1 Giới thiệu chung tàu Swath 1.1.1 Định nghĩa số đặc điểm chung tàu Swath 1.1.2 Quá trình hình thành phát triển tàu Swath 1.1.3 Phạm vi sử dụng, mức độ phổ biến tàu Swath 1.1.4 Một số nghiên cứu sức cản tàu Swath 1.2 Các loại hình dạng tàu Swath 1.2.1 Cấu trúc tàu Swath 1.2.2 Phân loại theo hình dạng thân tàu 1.2.3 Phân loại theo trụ nối 1.2.4 Phân loại theo kết hợp 1.3 Tổng quan sức cản 1.3.1 Khái niệm sức cản 1.3.2 Phân loại sức cản theo tác nhân gây sức cản 1.3.3 Phân loại sức cản theo thành phần tạo sức cản 10 1.3.4 Các thành phần sức cản 10 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MƠ HÌNH TÀU 13 2.1 Lựa chọn kích thước tàu 13 2.2 Xây dựng tuyến hình bố trí chung tàu 13 2.3 Tính tốn thơng số cho tàu 22 2.3.1 Tàu số (Hình dạng chân voi) 22 2.3.2 Tàu số (Hình dạng thân trịn thay đổi) 23 2.3.3 Tàu số (Hình dạng thân trịn đều) 23 2.3.4 Tàu số (Hình dạng thân trịn có bậc) 24 CHƯƠNG 3: SỨC CẢN TÀU CHO 04 MƠ HÌNH TÀU THEO PHƯƠNG PHÁP LÝ THUYẾT 26 3.1 Các thơng số mơ hình 26 3.1.1 Thông số mơ hình nghiên cứu 27 3.1.2 Thơng số mơ hình nghiên cứu 28 ii 3.1.3 Thơng số mơ hình nghiên cứu 29 3.1.4 Thơng số mơ hình nghiên cứu 31 3.2 Nội dung tính tốn 33 3.2.1 Lý thuyết tính tốn 33 3.2.2 Kết tính tốn cho mơ hình 37 3.2.3 Kết tính tốn cho mơ hình 40 3.2.4 Kết tính tốn cho mơ hình 43 3.2.5 Kết tính tốn cho mơ hình 46 CHƯƠNG 4: TÍNH SỨC CẢN CỦA TÀU BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỐ 51 4.1 Mơ hình nghiên cứu 51 4.2 Mơ hình tốn sử dụng mô 51 4.2.1 Phần mêm Star CCM+ 51 4.2.2 Mơ hình tốn K Epsilon (k - ε) 53 4.2.3 Trình tự thực 54 4.3 Khơng gian tính tốn số thông số vật lý 55 4.4 Phân tích kết 56 4.4.1 Kết mơ cho 04 mơ hình 56 4.4.2 So sánh kết tính tốn sức cản theo mô lý thuyết 66 4.4.3 Phân tích kết 66 4.4.4 Kết luận 67 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 68 BẢNG GIẢI THÍCH KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 iii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Phân biệt Catamaran Swath Hình 1.2 Cấu trúc tàu Swath Hình 1.3 Hình dạng chân voi Hình 1.4 Hình dạng thân trịn Hình 1.5 Hình dạng gậy đánh golf Hình 1.6 Trụ nối dạng trụ đơn Hình 1.7 Trụ nối dạng trụ đôi Hình 1.8 Tuyến hình tàu Semi - Swath Hình 1.9 Các thành phần áp lực lên bề mặt thân tàu Hình 2.1 Hình chiếu đứng & hình chiếu 14 Hình 2.2 Mặt cắt ngang thân tàu 15 Hình 2.3 Tuyến hình 2D tàu số 16 Hình 2.4 Tuyến hình 2D tàu số 17 Hình 2.5 Tuyến hình 2D tàu số 18 Hình 2.6 Tuyến hình 2D tàu số 19 Hình 2.7 Hình ảnh 3D tàu số 20 Hình 2.8 Hình ảnh 3D tàu số 20 Hình 2.9 Hình ảnh 3D tàu số 21 Hình 2.10 Hình ảnh 3D tàu số 21 Hình 3.1 Hình ảnh 04 mơ hình 27 Hình 3.2 Hình ảnh kích thước dùng làm tham số tính tốn 34 Hình 4.1 Thuật tốn sử dụng phần mềm STAR- CCM+ 53 Hình 4.2 Khơng gian tính toán 55 Hình 4.3 Hình ảnh phân bố áp suất bề mặt mơ hình 56 Hình 4.4 Hình ảnh phân bố áp suất phía mũi mơ hình 57 Hình 4.5 Hình ảnh phân bố sóng xung quanh mơ hình 57 Hình 4.6 Hình ảnh đồ thị lực cản theo thời gian với mơ hình 58 Hình 4.7 Hình ảnh phân bố áp suất bề mặt mơ hình 59 Hình 4.8 Hình ảnh phân bố áp suất phía mũi mơ hình 59 Hình 4.9 Hình ảnh phân bố sóng xung quanh mơ hình 60 Hình 4.10 Hình ảnh đồ thị lực cản theo thời gian với mô hình 60 Hình 4.11 Hình ảnh phân bố áp suất bề mặt mơ hình 61 iv Hình 4.12 Hình ảnh phân bố áp suất phía mũi mơ hình 62 Hình 4.13 Hình ảnh phân bố sóng xung quanh mơ hình 62 Hình 4.14 Hình ảnh đồ thị lực cản theo thời gian với mơ hình 63 Hình 4.15 Hình ảnh phân bố áp suất bề mặt mơ hình 63 Hình 4.16 Hình ảnh phân bố áp suất phía mũi mơ hình 64 Hình 4.17 Hình ảnh phân bố sóng xung quanh mơ hình 65 Hình 4.18 Hình ảnh đồ thị lực cản theo thời gian với mơ hình 65 v DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Bảng tổng hợp thành phần sức cản 10 Bảng 2.1 Bảng so sánh lượng chiếm nước diện tích mặt ướt 25 Bảng 3.1 Bảng thơng số mơ hình nghiên cứu 27 Bảng 3.2 Bảng thông số mơ hình nghiên cứu 28 Bảng 3.3 Bảng thơng số mơ hình nghiên cứu 29 Bảng 3.4 Bảng thơng số mơ hình nghiên cứu 31 Bảng 3.5 Bảng tính vận tốc mơ hình 32 Bảng 3.6 Các số công thức tính CV 35 Bảng 3.7 Các số cơng thức tính Cw 36 Bảng 3.8 Bảng tính sức cản nhớt cho mơ hình 38 Bảng 3.9 Bảng tính sức cản sóng cho mơ hình 39 Bảng 3.10 Bảng tính sức cản khơng khí cho mơ hình 40 Bảng 3.11 Bảng tổng hợp sức cản mơ hình 40 Bảng 3.12 Bảng tính sức cản nhớt cho mơ hình 41 Bảng 3.13 Bảng tính sức cản sóng cho mơ hình 42 Bảng 3.14 Bảng tính sức cản khơng khí cho mơ hình 43 Bảng 3.15 Bảng tổng hợp sức cản mơ hình 43 Bảng 3.16 Bảng tính sức cản nhớt cho mơ hình 44 Bảng 3.17 Bảng tính sức cản sóng cho mơ hình 45 Bảng 3.18 Bảng tính sức cản khơng khí cho mơ hình 46 Bảng 3.19 Bảng tổng hợp sức cản mơ hình 46 Bảng 3.20 Bảng tính sức cản nhớt cho mơ hình 47 Bảng 3.21 Bảng tính sức cản sóng cho mơ hình 48 Bảng 3.22 Bảng tính sức cản khơng khí cho mơ hình 49 Bảng 3.23 Bảng tổng hợp sức cản mơ hình 49 Bảng 3.24 Bảng tổng hợp sức cản 04 mơ hình 50 Bảng 4.1 Bảng tổng hợp sức cản chạy theo mô 65 Bảng 4.2 Bảng so sánh sức cản phương pháp mô lý thuyết 66 vi CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ TÀU SWATH, TỔNG QUAN VỀ SỨC CẢN 1.1 Giới thiệu chung tàu Swath 1.1.1 Định nghĩa số đặc điểm chung tàu Swath Swath viết tắt cụm từ Small Waterplane Area Twin Hull Đây loại tàu có nguồn gốc từ tàu hai thân thiết kế có diện tích đường nước nhỏ so với tàu thân hai thân thơng thường Điều có nghĩa hai phần thân tạo lực cho tàu chìm hồn tồn nước Cịn mặt nước hai trụ nối, thành phần liên kết phần thân tàu nước với mặt boong Hình dạng tàu Swath biểu diễn hình 1.1 [1] Ở đây, nhìn thấy rõ khác biệt đường nước thiết kế tàu Swath đặt bên cạnh tàu catamaran loại thơng thường Hình 1.1 Phân biệt Catamaran Swath Tàu Swath có hình dáng nước tỷ lệ chiều dài chiều rộng thân khoảng cách hai thân tàu Swath lớn so với tàu hai thân thân thơng thường Chính yếu tố mà thành phần sức cản tàu nhỏ, với tượng giao thoa sóng cho phép triệt giảm thành phần sức cản sóng Do ưu điểm lớn tàu giảm sức cản sóng Tàu Swath có diện tích đường nước nhỏ nên thân tàu chịu tác động sóng giúp cho tàu di chuyển ổn định đặc biệt điều kiện thời tiết khắc nghiệt sóng gió Tàu Swath có phần diện tích mặt boong lớn thuận lợi cho việc bố trí khu vực boong, điều phù hợp cho mục đích dân lẫn quân Tàu Swath có ổn định ban đầu cao bề rộng thân tàu lớn, với tất thành phần trọng lượng chia cho hai thân làm cho trọng tâm tàu hạ thấp làm tăng tính ổn định Bên cạnh ưu điểm tàu Swath có hạn chế như: cơng nghệ chế tạo địi hỏi cao hơn, vật liệu đóng tàu phải có khối lượng nhẹ & độ bền cao… điều dẫn đến giá thành lớn Ngồi tàu cịn gặp khó khăn việc bố trí hệ thống động lực, máy & hệ trục chân vịt Nguyên nhân diện tích tiết diện ngang phần thân tàu chìm nước nhỏ, đơi khơng đủ để bố trí máy chính, lúc máy phải bố trí phần thân phía mũi, điều dẫn đến hệ trục chân vịt dài, giảm hiệu suất truyền động 1.1.2 Quá trình hình thành phát triển tàu Swath Tàu Swath phát minh Frederick George Creed (1871 - 1957), nhà phát minh người Canada Ông trình bày ý tưởng tàu Swath vào năm 1938 Sau trình cho Bộ hải quân Anh cấp sáng chế Anh vào năm 1946 Năm 1969 tàu Swath đóng Hà Lan có tên gọi Duplus, tàu có cơng dụng dịch vụ thăm dị dầu khí dịch vụ hàng hải Năm 1973 tên tàu Swath hải quân Hoa Kỳ đặt tên để phân biệt với tàu hai thân khác Kể từ đời đến tàu Swath ngày phát triển đạt thành tựu to lớn Ngày có tiến để tăng hiệu suất làm việc phù hợp với nhiều lĩnh vực Trên giới nước đầu việc chế tạo tàu Swath phải kể đến Mỹ, Nhật, Trung Quốc, Hà Lan …với đội tàu Swath hùng hậu, đa dạng chủng loại, nhiều số lượng, kích thước đa dạng phù hợp với nhu cầu khai thác 1.1.3 Phạm vi sử dụng, mức độ phổ biến tàu Swath Phạm vi sử dụng tàu rộng lĩnh vực dân & quân Trong lĩnh vực dân tàu sử dụng dạng tàu khách, tàu phục vụ, tàu nghiên cứu Trong lĩnh vực quân tàu sử dụng làm tàu chiến đấu, tuần tra Do đặc điểm trội tàu Swath nên tàu sử dụng rộng rãi với nhiều công dụng khác phà khách, tàu khách, du thuyền, tàu dịch vụ hàng hải, tàu thăm dò đại dương, tàu sân bay, tàu hải cảnh, tàu tuần tra biển