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

Do vậy ưu điểm lớn của tàu là giảm được sức cản sóng Tàu Swath có diện tích đường nước nhỏ nên thân tàu ít chịu tác động của sóng giúp cho tàu di chuyển ổn định hơn đặc biệt trong các đi

TỔNG QUAN VỀ TÀU SWATH, TỔNG QUAN VỀ SỨC CẢN

Giới thiệu chung về tàu Swath

1.1.1 Định nghĩa và một số đặc điểm chung của tàu Swath

SWATH, viết tắt của Small Waterplane Area Twin Hull, là loại tàu có thiết kế đặc biệt với diện tích đường nước nhỏ hơn so với tàu một thân và hai thân thông thường Thiết kế này cho phép hai phần thân chính của tàu chìm hoàn toàn dưới nước, chỉ để lại hai trụ nối trên mặt nước, kết nối phần thân dưới với boong Hình dạng của tàu SWATH thể hiện rõ sự khác biệt trong thiết kế đường nước khi so sánh với tàu catamaran thông thường.

Hình 1.1 Phân biệt Catamaran và Swath

Tàu Swath có thiết kế đặc biệt với tỷ lệ chiều dài trên chiều rộng lớn, cùng khoảng cách giữa hai thân tàu rộng hơn so với tàu hai thân hoặc một thân thông thường Điều này giúp giảm thiểu sức cản của tàu, đồng thời hiện tượng giao thoa sóng cũng góp phần làm giảm các thành phần sức cản sóng Nhờ vậy, tàu Swath mang lại ưu điểm lớn trong việc giảm sức cản sóng, tối ưu hóa hiệu suất di chuyển.

Tàu Swath sở hữu diện tích đường nước nhỏ, giúp giảm thiểu tác động của sóng lên thân tàu, từ đó nâng cao tính ổn định trong quá trình di chuyển Điều này đặc biệt quan trọng khi tàu hoạt động trong những điều kiện thời tiết khắc nghiệt với sóng gió mạnh.

Tàu Swath sở hữu diện tích mặt boong rộng rãi, tạo điều kiện thuận lợi cho việc sắp xếp các khu vực trên boong, phù hợp cho cả mục đích dân sự và quân sự.

Tàu Swath sở hữu độ ổn định ban đầu cao nhờ vào bề rộng thân tàu lớn Tất cả các thành phần trọng lượng được phân bổ đều cho hai thân tàu, giúp hạ thấp trọng tâm và tăng cường tính ổn định.

Bên cạnh những ưu điểm, tàu Swath cũng tồn tại một số hạn chế đáng kể Công nghệ chế tạo đòi hỏi cao hơn, vật liệu đóng tàu phải có khối lượng nhẹ và độ bền cao, dẫn đến giá thành lớn hơn Ngoài ra, tàu Swath còn gặp khó khăn trong việc bố trí hệ thống động lực, máy chính và hệ trục chân vịt do diện tích tiết diện ngang phần thân tàu chìm dưới nước nhỏ, đôi khi không đủ để bố trí máy chính, khiến hệ trục chân vịt dài và giảm hiệu suất truyền động.

1.1.2 Quá trình hình thành và phát triển của tàu Swath

Tàu Swath, được phát minh bởi nhà sáng chế người Canada Frederick George Creed (1871-1957), lần đầu tiên được trình bày vào năm 1938 Ý tưởng của ông đã thu hút sự chú ý của Bộ hải quân Anh, dẫn đến việc cấp bằng sáng chế tại Anh vào năm 1946.

Năm 1969 con tàu Swath đầu tiên được đóng tại Hà Lan có tên gọi Duplus, tàu có công dụng dịch vụ thăm dò dầu khívà dịch vụ hàng hải

Năm 1973 tên tàu Swath được hải quân Hoa Kỳ đặt tên để phân biệt với các tàu hai thân khác

Tàu Swath đã trải qua quá trình phát triển mạnh mẽ kể từ khi ra đời, đạt được nhiều thành tựu lớn Các cải tiến liên tục được thực hiện nhằm nâng cao hiệu suất làm việc và mở rộng khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Hiện nay, Mỹ, Nhật Bản, Trung Quốc và Hà Lan là những quốc gia tiên phong trong việc chế tạo tàu Swath Các đội tàu Swath của họ không chỉ hùng hậu mà còn đa dạng về chủng loại, số lượng và kích thước, đáp ứng nhiều nhu cầu khai thác khác nhau.

1.1.3 P hạm vi sử dụng, mức độ phổ biến của tàu Swath

Tàu có phạm vi sử dụng rộng rãi trong cả lĩnh vực dân sự và quân sự Trong lĩnh vực dân sự, tàu được sử dụng dưới nhiều hình thức như tàu khách, tàu phục

Tàu Swath, với những đặc điểm nổi bật, được ứng dụng rộng rãi cho nhiều mục đích như phà khách, tàu du lịch, và tàu dịch vụ hàng hải Tuy nhiên, tại Việt Nam, mức độ phổ biến của tàu này vẫn còn hạn chế Hy vọng rằng trong tương lai, cùng với sự phát triển của đất nước, tàu Swath sẽ được đóng mới và sử dụng nhiều hơn.

Tàu Swath đang được phát triển và nghiên cứu trên toàn cầu, với việc ứng dụng phần mềm trong thiết kế và lý thuyết tàu Swath, hứa hẹn mang lại những cải tiến tích cực cho sự phát triển của loại tàu này.

1.1.4 Một số nghiên cứu về sức cản của tàu Swath

Nghiên cứu về sức cản của tàu Swath đang trở nên phổ biến trên toàn cầu, nhưng tại Việt Nam vẫn còn hạn chế Một nghiên cứu tiêu biểu do Hoàng Công Liêm dẫn dắt đã tập trung vào ảnh hưởng của hình dạng đến sức cản của tàu Swath, phân tích các hình dạng cơ bản như hình tròn và hình elipse, cùng với trụ đơn và trụ đôi Nghiên cứu này bao gồm việc xây dựng hình dáng, xác định giá trị chiếm nước, và áp dụng phương pháp mô phỏng kết hợp với tính toán lý thuyết để xác định sức cản Kết quả cho thấy tàu Swath dạng tròn có sức cản nhỏ nhất, chỉ bằng khoảng 60% sức cản của tàu cataraman với cùng lượng chiếm nước và vận tốc.

Nghiên cứu về sức cản của tàu Swath đang trở nên phổ biến trên thế giới, với những công trình tiêu biểu từ các tác giả như Beck và Yoshida Các nghiên cứu này thường tập trung vào việc đề xuất một hoặc một vài hình dạng của tàu Swath, sau đó tiến hành tính toán sức cản của mô hình thông qua phương pháp mô phỏng Kết quả mô phỏng sẽ được kiểm nghiệm bằng cách thử nghiệm mô hình trong các bể thử.

Trong luận văn, tác giả nghiên cứu hình dạng kết hợp với kiểm nghiệm thông qua tính toán lý thuyết do thiếu thốn điều kiện thử nghiệm trong nước Cấu trúc luận văn bao gồm các phần chính: xây dựng mô hình tàu, xác định sức cản theo hai phương pháp lý thuyết và mô phỏng số, và so sánh phân tích nhằm chọn ra mô hình tối ưu.

Các loại hình dạng tàu Swath

Cấu trúc của tàu Swath được thể hiện trong Hình 1.2, bao gồm phần thân tàu chìm dưới nước, trụ nối và thượng tầng trên boong chính.

1.2.2 Phân loại th eohình dạng thân tàu a) Dạng chân voi

Hình 1.3 thể hiện hình dạng thân tàu phần chìm dưới có tiết diện mặt cắt ngang dạng chân voi

Hình 1.3 Hình dạng chân voi b) Dạng thântròn

Hình 1.4 thể hiện hình dạng thân tàu phần chìm dưới có tiết diện mặt cắt ngang dạng thân tròn

Với hình dạng thân tròn có các loại như hình dạng tròn thay đổi theo chiều dài, hình dạng tròn đều và hình dạng tròn đều có bậc

Hình 1.4 Hình dạng thân tròn c) Dạng gậy đánh golf

Hình 1.5 thể hiện hình dạng thân tàu phần chìm dưới có tiết diện mặt cắt ngang dạng gậy đánh golf

Hình 1.5 Hình dạng gậy đánh golf

Các hình 1.3, hình 1.4 & hình 1.5 trình bày trong luận văn được tác giả sử dụng từ tài liệu tham khảo [5]

1.2.3 Phân loại theo trụ nối a) Trụ đơn

Hình 1.6 minh họa tàu Swath với kết cấu trụ đơn, trong đó phần chìm của thân tàu dưới nước được liên kết với boong chính thông qua một trụ nối liền liên tục.

Hình 1.6 Trụ nối dạng trụ đơn b) Trụ đôi

Here is the rewritten paragraph:Hình 1.7 minh họa cấu trúc tàu Swath với hai trụ đỡ Tại đây, phần thân tàu ngập dưới nước được nối với boong chính qua hai trụ nối rời, tạo thành hai phần riêng biệt với khoảng trống ở giữa.

Hình 1.7 Trụ nối dạng trụ đôi

Các hình 1.6, hình 1.7 trình bày trong luận văn được tác giả sử dụng từ tài liệu tham khảo [5]

1.2.4 Phân loại theo sự kết hợp a) Swath thông thường: Tàu Swath với biên dạng thân tàu như hình 1.1 b) Bán Swath (Semi Swath): - Đây là loại tàu có sự kết hợp giữa Catamaran với Swath Trong đó phần thân tàu phía lái được lấy theo tàu catamaran thông thường, còn phần mũi lấy theo tàu Swath thông thường

Hình 1.8 minh họa tuyến hình của tàu Semi-Swath, trong đó bên trái là tuyến hình phần lái của tàu Catamaran, còn bên phải là tuyến hình phần mũi của tàu Swath.

Hình 1.8 Tuyến hình tàu Semi - Swath

Tổng quan về sức cản

Khi tàu di chuyển, phần thân tàu dưới mớn nước hoạt động trong môi trường nước, trong khi phần trên mớn nước tiếp xúc với không khí Bề mặt vỏ tàu tiếp xúc với môi trường xung quanh, với phần ướt tiếp xúc với nước và phần trên tiếp xúc với không khí Những bề mặt này chịu tác động của các lực từ môi trường, được gọi là sức cản.

Sức cản của tàu không thể được xác định hoặc đo lường trực tiếp, mà thường được thu thập thông qua các thử nghiệm trên mô hình tàu Hiện nay, nhờ vào sự phát triển của công nghệ máy tính và phần mềm chuyên dụng, việc tính toán sức cản của tàu đã trở nên dễ dàng và chính xác hơn.

Việc xác định sức cản của tàu trong môi trường nước tĩnh thường phân tích các thành phần sức cản độc lập, mặc dù chúng tương tác lẫn nhau và khó đo trực tiếp Phân tích sức cản thành các thành phần giúp các nhà thiết kế có thể tác động để giảm trực tiếp các thành phần này, từ đó tối ưu hóa sức cản cho tàu thiết kế.

1.3.2 Phân loại sức cản theo tác nhân gây ra sức cản

Lực cản của tàu được hình thành bởi sự tương tác giữa bề mặt thân tàu và môi trường xung quanh Nguyên nhân chính là do sự phân bố lực bề mặt xuất hiện trên vỏ tàu.

Hình 1.9 minh họa các thành phần áp lực tác động lên bề mặt thân tàu, trong đó áp lực bề mặt tại mỗi điểm được chia thành hai thành phần chính Thành phần thứ nhất, áp lực pháp tuyến, tác động vuông góc với bề mặt, trong khi thành phần thứ hai, áp lực tiếp tuyến, tác động song song với bề mặt Các lực cản này có thể được xác định thông qua mô hình thí nghiệm, lý thuyết toán học và vật lý, hoặc bằng phần mềm mô phỏng số.

Hình 1.9 Các thành phần áp lực lên bề mặt thân tàu

Khi phân chia sức cản theo hướng tác dụng của áp lực, ta có hai thành phần chính: lực cản áp suất, phụ thuộc vào áp lực pháp tuyến, và lực cản ma sát, phụ thuộc vào áp lực tiếp tuyến Mỗi thành phần này bao gồm các yếu tố như sức cản sóng và sức cản nhớt Đối với tàu chạy nhanh, sức cản chủ yếu là sức cản nhớt và sức cản sóng, trong khi đối với tàu chạy chậm, sức cản chủ yếu là sức cản nhớt.

Dựa trên các lý thuyết đã nêu, sức cản có thể được đánh giá từ một góc nhìn khác, cho thấy rằng nó là sự kết hợp giữa sức cản nhớt Rv và sức cản sóng Rw.

Phương trình (1.1) biểu diễn sức cản toàn bộ của tàu bằng tổng sức cản của các thành phần theo tác nhân gây ra sức cản

Trong đó: R là sức cản toàn bộ

Rkklà sức cản không khí được xét tới sức cản gây ra bởi không khí do các cấu trúc của tàu bên trên mặt nước

Ra là sức cản bổ sung do tác động của môi trường hoạt động như sóng biển, sự hạn chế của luồng lạch …

1.3.3 Phân loại sức cản theo thành phần tạo sức cản

Trong thành phần sức cản nhớt, hiện nay bao gồm sức cản ma sát (Rf) và sức cản hình dáng (Rp) Sức cản ma sát Rf phụ thuộc vào chất lượng bề mặt vỏ tàu và diện tích mặt ướt, trong khi sức cản sóng và sức cản hình dáng lại phụ thuộc vào hình dáng của thân tàu Do đó, sức cản sóng và sức cản hình dáng thường được gộp lại thành sức cản dư (Rd).

Phương trình (1.2) biểu diễn công thức tính sức cản dư

Phương trình (1 ) biểu diễn sức cản toàn bộ của tàu bằng tổng sức cản của các thành phần tạo ra sức cản

R = Rf + Rd + Rkk + Ra (1.3) Trong đó: R là sức cản toàn bộ

Rflà sức cản ma sát, được tính cho độ nhám bề mặt vỏ tàu

Rd là sức cản dư bao gồm sức cản s ng, sức cản hình dáng và tác động ó tương hỗ giữa hai thân tàu

Rkklà sức cản không khí được xét tới sức cản gây ra bởi không khí do các cấu trúc của tàu bên trên mặt nước

Ra là sức cản bổ sung do tác động của môi trường hoạt động như sóng biển, sự hạn chế của luồng lạch …

1.3 4 Các thành phần sức cản a) Bảng tổng hợp thành phần sức cản

Bảng 1.1 Bảng tổng hợp các thành phần sức cản

Sức cản vỏ tàuphần dưới nước

Sức cản bổ sung Ra

Sức cản nhớt Rv Sức cản sóng

Sức cản ma sát Rf Sức cản hình dáng RP

Sức cản ma sát Rf Sức cản dư Rd

Bảng 1.1 trình bày các thành phần sức cản, được xây dựng dựa trên giả thuyết rằng sức cản tổng thể tác động lên tàu hình thành từ các thành phần độc lập Sự tạo sóng của tàu không ảnh hưởng đến sức cản nhớt, và có thể xem sức cản trong quá trình này là hiện tượng vật lý xảy ra trong môi trường nước lý tưởng, chịu ảnh hưởng của lực hút trái đất Sức cản nhớt bao gồm sức cản ma sát và sức cản hình dáng, hoàn toàn phụ thuộc vào tính chất của chất lỏng, trong khi sức cản RP lại liên quan đến hình dáng của thân tàu.

Phương trình (1.4) biểu diễn công thức tổng quát để tính sức cản:

C là hệ số sức cản ρ là mật độ nước bao quanh tàu v là vận tốc tàu

S làdiện tích mặt ướt vỏ tàu b) Sức cản nhớt

Lực cản nhớt RV hình thành do hiện tượng tách lớp biên và xoáy nước trong dòng chảy rối Yếu tố này chịu ảnh hưởng bởi vận tốc tàu, hình dạng thân tàu, số lượng thân tàu, và độ sâu phần chìm trong nước.

Sức cản nhớt bao gồm lực cản hình dáng Rp và lực cản ma sát Rf c) Sức cản ma sát

Sức cản ma sát Rf phát sinh từ độ nhớt của chất lỏng tác động lên vỏ tàu, và nó phụ thuộc vào độ nhám bề mặt, vận tốc và chiều dài của tàu Ngoài ra, sức cản hình dáng cũng là một yếu tố quan trọng cần xem xét.

Sức cản hình dáng Rp được hình thành do ảnh hưởng của lớp biên lên quy luật phân bố áp suất trên thân tàu, và nó phụ thuộc vào các dạng tách lớp biên Hiện tượng này lại chịu tác động bởi hình dáng của thân tàu Sức cản sóng cũng là một yếu tố quan trọng trong quá trình này.

Khi tàu di chuyển trên bề mặt chất lỏng, trọng lực sẽ tạo ra sóng (sóng bản thân), dẫn đến lực cản sóng Sóng này hình thành từ sự tác động của trọng lực và sức căng bề mặt của chất lỏng, trong đó trọng lực là yếu tố chính quyết định sự hình thành sóng và lực cản.

XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÀU

2.1 Lựa chọn kích thước tàu

Trong nghiên cứu này, tác giả đã phát triển bốn loại hình dạng tàu Swath để phân tích ảnh hưởng của hình dáng tới sức cản tàu Mô hình 1 có hình dạng chân voi, mô hình 2 có hình dạng tròn thay đổi, mô hình 3 có hình dạng tròn đều, và mô hình 4 có hình dạng tròn đều có bậc Các mô hình này hiện đang được sử dụng phổ biến Tất cả các tàu có phần thân trên mớn nước giống nhau, và sự khác biệt chỉ nằm ở hình dạng tuyến hình của phần thân chìm dưới nước Thông số cơ bản của tàu thực cũng được đề cập trong nghiên cứu.

- Chiều dài lớn nhất Lmax = 38,17 m

- Chiều rộng lớn nhất Bmax = 13,90 m

- Chiều rộng thiết kế Bw = 13,30 m

- Khoảng cách giữa hai tâm trụ YP = 10,67 m

- Công suất máy chính Ne = 2x3110 sức ngựa

Các mô hình trong mô phỏng sẽ được thiết kế theo tỷ lệ 1:10 so với kích thước thực tế của tàu Để đảm bảo tính chính xác trong việc nghiên cứu và so sánh sức cản giữa các mô hình, các mô hình cần phải đáp ứng các tiêu chí nhất định.

- Chiều dài thiết kế giống nhau

- Chiều chìm thiết kế giống nhau

- Khoảng cách giữa hai đường tâm thân hai bên là như nhau

- Lượng chiếm nước xấp xỉ nhau

2.2 Xây dựng tuyến hình và bố trí chung tàu

Tác giả đã tiến hành nghiên cứu và tích lũy kinh nghiệm cá nhân để xây dựng bản vẽ tuyến hình và bố trí chung cho tàu Để đảm bảo điều kiện nghiên cứu, tất cả các bố trí chung được áp dụng đồng nhất cho cả 04 loại tàu Swath.

Hình 2.1 Hình chiếu đứng & hình chiếu bằng

Hình 2.1 minh họa bố trí tổng thể của các trang thiết bị, hành khách và hàng hóa Đây là cơ sở quan trọng để phát triển các bản vẽ liên quan, phục vụ cho việc tính toán khối lượng, tọa độ trọng tâm và mô men quá tải của tàu.

Hình 2.2 Mặt cắt ngang thân tàu

Hình 2.2 thể hiện mặt cắt ngangthân tàuvới 04 biên dạng tuyến hình khác nhau của phần thân tàu chìm dưới nước Chi tiết về hình dạng của 04 loại tàu

Swath được thể hiện từ hình 2.3 đến hình 2.6

Hình 2.3Tuyến hình 2D tàu số 1

Tuyến hình của tàu số 1, như thể hiện trong Hình 2.3, cho thấy mặt cắt ngang phần thân tàu chìm dưới nước có hình dạng chân voi Bản vẽ này đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập dữ liệu thủy lực, bao gồm thể tích chiếm nước, tọa độ tâm nổi, diện tích mặt ướt và các thông số cần thiết để tính toán cho mô hình 1.

Hình 2.4 mô tả tuyến hình của tàu số 2 với mặt cắt ngang thân tàu chìm dưới nước có hình dạng tròn biến đổi Bản vẽ này cung cấp dữ liệu thủy lực cần thiết như thể tích chiếm nước, tọa độ tâm nổi, diện tích mặt ướt và các thông số khác, phục vụ cho việc tính toán trong mô hình 2.

Hình 2.5 minh họa tuyến hình của tàu số 3 với mặt cắt ngang phần thân tàu chìm dưới nước có hình dạng tròn đều Bản vẽ này cung cấp dữ liệu thủy lực quan trọng, bao gồm thể tích chiếm nước, tọa độ tâm nổi, diện tích mặt ướt và các thông số cần thiết cho việc tính toán mô hình 3.

Tuyến hình của tàu số 4, như thể hiện trong Hình 2.6, cho thấy mặt cắt ngang của phần thân tàu chìm dưới nước với hình dạng tròn đều có bậc Bản vẽ này cung cấp cơ sở quan trọng để thu thập dữ liệu thủy lực, bao gồm thể tích chiếm nước, tọa độ tâm nổi, diện tích mặt ướt và các thông số cần thiết cho việc tính toán mô hình 4.

Hình 2.7 Hình ảnh 3D tàu số 1

Hình 2.7 trình bày hình ảnh 3D của cấu trúc tàu số 1, trong đó phần thân tàu nằm chìm dưới nước, kết nối với trụ đơn và phần thượng tầng được đặt trên boong chính.

Hình 2.8 Hình ảnh 3D tàu số 2 Hình 2.8 thể hiện hình ảnh 3D của cấu trúc tàu số 2 với phần thân tàu

Hình 2.9 Hình ảnh 3D tàu số 3

Hình 2.9 minh họa cấu trúc 3D của tàu số, trong đó phần thân tàu 3 chìm dưới nước, kết nối với phần trụ đơn và phần thượng tầng nằm trên boong chính.

Hình 2.10 mô tả hình ảnh 3D của tàu số 4, trong đó phần thân tàu chìm dưới nước, kết nối với trụ đơn và phần thượng tầng nằm trên boong chính.

2.3 Tính toán các thông số cơ bản cho tàu

2.3.1 Tàu số 1 (Hình d ạng chân voi )

No Tên gọi Ký hiệu Giá trị Đơn vị

1 Chiều dài lớn nhất Lmax 38.17 m

3 Chiều rộng lớn nhất Bmax 13.90 m

4 Chiều rộng thiết kế Bw 13.30 m

5 Khoảng cách giữa hai tâm trụ YP 10.67 m

8 Thể tích chiếm nước toàn tải ∇ 269.34 m 3

9 Tỷ trọng nước biển γ 1.025 tấn / m 3

11 Hoành độ tâm nổi Xc 0.48 m

12 Tung độ tâm nổi Yc 0 m

15 Khối lượng tàu không và trang thiết bị Po 208.07 tấn

16 Trọng tải toàn phần Ptp 68.00 tấn

17 Hoành độ trọng tâm Xg 0.42 m

18 Tung độ trọng tâm Yg 0 m

19 Cao độ trọng tâm Zg 5.26 m

20 Mô men quán tính khối lượng đối với trục Gx IGx 763.95 tấn.m 2

21 Mô men quán tính khối lượng đối với trục Gy IGy 11213.24 tấn.m 2

22 Mô men quán tính khối lượng đối với trục Gz IGz 10449.28 tấn.m 2

2.3.2 Tàu số 2 (Hình dạng thân tròn thay đổi)

13 Cao độ tâm nổi Zc 1.36 m

2.3.3 Tàu số 3 (Hình dạng t hân tròn đều )

2.3.4 Tàu số 4 (Hình dạng thân tròn đều có bậc)

5 Khoảng cách giữa hai tâm trụ Y P 10.67 m

Bảng 2.1 Bảng so sánh lượng chiếm nước và diện tích mặt ướt

N0 Nội dung so sánh Tàu 1 số Tàu 2 số Tàu 3 số Tàu 4 số

1 Dạng tuyến hình Chân voi Thân tròn thay đổi Thân tròn đểu Thân tròn có bậc

4 % sai lệch diện tích mặt ướt với tàu số 1 (%) 0 6.93 0.04 3.51

5 % sai lệch lượng chiếm nước với tàu số 3 (%) 0.36 0.81 0.00 0.73

Bảng 2.1 tổng hợp các thông số về diện tích mặt ướt và lượng chiếm nước của 04 tàu với 04 dạng tuyến hình khác nhau Trong đó, tàu số 1 có diện tích mặt ướt lớn nhất, và sự chênh lệch diện tích mặt ướt của các tàu còn lại so với tàu số 1 được thể hiện rõ ràng ở dòng thứ 4 trong bảng.

Tàu số 3 có lượng chiếm nước lớn nhất, và sự sai lệch của lượng chiếm nước của các tàu khác so với tàu số 3 được thể hiện ở dòng thứ 5 trong bảng 2.1.

SỨC CẢN TÀU CHO 04 MÔ HÌNH TÀU THEO PHƯƠNG PHÁP LÝ THUYẾT

PHƯƠNG PHÁP LÝ THUYẾT 3.1 Các thông số cơ bản của mô hình

Đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng tới sức cản của tàu Swath” đã trình bày bốn mô hình tính toán sức cản Tác giả đã phân tích và so sánh kết quả giữa các mô hình này, từ đó đề xuất mô hình có sức cản tối ưu nhất.

Bốn mô hình được nghiên cứu có các thông số cơ bản như chiều dài, chiều rộng, chiều cao, mớn nước và lượng chiếm nước tương đương Phần trên mớn nước của các mô hình được coi là giống nhau, và các điều kiện biên như độ nhám bề mặt vỏ tàu, môi trường hoạt động, cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến sức cản như vận tốc, tỷ trọng nước và nhiệt độ môi trường nước đều được xác định giống nhau cho cả bốn mô hình Do đó, thành phần sức cản bổ sung của các mô hình cũng sẽ tương đồng.

Việc tính toán sức cản cho các mô hình tàu Swath tập trung vào hai phần chính: phần thân tàu ngâm trong nước và phần thân tàu trên mớn nước chịu sức c

Kíchthước của mô hìnhđược lấytheotỷlệ 1:10 từ kíchthước củatàuthật

Hình 3.1 trình bày bốn mô hình khác nhau, mỗi mô hình bao gồm ảnh cấu trúc tổng thể và ảnh biên dạng thân tàu dưới boong chính cùng với trụ nối Từ trái sang phải và từ trên xuống dưới, các mô hình được sắp xếp như sau: mô hình 1 với biên dạng chân voi, mô hình 2 với biên dạng tròn thay đổi, mô hình 3 với biên dạng tròn đều, và mô hình 4 với biên dạng tròn đều có bậc.

Hình 3.1 Hình ảnh 04 mô hình

3.1.1 Thông số mô hình nghiên cứu 1

Các thông số của mô hình nghiên cứu 1 được tổng hợp và trình bày theo bảng 3 1dướiđây

Bảng 3.1 Bảngthông số củamô hìnhnghiên cứu 1

N0 Tên gọi Ký hiệu Giá trị Đơn vị

Các thông số của mô hình nghiên cứu được tổng hợp và trình bày theo 2 bảng 3.2 dưới đây

Bảng 3.2 Bảng thông số củamô hìnhnghiên cứu 2

Các thông số của mô hình nghiên cứu 3 được tổng hợp và trình bày theo bảng 3.3 dưới đây

Các thông số của mô hình nghiên cứu 4 được tổng hợp và trình bày theo bảng 3.4 dưới đây

Vận tốc của 04 mô hình được lấy cùng 1 vận tốc khai thác và được tính theo đồng dạng Froude theo vận tốc tàu thực là 20 hl/h

Phương trình (3.1) biểu diễn công thức tính số Froude

Số Froude: Fr =   (3.1) Phương trình (3.2) biểu diễn công thức đồng dạng theo Froude

Tiêu chuẩn đồng dạng Froude Frt = Frm hay  

  (3.2) Phương trình (3.3) biểu diễn mối quan hệ giữa vận tốc mô hình và vận tốc tàu thực Vm =  

 (3.3) Trong đó: Các thông số có chỉ số “m” ứng với thông số mô hình

Các thông số có chỉ số “t” ứng với thông số tàu thực k = Lt/Lm= 10 Vận tốc tàu thực Vt= 20 hải l / ý giờ = 10.29 m/s

Kết quả tính vận tốc mô hình theo vận tốc tàu thực và tỷ lệ mô hình được thể hiện ở bảng 3.5 dưới đây

Bảng 3.5 Bảng tính vận tốc mô hình

Tên gọi Ký hiệu - Đơn vị Giá trị

Vân tốc tàu thực Vt(m/s) 10.29

Vân tốc mô hình Vm(m/s) 3.25

Tính toán sức cản của tàu theo phương pháp lý thuyết là một phương pháp gần đúng, thể hiện qua mối quan hệ giữa hệ số sức cản C hoặc sức cản dư đơn vị R/∆ và sức cản toàn bộ RT/∆ với tốc độ tàu Các thông số này phản ánh kích thước, hình dáng thân tàu và tốc độ tương đối hoặc số Froude Phương pháp này sử dụng dữ liệu từ khảo sát mô hình các loại tàu đã xác định, với sự thay đổi hệ thống các thông số hình dáng Do đó, phương pháp gần đúng này phù hợp cho từng loại tàu và dải kích thước trong phạm vi đã xác định trước.

Trong luận văn này tác giả sử dụng phương pháp tham số để tính toánsức cản phần thân tàu dưới đường nước, theo tài liệu tham khảo [6]

Theo công thức (1.1) R = Rv + Rw + Rkk + Ra (3.4)

Rkklà sức cản không khí

Ralà sức cản bổ sung

Việc tính toán sức cản cho các mô hình tàu chủ yếu tập trung vào phần thân tàu ngâm trong nước và phần thân tàu trên mớn nước chịu sức cản không khí Do đó, có thể bỏ qua thành phần lực cản bổ sung R_a của các mô hình vì chúng giống nhau.

Sức cản toàn bộ R = Rv + Rw + Rkk (3.5)

Rkklà sức cản không khí a) Các tham số tính toán bao gồm

Hình 3.1 minh họa các kích thước cần thiết để tính toán hệ số sức cản của tàu Swath, thông tin này được trích dẫn từ hình 2 trong tài liệu tham khảo [6].

Hình 3.2 Hình ảnhcáckích thước dùng làmtham số tính toán

LP Chiều dài phần thân tàu dưới nước

BP Chiều rộng phần thân tàu dưới nước

DP Chiều cao phần thân tàu dưới nước

YP Khoảng cách giữa hai tâm trụ

LK Chiều dài phần trụ nối

BK Chiều rộng phần trụ nối

TK Chiều cao phần trụ nối

   Hệ số béo của phần thân tàu dưới nước

∇ P là thể tích phần thân tàu chìm dưới nước không tính trụ nối

SP là diện tích mặt cắt lớn nhất phần thân tàu chìm dưới nước không tính trụ nối a) Sức cản nhớt Rv

Phương trình biểu diễn công thức tính sức cản nhớt theo các thông số liên quan được thể hiện trong công thức (3.6)

 S (3.6) Trong đó: ρ làkhối lượng riêng nước

S là diện tích mặt ướt vỏ tàu

CV là hệ số sức cảnnhớt

Phương trình (3.7) cung cấp công thức tính hệ số sức cản nhớt dựa trên các hằng số và tham số liên quan, được trích dẫn từ phương trình (8) trong tài liệu tham khảo [6].

Bảng 3.6 Các hằng số trong công thức tính C V i= 1 2 3 4

Bảng 3.6 thể hiện các hằng số Ci (i=1-4) trong công thức (3.7) được trích dẫn , theo bảng 2 trong tài liệu tham khảo [6] b) Sức cản sóng Rw

Phương trình biểu diễn công thức tính sức cản sóng theo các thông số liên quan được thể hiện trong công thức (3.8)

 S (3.8) Trong đó: ρ làkhối lượng riêng nước

S là diện tích mặt ướt vỏ tàu

Cw là hệ số sức cản sóng

Phương trình (3.9) cung cấp công thức tính hệ số sức cản nhớt dựa trên các hằng số và tham số liên quan, được trích dẫn từ phương trình (10) trong tài liệu tham khảo [6].

Bảng 3.7 Các hằng số trong công thức tính C w i= 0 1 2 3

Bảng 3.7 thể hiện các hằng số Cij trong công thức (3.9), được trích dẫn theo bảng 3 trong tài liệu tham khảo [6] c) Sức cản không khí Rkk

Phương trình (3.10) biểu diễn công thức tính sức cản không khí

Trong đó: ΡA làkhối lượng riêng của không khí;

V A là vận tốc tương đối của gió Phương trình (3.11) biểu diễn công thức tính vận tốc tương đối của gió

U là vận tốc gió, trong khi α biểu thị góc tác dụng của gió so với trục giữa tàu Trong bài viết này, tác giả coi hướng tác dụng của gió ngược với hướng di chuyển của tàu, do đó α được xác định là 0 độ.

SAlà diện tích hình chiếu phần trên mặt nước của tàu lên sườn giữa

CA là hệ số sức cảnkhông khí 3.2.2 Kết quả tính toán cho mô hình 1 a) Sức cản nhớt

Sức cản nhớt của mô hình 1 được tính toán và trình bày theo bảng 3.8 dưới đây

Bảng 3.8 Bảng tính sức cản nhớt cho mô hình 1

N0 Ký hiệu Đơn vị Giá trị

Sức cản sóng của mô hình 1 được tính toán và trình bày theo bảng 3.9 dưới đây

Bảng 3.9 Bảng tính sức cản sóng cho mô hình 1

11 (DP/LP).(Bk/Dp).(Lk/Lp) 0.0308

12 (DP/LP) 2 (Bk/Dp).(Lk/Lp) 0.0018

13 (DP/LP).(Bk/Dp) 2 (Lk/Lp) 0.0169

14 (DP/LP).(Bk/Dp).(Lk/Lp) 2 0.0299

15 (DP/LP) 2 (Bk/Dp) 2 (Lk/Lp) 2 0.0010

20 RW N 283.151 c) Sức cản không khí

Sức cản không khí của mô hình 1 được tính toán và trình bày theo bảng 3.10 dưới đây

Bảng 3.10 Bảng tính sức cản không khí cho mô hình 1

Bảng 3.11 Bảng tổng hợp sức cản của mô hình 1

Bảng 3.11 thể hiện giá trị của tổng sức cản và các giá trị của các thành phần sức cản đối với mô hình 1

3.2.3 Kết quả tính toán cho mô hình 2 a) Sức cản nhớt

11 (DP/LP).(Bk/Dp).(Lk/Lp) 0.0338

12 (DP/LP) 2 (Bk/Dp).(Lk/Lp) 0.0023

13 (DP/LP).(Bk/Dp) 2 (Lk/Lp) 0.0176

14 (DP/LP).(Bk/Dp).(Lk/Lp) 2 0.0326

15 (DP/LP) 2 (Bk/Dp) 2 (Lk/Lp) 2 0.0011

11 (DP/LP).(Bk/Dp).(Lk/Lp) 0.0206

12 (DP/LP) 2 (Bk/Dp).(Lk/Lp) 0.0013

13 (DP/LP).(Bk/Dp) 2 (Lk/Lp) 0.0067

14 (DP/LP).(Bk/Dp).(Lk/Lp) 2 0.0201

15 (DP/LP) 2 (Bk/Dp) 2 (Lk/Lp) 2 0.0004

N 0 Ký hiệu Đơn vị Giá trị

11 (DP/LP).(Bk/Dp).(Lk/Lp) 0.0228

12 (DP/LP) 2 (Bk/Dp).(Lk/Lp) 0.0016

13 (DP/LP).(Bk/Dp) 2 (Lk/Lp) 0.0081

14 (DP/LP).(Bk/Dp).(Lk/Lp) 2 0.0215

15 (DP/LP) 2 (Bk/Dp) 2 (Lk/Lp) 2 0.0005

N 0 Ký hiệu Đơn vị Giá trị

Bảng 3.24 Bảng tổng hợp sức cản của 04 mô hình

N0 Nội dung so sánh Mô hình 1 Mô hình 2 Mô hình 3 Mô hình 4

1 Dạng tuyến hình Chân voi Thân tròn thay đổi Thân tròn đểu Thân tròn có bậc

4 Sức cản tính theo phương pháp lý thuyết (N) 371.29 380.78 418.13 391.78

Bảng 3.24 tổng hợp sức cản của bốn mô hình theo phương pháp lý thuyết Mô hình 1 với hình dạng chân voi có sức cản nhỏ nhất, trong khi mô hình 3 với dạng thân tròn đều lại có sức cản lớn nhất.

TÍNH SỨC CẢN CỦA TÀU BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỐ

MÔ PHỎNG SỐ 4.1 Mô hình nghiên cứu

Trong chương 3, tác giả đã trình bày về việc tính toán sức cản theo phương pháp lý thuyết Bên cạnh đó, tác giả sẽ áp dụng phương pháp mô phỏng số để xác định sức cản của bốn mô hình khác nhau.

Phần mềm sử dụng để mô phỏng STAR CCM+

Mô hình nghiên cứu có kích thước bằng 1/10 mô hình tàu thật và đã được trình bày cụ thể ở chương 3 Vận tốc tàu sử dụng trong mô phỏng là 3,25 m/s

4.2 Mô hình toán sử dụng trong mô phỏng

Khí động lực học tàu thủy hiện nay rất quan trọng trong việc tối ưu hóa thiết kế hình dáng nhằm giảm sức cản và tăng hiệu suất đẩy Nhờ vào sự phát triển của công nghệ máy tính, chúng ta có thể tính toán động lực học dòng chảy một cách chính xác, thay vì chỉ dựa vào thử nghiệm mô hình tại các bể thử tiêu chuẩn Điều này giúp rút ngắn thời gian thử nghiệm và tiết kiệm chi phí nghiên cứu.

Trong phần mô phỏng tác giả sử dụng mô hình toán K Epsilon Turbulence để mô phỏng đặc tính dòng chảy trung bình đối với dòng chảy rối tiêu chuẩn

Từ mô hình toán K Epsilon Turbulence được thiết lập, sử dụng phần mềm STAR CCM+- để tính toán

4.2.1 Phần mêm Star CCM+ Đa số các bài toán mô tả các quá trình vật lý, trong đó có quá trình tạo sức cản lên bề mặt vỏ tàu thường được biểu diễn dưới dạng các phương trình vi phân

Việc xác định nghiệm của các phương trình vi phân phi tuyến là một thách thức lớn do tính chất phức tạp của chúng Các quá trình gây ra sức cản thường có nhiều tham số và phương trình mô tả, làm cho việc giải tích trở nên khó khăn Để giải quyết vấn đề này, người ta thường áp dụng các phương pháp số như phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp sai phân hữu hạn hoặc phương pháp khối hữu hạn để tìm nghiệm gần đúng Tuy nhiên, các phương pháp này thường tốn nhiều thời gian và độ chính xác không cao do phải đơn giản hóa mô hình bằng cách loại bỏ nhiều thành phần.

Ngày nay, sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thông tin và các phần mềm chuyên dụng đã giúp giải bài toán đa biến trở nên đơn giản hơn Trong ngành công nghiệp tàu thủy, việc tính toán sức cản thông qua động lực học chất lỏng CFD (Computational Fluid Dynamic) ngày càng trở nên phổ biến Nhiều phần mềm như STAR-CCM+, ANSYS FLUENT, và CFX được sử dụng để mô phỏng, tuy nhiên mỗi phần mềm chỉ mạnh ở một ứng dụng cụ thể Trong luận văn này, mô phỏng sức cản của tàu được thực hiện bằng phần mềm STAR-CCM+, nổi bật với khả năng tính toán và phân tích sức cản của dòng chất lỏng tác động lên vỏ tàu.

Phần mềm STAR-CCM+ do CD-Adapco phát hành là một công cụ mô phỏng và tính toán CFD hiệu quả, cho phép người dùng thực hiện toàn bộ quy trình từ tạo khối hình học đến xử lý kết quả trong một môi trường thống nhất Điều này khác biệt so với ANSYS FLUENT, nơi người dùng cần sử dụng Gambit để tạo khối hình và chia lưới trước khi mô phỏng STAR-CCM+ nổi bật với khả năng chia lưới mạnh mẽ, tự động làm sạch lưới và tích hợp nhiều mô hình mô phỏng, phù hợp cho nhiều loại bài toán khác nhau Để đảm bảo kết quả mô phỏng tin cậy, thuật toán của STAR-CCM+ được thực hiện theo quy trình như trình bày trong hình 4.1.

Hình 4.1 Thuật toán sử dụng trong phần mềm STAR- CCM+

Trong luận văn này lý thuyết về mô hình toán K Epsilon (k - ) ε được tác giả sử dụng theo tài liệu tham khảo [8] và [9]

Mô hình rối tiêu chuẩn k-ε được áp dụng trong phân tích mô phỏng thông qua giả thuyết Boussinesq, liên kết ứng suất Reynolds với gradient vận tốc trung bình của dòng chảy Phương trình của mô hình k-ε bao gồm hai phương trình: một để xác định động năng rối k và một để xác định độ phân tán động năng rối Điều này giúp đóng kín hệ phương trình trung bình thời gian của dòng chảy, bao gồm phương trình liên tục và phương trình Navier-Stokes Reynolds.

 = 0 (4.1) [8] Phương trình Navier - Stocks Reynold

       (4.2) [8] Trong đó ứng suất Reynold được tính theo công thức

Trong Star - CCM+phương trình động năng rối  = 

   (4.5) [7] Lượng khuy ch tán r i c a dòng ế ố ủ =  

 (4.6) [7] Các hằng số điều chỉnh, trích dẫn trong tài liệu tham khảo [9]

Phương trình xác định động năng rối k:

 + 2  E  E    (4.7) [9] Phương trình xác định độ phân tán động năng rối ε:

2  E  E  C      (4.8) [9] Trong các công thức trên: ui là thành phần vận tốc trung bình theo các phương

   là thành phần vận tốc dao động theo các phương ρlà khối lượng riêng

E  là thành phần tốc độ dao động

Xây dựng mô hình hình học 3D

Xác lập không gian miền tính toán

Lựa chọn mô hình tính toán, đặt các điều kiện biên

Chạy phần mềm, tìm điểm hội tụ

Xác định và đánh giá kết quả tính toán

4.3 Không gian tính toán và một số thông số vật lý

Hình 4 Không gian tính toán2 Kích thước domain:

- Gốc tọa độ đặt tại trọng tâm tàu

- Theo chiều z từ 15 m đến 7 m- Tổng số cells là 4511116 cells

Số bước lặp và thời gian chạy cụ thể như sau:

4.4.1 Kết quả mô phỏng cho 04 mô hình a) Mô hình 1

Hình 4.3 minh họa sự phân bố áp suất trên bề mặt mô hình 1, cho thấy áp suất giảm dần từ mũi tàu về lái Theo phương z, áp suất ở phần dưới tàu chịu lực cản của nước, trong khi phần trên chịu lực cản của không khí Màu sắc phía dưới đậm hơn, cho thấy áp lực nước tác động lên vỏ tàu lớn hơn nhiều so với áp lực không khí.

Hình 4.3 Hình ảnh phân bố áp suất trên bề mặt mô hình 1

Hình 4.4 minh họa phân bố áp suất tại mũi mô hình 1, cho thấy điểm tập trung ứng suất tại mút mũi với áp suất cao nhất Khi di chuyển về phía sau, áp suất giảm dần từ mũi về lái Tương tự, phần trên mớn nước cũng chịu ảnh hưởng của lực cản không khí, với áp suất tập trung ở mút mũi và giảm dần theo chiều từ mũi về lái.

Hình 4.4 Hình ảnh phân bố áp suất ở phía mũi mô hình 1

Hình 4.5 minh họa sự phân bố sóng quanh mô hình 1, cho thấy rằng chiều cao sóng lớn nhất xuất hiện ngay sau dòng chân vịt ở phía đuôi, sau đó lan tỏa dần về phía mũi tàu Vị trí mũi tàu có chiều cao sóng giảm dần theo bán kính từ tâm mũi Ở giữa tàu, sóng giao thoa với mức độ trung bình.

Tại vị trí trung gian giữa giữa tàu với mút lái và giữa tàu với mút mũi là khu vực có chiều cao sóng thấp hơn

Hình 4.5 Hình ảnh phân bố sóng xung quanh mô hình 1

Đồ thị lực cản theo thời gian trong mô hình 1, như thể hiện trong Hình 4.6, cho thấy sự hội tụ tại thời điểm s, với giá trị lực cản đạt 413 N.

Hình 4.6 Hình ảnh đồ thị lực cản theo thời gian với mô hình 1 b) Mô hình 2

Hình 4.7 cho thấy sự phân bố áp suất trên bề mặt mô hình 2, với áp suất giảm dần từ mũi đến lái tàu Theo chiều cao tàu, phần dưới chịu lực cản từ nước, trong khi phần trên chịu lực cản từ không khí Màu sắc phía dưới đậm hơn, cho thấy áp lực nước tác động lên vỏ tàu lớn hơn nhiều so với áp lực không khí.

Hình 4.7 Hình ảnh phân bố áp suất trên bề mặt mô hình 2

Hình 4.8 cho thấy sự phân bố áp suất ở mũi mô hình 1, với điểm tập trung ứng suất tại mút mũi nơi áp suất đạt giá trị lớn nhất Khi di chuyển về phía sau, áp suất giảm dần từ mũi đến lái Tương tự, phần trên mớn nước cũng chịu ảnh hưởng của lực cản không khí, với áp suất tập trung ở mút mũi và giảm dần theo chiều từ mũi về lái.

Hình 4.8 Hình ảnh phân bố áp suất ở phía mũi mô hình 2

Hình 4.9 cho thấy sự phân bố sóng xung quanh mô hình 2, với chiều cao sóng lớn nhất nằm ngay sau dòng chân vịt ở phía đuôi, sau đó lan tỏa dần về phía su Vị trí mũi tàu có chiều cao sóng giảm dần theo bán kính từ mút mũi Khu vực giữa tàu ghi nhận sự giao thoa sóng ở mức độ trung bình, trong khi khu vực trung gian giữa tàu với mút lái và mút mũi có chiều cao sóng thấp hơn.

Hình 4.9 Hình ảnh hân bố sóng xung quanh mô hình 2 p

Đồ thị lực cản theo thời gian trong mô hình 2, được thể hiện qua Hình 4.10, cho thấy sự hội tụ tại thời điểm s Tại thời điểm này, lực cản 80 đạt giá trị 404 N.

Hình 4.10 Hình ảnh đồ thị lực cản theo thời gian với mô hình 2 c) Mô hình 3

Tiêu đề	Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng tới sức cản tàu Swath
Tác giả	Trịnh Văn Đạt
Người hướng dẫn	TS. Hoàng Công Liêm
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Kỹ thuật máy thủy khí
Thể loại	luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2020
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	79
Dung lượng	10,81 MB