Nghiên Ứu Ảnh Hưởng Ủa Hình Dáng Hình Họ Đến Đặ Tính Khí Động Họ Và Giảm Lự Ản Khí Động Tá Dụng Lên Tàu Hở Ontainner.pdf

/m L ỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứ ủ ố ệ ế ảu c a tôi Các s li u, k t qu nêu trong luậ ựn văn là trung th c và chưa từ ợ ố ấ ỳng đư c ai công b trong b t k công trình nào kh[.]

/m

L ỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứ u c a tôi Các s li u, k t qu ủ ố ệ ế ả nêu trong luậ n văn là trung th c và chưa từ ự ng đư ợ c ai công b trong b t k ố ấ ỳ công trình nào khác

TÁC GIẢ LU ẬN VĂN

HV Nguyễn ăn Nhu V

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

-

Nguyn Ngọc Nguyên

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HÌNH DÁNG HÌNH HỌC

Chuyên ngành: Kỹ thu t Cơ khí đ ng l c ậ ộ ự

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH KỸ THU T Ậ CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯ I HƯỜ ỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 TS NGÔ VĂN HỆ

2

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công b trong các công ốtrình nào khác

LỜI CẢM ƠN

Với tư cách là tác giả của luận văn này, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhấ ết đ n t y giáo Thầ S Ngô Văn H ngư i đã trệ ờ ực ti p hư ng ế ớdẫn tôi tận tình và chu đáo để tôi có thể hoàn thành lu n văn này ậ

Đồng thời tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đ n t p th th y, cô ế ậ ể ầgiáo của vi n cơ khí đ ng l c, vi n đào t o Sau đ i h c, trư ng Đ i H c Bách ệ ộ ự ệ ạ ạ ọ ờ ạ ọKhoa Hà Nội đã tận tình d y d , truyềạ ỗ n đ t ki n th c, giúp tôi su t th i gian ạ ế ứ ố ờhọc tập và làm luận văn

Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, b n bè và đạ ồng nghi p ệ

đã giúp đỡ ủ, ng h tôi hộ ết lòng, động viên và chia sẻ trong suốt thời gian tôi học tập và làm luận văn

Hà Nội, tháng 6 năm 2017

H

ọc viên Nguyễn Ng c Nguyên ọ

ii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC HÌNH VẼ v

DANH MỤC CÁC BẢNG vii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Lịch sử nghiên cứu 1

3 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu 2

4 Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả 2

5 Phương pháp nghiên cứu 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 4

1.1 Tổng quan nghiên cứu trong và ngoài nước 4

1.2 Lực cản và các thành phần lực cản tàu thủy 6

1.3 Giảm lực cản và phương pháp giảm lực cản 9

1.4 Kết luận chương 1 16

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÔNG CỤ MÔ PHỎNG SỐ 17

2.1 Lực cản tác động lên tàu 17

19

2.3 Công cụ sử dụng trong tính toán mô phỏng CFD 25

2.4 Kết luận chương 2 28

CHƯƠNG 3: ẢNH HƯỞNG CỦA HÌNH DÁNG HÌNH H ỌC ĐẾN ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG HỌC VẬT THỂ 30

3.1 Khảo sát đặc tính khí động học hình dáng hình hộp 30

3.2 Ảnh hưởng của hình dáng hình học đến đặc tính khí động học 33

3.3 Phát triển hình dáng khí động ứng dụng giảm lực cản cho tàu 37

3.4 Kết luận chương 3 46

iii

4.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến lực cản gió tác động lên tàu 47

4.2 Mô hình tàu sử dụng trong tính mô phỏng số CFD 50

4.3 Miền không gian tính toán, chia lưới và đặt điều kiện biên 52

4.4 Kết quả phân bố áp suất và dòng bao quanh tàu nguyên mẫu 53

4.5 Nghiên cứu giảm lực cản khí động tác động lên thân tàu container 55

4.6 Kết luận chương 4 60

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 61

1 Kết Luận 61

2 Kiến nghị 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

iv

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Một số biện pháp giảm lực cản, giảm tiêu hao nhiên liệu cho tàu 10 Hình 1.2: Phương pháp làm sạch vỏ tàu giảm lực cản 12 Hình 1.3: Bọc composite cho vỏ tàu gỗ giúp giảm lực cản nhớt 13 Hình 1.4: Phương pháp phun bọt khí giảm lực cản cho tàu 14 Hình 1.5: Tối ưu hình dáng mũi tàu giảm lực cản sóng 15

17 Hình 3.1: Mô hình vật thể cơ bản sử dụng trong nghiên cứu, l/h=1, N1 31 Hình 3.2: Phân bố áp suất bao quanh vật thể khảo sát tại mặt cắt dọc tâm, N1 33 Hình 3.3: Đường dòng bao quanh vật thể khảo sát tại mặt cắt dọc tâm, N1 33 Hình 3.4: Đường dòng bao quanh vật thể khảo sát N1, N2 35 Hình 3.5: Đường dòng bao quanh vật thể khảo sát N3, N4 36 Hình 3.6: Đường dòng bao quanh vật thể khảo sát N5, N6 36 Hình 3.7: Đường dòng bao quanh vật thể khảo sát N7 36 Hình 3.8: So sánh lực cản khí động tác động lên vật thể 37 Hình 3.9: Hình dáng hình hộp cải tiến vát mép trước 38 Hình 3.10: Lực cản khí động tác động lên vật thể khảo sát 39 Hình 3.11: Kết quả phân bố áp suất bao quanh hình dáng N7-3 40 Hình 3.12: Mô hình thay đổi kích thước vật thể khảo sát, N7-3 41 Hình 3.13: Lực cản khí động tác động lên vật thể khảo sát 42 Hình 3.14: Mô hình cải tiến từ hình dáng N7-3.4.1 43

Hình 3.15: Lực cản khí động tác động lên vật thể khảo sát 44 Hình 3.16: Hình dáng vật thể thay đổi kích thước khảo sát 44 Hình 3.17: Kết quả tính lực cản khí động tác động lên vật thể khảo sát 45 Hình 3.18: Kết quả mô phỏng phân bố áp suất bao quanh vật thể tốt nhất trong

v

Hình 4.1: Phân bố dòng bao quanh vật thể trụ và hộp theo số Reynolds 49 Hình 4.2: Sơ đồ tính mô phỏng số CFD các đặc tính khí động lực học thân tàu 51 Hình 4.3: Đường hình dáng tàu chở container sử dụng trong tính toán 51 Hình 4.4: Mô hình tàu container nguyên bản sử dụng trong tính mô phỏng 52 Hình 4.5: Miền không gian tính toán và điều kiện biên 54 Hình 4.6: Phân bố áp suất động tại mặt cắt dọc tâm miền không gian tính toán 54 Hình 4.7: Phân bố vận tốc dòng xung quanh tàu tại mặt cắt dọc tâm 55 Hình 4.8: Kết quả mô phỏng số phân bố áp suất trên bề mặt thân tàu nguyên

Hình 4.9: Mô hình các phương án xếp container trên tàu khảo sát 57 Hình 4.10: Phân bố áp suất bao quanh thân tàu khảo sát 58 Hình 4.11: Phân bố dòng bao quanh thân tàu khảo sát 59 Hình 4.12: Hệ số lực cản khí động tác động lên thân tàu khảo sát 60 Hình 4.13: Công suất tiêu hao cho phần lực cản khí động tác động lên tàu khảo

vi

DANH M C CÁC BỤ ẢNG

Bảng 2.1: Vận tốc gió Bopho tại độ cao h = 6,0m so với mặt nước biển 18

Bảng 3.2: Hệ số lực cản khí động tác động lên vật thể cơ bản hình hộp 34 Bảng 3.3: Tỷ số kích thước hình học hình hộp khảo sát 35 Bảng 3.4: Bảng kết quả tính toán lực cản khí động tác đông lên vật thể 37 Bảng 3.5: Bảng thông số kích thước hình dáng vật khảo sát 39 Bảng 3.6: Kết quả tính toán lực cản khí động tác động lên vật thể 40 Bảng 3.7: Thông số kích thước thay đổi mô hình N7-3 41 Bảng 3.8: Kết quả tính toán lực cản khí động tác động lên vật thể 42 Bảng 3.9: Thông số kích thước thay đổi mô hình N7-3 43 Bảng 3.10: Kết quả tính toán lực cản khí động tác động lên vật thể 43 Bảng 3.11: Thông số kích thước mô hình khảo sát 45 Bảng 3.12: Kết quả tính toán lực cản khí động tác động lên vật thể 45

B ng 4.2: M t s ả ộ ố điều kiệ n tính mô ph ỏng 53

vii

M Ở ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong quá trình vận tải đường thủy, đ ể nâng cao hi u quệ ả khai thác tàu

có nhiều phương pháp khác nhau, trong đó phần lớn được th c hi n theo ự ệphương pháp làm giảm tiêu hao nhiên liệu cần thiết cho tàu Để giảm tiêu hao nhiên liệu cho việc khai thác tàu thì giảm lực cản là một trong những biện pháp h u ích và mang lữ ại nhiều lợi ích thiết thực nhất hiện nay ấV n đềnghiên cứu giảm lực cản, ti t kiế ệm nhiên liệu hiện đang được nhi u nhà ềnghiên cứu, thi t kế ế và khai thác kinh doanh n tải vậ quan tâm Từ nhu cầu đó, tác giả ự l a chọn vấn đ nghiên cứu ảnh hưởề ng c a hình dáng hình họủ c đ n đ c ế ặtính khí động và giảm l c c n ự ả khí động tác ng lên tàu container Nghiên dụcứu này nh m nâng cao hiằ ệu qu kinh tả ế khai thác tàu

2 Lịch sử nghiên cứu

Trong vấn đ liên quan đề ến tính toán lực cản nói chung, cũng như lực

cản khí đ ng của tàu thủy nói riêng đã được nhiều tác giả trong, ngoài nước ộquan tâm thực hiện nghiên cứu T ừ những năm về trước khi công cụ ỗ ợ h tr tính toán chưa phát triển, thì việc tính toán xác định l c c n tàu chủ yếự ả u d a ựtrên kết quả thực nghiệm mô hình tàu Trên cơ sở ế k t quả ổ t ng h p củợ a r t ấnhiều kết quả th nghiử ệm khác nhau s hình thành nên bẽ ộ tài liệu chuyên dùng trong tính toán và tra cứu lực cản tàu Đến nay, với s phát triự ển mạnh của các công cụ, phương tiên hỗ trợ tính toán số ra đ i, tính toán độờ ng l c h c ự ọchất l ng CFDỏ (Computation Fluid Dynamic) đã trở thành công cụ ữ h u d ng ụtrong việc ư c lư ng, dựớ ợ đoán l c cảự n tác động lên tàu CFD đã trở thành

1

công cụ ph bi n đư c nhi u nhà nghiên c u s d ng làm công cụ ỗ ợổ ế ợ ề ứ ử ụ h tr nghiên c u cho mìnhứ [1-25]

Úng dụng CFD trong nghiên c u tính toán giứ ảm lực cản gió cho tàu chở hàng là vấn đ hiệề n nay vẫn đang r t quan trọng cho các nhà khoa học [4-9] ấVới mỗi lo i tàu khác nhau, cần có các biện pháp kỹ thuật khác nhau để làm ạgiảm lực cản tác động lên tàu Nghiên cứu giảm lực cả tác động n lên tàu cũng chính là nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả khai thác tàu Đây chính là vấn

đề đặ t ra c n gi i quyết trong luận văn này ầ ả

3 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu c a đ tài là phân tích, đánh giá nh hưủ ề ả ởng c a hình ủdáng hình học đ n đ c tính khí đế ặ ộng học và ứng dụng trong việc gi m l c c n ả ự ảkhí động tác đ ng lên thân tàu chở hàng Thông qua các kết quả tính toán mô ộphỏng, đề xu t mộ ố ảấ t s gi i pháp làm giảm lực cản khí đ ng tác động lên tàu ộnhằm nâng cao hiệu quả kinh t ế khai thác tàu

Đối tư ng nghiên c u là nghiên cợ ứ ứu giảm lực cản khí độ tác động lên ngtàu chở hàng nhằm nâng cao hiệu quả khai thác tàu

Do giới h n vạ ề thời gian trong việc thực hiện tính toán mô phỏng số như

việc v thi t k hình dáng ẽ ế ế 3D thân tàu, cũng giới hạn về ấ c u hình máy tính cá nhân, thời gian chờ ế k t quả ch y mô phỏng, ạ trong luận văn này ch ớ ạỉ gi i h n phạm vi nghiên cứu trên một thân tàu chở container nh ất định và hạn chế ộ m t

s ố trường hợp cụ ể th

4 Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả

Trong luận văn này đư c thực hiện bao gồm phần nghiên cứu tổng quan ợ

v ề khí động học phần trên mặt nư c c a tàu th y, thiết lập mô hình tính toán ớ ủ ủ

đố ới v i mộ ốt s hình dáng v t th ậ ể 3D và a củ tàu chở container đã chọn, sau đó

2

s dử ụng các bư c giải mộớ t bài toán mô ph ng s CFD đ gi i quy t v n đ ỏ ố ể ả ế ấ ề

đặt ra C th là, khi thi t l p xong mô hình 3D tác giụ ể ế ậ ả đã s d ng ử ụ công cụ chuyên dụng để chia lư i và cu i cùng là đưa vào phần mềm ANSYS ớ ốFLUENT để thiế ật l p các thông số, đi u kiện biên ề để thực hiệ chạy mô n phỏng số xác đ nh phân bố ậị v n tốc, áp suất và lực cả khí động tác động lên n tàu

Trên cơ sở phân tích kết quả thu đư c từ việc tính mô phỏng đặc tính khí ợ

động h c đ i v i mộ ốọ ố ớ t s hình dáng v t thậ ể thông dụng, tác gi th c hi n áp ả ự ệdụng trong việc đề xuất mộ ốt s thay đ i hình dáng cho thượng tầng tàu ổ chởcontainer, sau đó s dử ụng phần mềm chuyên dụng ANSYS FLUENT đ mô ểphỏng quá trình chuyển động của tàu tại tốc đ khai thác đ xác đ nh lực cản ộ ể ịcùng các đặc tính khí đ ng c a tàu sau khi đã thay đ i hình dáng theo độ ủ ổ ề xu t ấ

và so sánh đánh giá kết quả đạ t được

Kết quả mô phỏng s đưa ra phân b v n t c, phân bố ố ậ ố ố áp suất trên tàu

với hình dáng thư ng tầng tàu khác nhau Trên cơ sở phân tích kết quả thu ợđược, tác gi thựả c hi n vi c so sánh, đánh giá kệ ệ ết quả thu được, t ừ đó đưa ra những kết luận quan trọng, những lưu ý cho thiết kế khí đ ng h c c a tàu ộ ọ ủ

5 Phương pháp nghiên cứu

Tác giả ử ụ s d ng phương pháp nghiên c u kết hợp giữa nứ ghiên cứu lý thuyết truy n thốề ng và mô ph ng s ỏ ố CFD Đây là phương pháp nghiên cứu

ph biổ ến và hiện đại trên thế ớ đượgi i c nhi u nhà nghiên cứu quan tâm Từ lý ềthuyết tác gi mô hình hóa các mô hình tính toán, sau đó thực hiện việc chia ảlưới, đ t đi u kiệặ ề n biên và ch y mô ph ng K t qu thu đư c t mô phỏạ ỏ ế ả ợ ừ ng s ốđược so sánh phân tích , c th đưa ra các k t lu n cho vấụ ể để ế ậ n đ thựề c hi n ệ

3

CHƯƠNG 1: T Ổ NG QUAN NGHIÊN CỨU

1.1 Tổng quan nghiên cứu trong và ngoài nước

Khí động lực h c là ọ lĩnh vực khoa họ nghiên cứu vềc dòng ch y củả a ch t ấkhí, được nghiên cứu đ u tiên bởi George Cayley ầ vào thậ niên 1800 "Khí p

động h c" là m t nhánh c a đ ng l c h c ch t l ng nghiên cứu chuyểọ ộ ủ ộ ự ọ ấ ỏ n đ ng ộ

của không khí, đ c biệặ t là khi nó tương tác v i mộ ốớ t đ i tư ng di chuyển Khí ợ

động h c đã thư ng đượọ ờ c s d ng đ ng nghĩa v i khí đ ng lựử ụ ồ ớ ộ c, v i sự khác ớbiệt là khí động lực áp dụng đối v i dòng chớ ảy nén được Tìm hiểu về ự s chuyển đ ng của không khí xung quanh mộ ốộ t đ i tư ng cho phép tính toán các ợlực, mô men lực tác đ ng lên đ i tư ng Giộ ố ợ ải pháp cho các vấn đ khí độề ng lực học dẫn đ n các tính toán vềế tính ch t khác nhau của dòng chảấ y, như v n ậ

tốc, áp suất, mật đ ộvà nhi t đ , như là các hàm của không gian và thời gian ệ ộKhi hiểu đư c các tính chất này cợ ủa chất khí, người ta có thể tính toán chính xác hay xấp xỉ các l c ự và các mômen lự lên hệc th ng dòng chảy Việc sử ố

d nụ g khí động học thông qua phân tích toán học, xấp xỉ thực nghiệm và gió đường h m th nghiệm là cơ sởầ ử khoa h c [1, 2, 3] ọ

Khí động h c có th đư c chia thành hai lo i như khí đ ng h c bên ngoại ọ ể ợ ạ ộ ọbiên và khí động học n i biên.ộ Khí động học ngoại biên về cơ b n là nghiên ả

cứu về dòng chảy xung quanh các vật thể ắ r n hình d ng khác nhau.ạ Đánh giá thang máy, máy bay, dòng chảy của không khí qua một lư i tuabin gió hay ỡsóng xung kích hình thành ở phía trư c mũi c a mộớ ủ t tên lửa là ví dụ ề v khí

động h c ngo i biên Khí đ ng h c n i biên bao gồm việc nghiên cứu các ọ ạ ộ ọ ộluồng không khí thông qua mộ ột đ ng cơ ph n l c ho c thông qua mộả ự ặ t đư ng ờ

ống đi u hòa không khí ề [1, 2, 3]

4

Khí động l c h c cũng có th ợự ọ ể đư c phân lo i theo tỉ ố ậạ s v n tốc của dòng chảy so với vận tốc âm thanh Môn h c đư c xem là dư i v n t c âm thanh ọ ợ ớ ậ ố

nếu các vận tốc đ u nhỏ hơn vận tốc âm Khi vận tốề c vư t trên vận tốc âm thì ợđược x p vào vấế n đ nghiên cề ứu siêu âm hay siêu thanh và cực siêu thanh nếu vận tốc nhanh hơn vận tốc âm thanh nhi u l n ề ầ [1]

Trong mộ ốt s nghiên c u g n đây đã cho thấứ ầ y, hình dáng hình h c có nh ọ ả

hưởng lớn đến các đ c tính khí đ ng h c tác đ ng lên vật thểặ ộ ọ ộ chuy n đ ng, ể ộ

đặc bi t là các nghiên cứệ u đ i với các phương tiện giao thông vận tải như tàu ốthủy, ôtô, máy bay Hầu hết các nghiên cứu này được th c hi n nhằự ệ m t i ưu ốhình dáng khí động học cho các đ i tư ng nghiên cứu để đạố ợ t đư c mục đích ợ

tối ưu đ t ra, tốặ i ưu l c khí động, tối ưu xâm thực cánh hay siêu xâm thực ựcánh Một số tác gi nghiên c u vả ứ ề ấ v n đ giảm lực cản khí độề ng cho tàu chở hàng có thể ể đế k n như nghiên cứu của nhóm tác giả K Sugatacùng cộng sự (2013), nhóm tác giả Ngô Văn Hệ cùng c ng s (2013), Mizutani cùng cộng ộ ự

s ự (2013), Ngô Văn Hệ cùng cộng sự 2014, 2015), Nguyễn Văn Cường cùng (

cộng sự (2017) những nghiên cứu này tập trung nghiên cứu vấn đ nh hư ng ề ả ởcủa hình dáng tàu hàng như thân tàu, thượng tầng tàu và bố trí chung trên tàu

đến vi c gi m l c c n khí đ ng tác đ ng lên thân tàu B ng các nghiên cứu lý ệ ả ự ả ộ ộ ằthuyết và th c nghi m các tác giự ệ ả đã đưa ra được mộ ố ết s k t qu v gi m l c ả ề ả ự

cản gió tác đ ng lên tàu thông qua viộ ệc bố trí thư ng tầợ ng tàu trên boong và

đề xu t thư ng t ng m i cho tàu có biên dấ ợ ầ ớ ạng khí động giảm lực cản [4-9]

Một số nghiên cứu khác thực hiện nghiên cứu liên quan đến vấn đề ả nh hư ng ởcủa hình dáng thân vỏ đế n các đ c tính khí đ ng l c h c như ô tô như nghiên ặ ộ ự ọcứu của các tác giả Chainari cùng c ng sự (2008), Darko cùng c ng sộ ộ ự (2010), các nghiên cứu này cho thấy rõ sự ả nh hư ng của hình dáng xe đến ở

lực khí đ ng học bằng các biện pháp thay đổi hình dáng hình học của thân vỏ ộ

xe có thể giúp c i thiệả n đ c tính khí đ ng học cho xe [10 11ặ ộ , ] Một số nghiên

5

cứu khác của nhóm các tác giả như Lê Th Thái (2013), Kishinami (2005), ịPeter (2012) cùng cộng sự, tập trung nghiên cứu các vấn đ v nh hưề ề ả ởng của biên dạng hình h c cánh và tốọ i ưu biên d ng cánh nhằm tốạ i ưu l c đ y cho ự ẩcánh quạt hay khảo sát các hiện tư ng xâm thực cánh trong một số ềợ đi u kiện khảo sát của cánh nghiên cứu [12-14 ].

Trong nghiên c u này, ứ tác giả thực hiện việc khảo sát các đ c tính khí đ ng ặ ộhọc của mộ ốt s hình d ng hình học vật thểạ cơ b n nhằm đưa ra nhữả ng cơ s ởhướng t i tốớ i ưu hình dáng khí đ ng học cho vật thể chuyểộ n đ ng Từ những ộ

kết quả đưa ra về cơ sở ối ưu hình dáng khí độ t ng h c v t th , tác gi thực ọ ậ ể ảhiện việc ứng dụng đ thực hiện cải thiện đặể c tính khí đ ng học thân tàu thủy ộthông qua quá trình thay đ i hình dáng thân tàu hưổ ớng t i tốớ i ưu hình dáng khí động h c thân tàu ọ

1.2 Lực cản và các thành phần lực cản tàu thủy

Trong quá trình hoạt động, chuyển đ ng của tàu phần trên mặộ t nư c, ớphần trong nước đ u có các bề mặ ỏề t v tàu ti p xúc với môi trường bao quanh ế

nó Mặ ớ ỏt ư t v tàu ti p xúc vớế i môi trư ng nướờ c, ph n trên mặầ t nư c ti p xúc ớ ế

với không khí và bề ặt này chị m u tác đ ng c a các l c do môi trường gây ra ộ ủ ựLực cản của tàu trong thực tế không th xác để ịnh hoặc đo lường một cách tr c ựtiếp mà thường vi c tính toán l c c n củệ ự ả a tàu được th c hi n, thu thập số ệự ệ li u

từ thử nghiệm trên các mô hình tàu trong bể thử Việc xác đ nh l c cị ự ản của tàu trong môi trường nước thường phân tích trên các thành phần l c cự ản độc lập, sơ đồ các thành phần l c cự ả tàu đượn c th hi n trong bảng 1.1 ể ệ

6

L c cự ản ma sát RF xuất hiện do ảnh hư ng đ nhớt củở ộ a ch t l ng gây ấ ỏ

ma sát với v ỏ tàu Lực c n ma sát chiả ếm phần lớn tổng lực cản thân tàu, kho ng ả 80÷90% lực cản nhớt và chiếm khoảng 50÷70% t ng l c c n tàu ổ ự ảNếu hình dáng tàu càng trơn, d thoát nưễ ớ ảc nh hư ng c a c a hình dáng thân ở ủ ủtàu càng nhỏ thì l c cự ản nhớt hầu như hoàn toàn là lực c n ma sát L c cả ự ản

ma sát chịu ảnh hưởng đ cong dọc và ngang thân tàu ộ

Lực ản hình dáng Rc V sinh ra bởi ảnh hư ng của lớở p biên đ i với quy ốluật phân bố áp su t trên thân tàu, nó phấ ụ thu c vào các dạộ ng tách lớp biên,

mà hiện tư ng này lợ ại ảnh hưởng bởi hình dáng thân tàu N u hình dáng thân ếtàu càng khó thoát nước thành phần l c cự ản này càng lớn

Lực ản sóng Rc w, khi tàu chuyển đ ng trên mặt thoáng cộ ủa chấ ỏng t ltrọng lực sẽ sinh ra sóng, sóng đó sinh ra l c cự ản sóng Lực cản sóng càng lớn khi vận tốc tàu càng lớn

Lực ản toàn bộ ủc c a tàu đư c xác đ nh là t ng c a l c c n ma sát Rợ ị ổ ủ ự ả F và

lực ản dư Rc r và các thành phần l c cự ản bổ sung:

RT = RF + Rr + RA (1.1)

7

Trong nghiên cứu tính toán lực cản tàu thủy, lực cản thân tàu còn đư c ợphân chia thành 2 thành phần chủ ế y u bao gồm: lực cản khí đ ng tác động lên ộphần thân tàu phía trên mặt nư c Rớ air và thành ph n lầ ực cản ư t tác đớ ộng lên phân thân tàu ti p xúc vế ới nước bao gồm cả ự l c cản sóng Rwater

Trong luận văn này tác giả ậ t p trung nghiên c u thành phần lực cản khí ứ

động tác đ ng lên ph n thân tàu phía trên mộ ầ ặt nư c Rớ air nhằm làm giảm thành phần lực cản này tác động lên tàu

Quá trình ận tải đườv ng th y, lực cảủ n tác đ ng lên tàu như trên đã đề ậộ c p

đến có th phân chia thành ể 2 thành phầ chính, mộn t là xuất phát từ phần thân tàu tiếp xúc với môi trư ng nườ ớc gây ra, hai là lực cản do ph n thân tàu tiầ ếp xúc với không khí gây ra Trong luận văn này, tác gi c p nghiên c u lả đề ậ ứ ực cản gió hay lực cản khí đ ng tác động lên phân thân tàu phía trên mặộ t nư c ớThành phần lực cản này được g i là l c cọ ự ản khí động hay lực cản gió hay lực cản không khí

Lực này tác đ ng vào tàu có phương bất kỳ ộ phụ thuộc vào hư ng gió và ớ

có độ ớ l n ph thu c vào di n tích mặ ứụ ộ ệ t h ng gió c a tàu, h s c n khí đ ng và ủ ệ ố ả ộbình phương của v n t c tuyệ ốậ ố t đ i giữa dòng khí và tàu

H s cệ ố ản khí đ ng phụ thuộc rất nhiều vào hình dáng khí độộ ng, đ bóng ộ

của bề ặt vỏ và các góc cạnh của thân tàu Lự m c khí đ ng ảnh hưởng lớn đến ộchất lư ng độợ ng l c h c, an toàn trong quá trình v n tải của tàu ự ọ ậ

Khi nghiên cứu ảnh hưởng của lực khí động tác động lên tàu theo quan điểm động lực học, người ta tách lực khí động thành 3 thành phần chính: Thành phần có phương song song với bề mặt đường chính là lực cản gió Đây được coi là thành phần chính của lực khí động vì tàu chuyển động theo

8

phương này nên vận tốc tuyệt đối giữa dòng khí và tàu là lớn nhất Đối với thượng tầng tàu có sự hạ thấp đột ngột phía sau sẽ tạo xoáy lốc cho dòng khí

và làm tăng hệ số cản không khí và sẽ có hệ số cản không khí lớn hơn so với các hình dáng thượng tầng khác Về nguyên tắc này, các nhà thiết kế sẽ tiến tới việc thiết kế để biên dạng tàu có hình dáng khí động nhất có thể

Thành phần lực có phương vuông góc với mặt thoáng sẽ tạo lực nâng nếu hướng của lực lên phía trên Điều này làm giảm chiều chìm cho tàu gây ra lắc dọc tàu nếu lực không ổn định Lực theo phương này phụ thuộc khá nhiều vào bề mặt của phần than tàu tiếp xúc với nước

Thành phần lực có phương ngang sẽ gây m t ổấ n đ nh hưị ớng cho tàu Thành phần lực này thường là nhỏ nhất do tính đ i xứố ng của tàu, trừ khi chúng ta đi vào vùng giông bão hay góc hướng gió thay đổi

Trong nghiên cứu tính toán lực cản và các thành phầ ựn l c khí đ ng khác ộtác động lên tàu, người ta thư ng dùng công thức tính toán như sau: ờ

9

vận tải là rất l n chính vì vớ ậy giảm đư c mộợ t ph n trong tổng số ấầ r t lớn lượng nhiên liệu tiêu hao thư ng xuyên này sờ ẽ giúp các nhà kinh doanh vậ ải khai n tthác tàu thu được một nguồ ợn l i nhu n khổậ ng l Hình 1.1 thể hiện sơ đồ ộồ m t

s ố biện pháp gi m tiêu hao nhiên liả ệu cho tàu đã được s d ng trong việc ử ụgiảm lực cản, giảm tiêu hao nhiên liệu, nâng cao hiệu qu kinh tả ế khai thác vận tải tàu

Hình 1.1: Mộ ố ệt s bi n pháp giảm lực cản, giảm tiêu hao nhiên liệu cho tàu

Trong quá trình khai thác tàu, lượng tiêu hao nhiên liệu cho tàu hầu hết

s dử ụng cho thi t bế ị đẩy tàu sinh công thắng lực cản thân tàu Các thành phần lực cản tác đ ng lên tàu như trên đã phân tích bao gồộ m l c c n không khí, l c ự ả ựcản nhớt và lực cản sóng tác đ ng lên tàu Do vộ ậy, việc nghiên cứu giảm các thành ph n lầ ực cản trên có ý nghĩa lớn trong việc giảm tiêu hao nhiên li u tệ ừ

10

đó giảm đư c chi phí vận tải hàng hóa, nâng cao hiệu quả khai thác của tàu, ợ

đồng th i giúp gi m lư ng khí th i ra môi trường Trong nghiên cứờ ả ợ ả u gi m ả

lực ản c cho tàu thường các nhà nghiên cứ ậu t p trung ch yủ ếu vào việc giảm lực cản ma sát, lực cản nhớt và l c c n sóng tác đ ng lên tàu Trong tổng số ự ả ộcác thành phần lực cản tác đ ng lên tàu thì lực cản ma sát nh t ộ ớ chiếm phần lớn trong tổng ực ản cl c ủa tàu Đối với những vật chìm hoàn toàn, hầu như

ch có ỉ l c cự ản nhớ tác động lên nó Do vậy, việc tìm các biện pháp giảm l c t ự

cản nhớt là ấv n đ khá quan trọng đặt ra cho các nhà nghiên cứ Đối với các ề u

vật thể ễ thoát nư c chú ý đ d ớ ến việc gi m l c c n ma sát vì thành phần l c ả ự ả ự

cản hình dáng không lớn Còn đ i với các vật thể khó thoát nước phải giảm ố

l c cự ản hình dáng Đ giảm ựể l c cản nhớt phải giảm đ nhám chung và độ ộnhám cục bộ ặ, đ c biệt là đ nhám do việộ c quét sơn, phòng ch ng rêu hà bám ố

và độ ăn mòn, áp dụng các d ng tàu tránh hiạ ện tượng tách lớp biên M t sộ ố biện pháp công nghệ giảm l c cự ản đang được nghiên c u và áp dứ ụng hiện nay trên tàu như sau:

- Làm sạch vỏ tàu: biện pháp này có thể áp dụng cho tất cả các lo i tàu b t kể ạ ấkiểu loại, kích thư c và công dớ ụng khai thác Ngay sau khi xuất xưởng, vỏ tàu

và các phần khác cần đư c giữ ạợ s ch Tuy nhiên theo thời gian, các bộ ph n ậnày sẽ ị b bám b n do tảo, hàu và các loài khác làm cho tàu khó khăn khi chạy ẩ

ở ố t c đ nh trư c do gia tăng l c cộ đị ớ ự ản ma sát và làm tăng lượng tiêu hao

nhiên liệu Việc làm sạch đ nh kỳ ẽ ải thiệị s c n đư c tình trạng này, nếu như ợkhông thể đưa tàu lên tri n đà ho c vào ụề ặ thư ng xuyên, vi c làm s ch chân ờ ệ ạ

vịt bằng thợ ặ l n cũng t ra có hiệu quảỏ nh t đ nh ấ ị

11

Hình 1.2: Phương pháp làm sạch v tàu giảm lực cản ỏ

- S dử ụng vật liệu phủ Polyme: b m t vỏề ặ tàu được phun phủ ộ ớ m t l p mỏng Polyme để giảm l c c n của tàu Trong suự ả ốt ba th p kậ ỷ qua rất nhiều bài báo trình bày nghiên cứu về ử ụ s d ng Polyme trong việc l c cự ản tàu, các nghiên

cứu chỉ ra rằng các phân tử Polime b ịkéo căng trong lớp biên r i bố ởi dòng chảy kết quả làm tăng độ nh t cụớ c b đã làm gi m l c c n chung trên toàn b ộ ả ự ả ộ

b mề ặt vỏ tàu, những nghiên c u gứ ần đây đã cho thấy các phân tử Polyme còn

có tác động vào s phân bốự xoáy trong dòng ch y từả đó làm gi m đ r i trong ả ộ ốdòng chảy

12

Hình 1.3: Bọc composite cho vỏ tàu gỗ giúp gi m l c c n nh t ả ự ả ớ

- Bôi trơn bọt khí: phun b t khí, tọ ạo khoang khí và tạo l p màng khí là ba ớcách thức của phương pháp bôi trơn b t khí b ng cách phun khí tọ ằ ạo lớp phủ không thấm nư c Cảớ ba phương pháp đ u đã ch ng mình là có khả năng ề ứ

giảm một lượng l c cự ản cho tàu một cách hi u qu Hi u qu gi m l c c n ệ ả ệ ả ả ự ảtrong vấn đ này là công suấ ẩề t đ y tàu đã giảm nhiều hơn so v i công suất của ớ

h ệ thống cấp khí Qua các thử nghiệm phương pháp này cho việc gi m l c ả ự

cản đ t trên 5%, phương pháp này r t có tiềm năng trong việạ ấ c gi m công su t ả ấ

của đ ng cơ ho c có thể nâng cao vận tốc cho tàu với công suấộ ặ t không đ i Sử ổdụng biện pháp tạo khoang khí phù h p vợ ới các tàu chạy v i m t t c đ ít ớ ộ ố ộthay đổi, vì biện pháp này đạt hiệu qu cao nhả ất ở m t phạộ m vi v n tậ ốc rất

hẹp Phương pháp này đã được áp d ng nhi u t i mộ ố ậụ ề ạ t s t p đoàn công nghiệp đóng tàu lớn t i Nhậạ t b n Hình ảnh dư i đây thả ớ ể hi n m t sốệ ộ hình nh ứng ảdụng của phương pháp này trên tàu

13

Hình 1.4: Phương pháp phun bọt khí giảm l c c n cho tàu ự ả

- Cải tiến hình dáng tàu: Những tàu béo ựl c cản hình dáng sinh ra do hiện tượng tách lớp biên ở phần đuôi tàu và thành phần l c cự ản này đóng vai trò chính trong l c cự ản nhớ Để giảm bớt chiều dài phầt n tách biên ngư i ta có ờthể dùng cánh có d dang bé và đặt nó vuông góc với vỏộ bao phía trư c vùng ớ

d ự kiến tách lớp biên Phương pháp này có nhiều cách th c hi n khác nhau, ự ệtuy nhiên cần thiết phải có tính toán nghiên cứu thử nghiệm cụ thể

14

Hình 1.5: Tối ưu hình dáng mũi tàu giảm l c c n sóng ự ả

- Giảm ựl c cản sóng: L c cự ản sóng RW của tàu chủ ếu phụ thuộc vào số yFroude và hình dáng thân tàu Việc giảm số Froude không phải là giảm l c ự

cản sóng theo hư ng tích c c, tuy nhiên nhiớ ự ều trư ng h p khi giờ ợ ảm số Froude

có thể đạ t ưu th v l c c n sóng và đưa chuyểế ề ự ả n đ ng vào vùng t c đ có l i ộ ố ộ ợViệc tính toán giảm lực cản sóng còn phụ thu c vào nhiềộ u y u t khác nhau ế ốnhư hình dáng, lo i tàu, điạ ều ki n sóng nghiên cứu Việc thay đổ ốệ i s Fr theo hướng có lợi khi giữ nguyên tốc đ chuy n đ ng b ng cách thay đổi chiều dài ộ ể ộ ằtàu Việc giảm đ t ngột hoặộ c tri t tiêu hoàn toàn ệ l c cự ản sóng khi đưa chuyển động vào số Fr > 1.0, các chế độ này là chế độ ổ n i tĩnh b ng chế độ ớằ lư t, hay nói cách khác là dùng tàu cánh ngầm hoặc tàu đ m khí Mộệ t cách khác đ ểgiảm l c cự ản sóng ta dùng thi t bế ị giao thoa: mũi quả lê Hi n nay ch y u là ệ ủ ếcác tàu vận t i cả ỡ ớ l n như tàu hàng, tàu dầu… s dử ụng mũi quả lê, các tàu cá

đa số là kích thư c nhỏớ nên s lư ng tàu cá l p mũi qu lê là r t ít, mộ ốố ợ ắ ả ấ t s

15

nước có ngh ca phát triểề n như Nh t B n, Hàn Quậ ả ốc… đã s d ng mũi tàu ử ụquả lê trên tàu cá nhằm c i thi n đ c tính th y đ ng l c h c cho tàu ả ệ ặ ủ ộ ự ọ

Hình 1.6: Tàu cá mũi quả lê ở Nh t Bản ậNgoài ra còn mộ ốt s phương pháp khác giúp gi m c n cho tàu, gi m ả ả ảtiêu hao nhiên liệu cho tàu như cải thiện hệ thống thiế ị đảt b y tàu, cải thiện hệ

thống động lực cho tàu cũng như m t số ện pháp liên quan đếộ bi n nhiên li u, ệkhí thải và khai thác tàu tối ưu khác Trong luận văn này tác giả ch t p chung ỉ ậnghiên c u vứ ấn đ liên quan đ n ảề ế nh hư ng hình dáng thân, thượở ng t ng tàu ầ

đến đ c tính khí đ ng h c và gi m l c c n khí động cho tàu ặ ộ ọ ả ự ả

1.4 Kết luận chương 1

Trong luận văn này, tác giả ậ t p trung nghiên cứu tính toán lực cản gió tác động lên tàu trong điều ki n khai thác tàu cệ ụ ể th Trong chương này, tác giả đã t ng quan được mộ ốổ t s nghiên cứu trong và ngoài nư c liên quan đớ ến

đề tài của lu n văn, đậ ồng thời đã chỉ ra có r t nhi u biện pháp giúp giảm lực ấ ềcản cho thân tàu nhằm giảm tiêu hao nhiên liệu và nâng cao hi u quệ ả khai thác tàu Đây là những cơ s c n thiết cho quá trình nghiên cở ầ ứu thiế ết k và t i ố

ưu tàu nói chung M i phương pháp áp dỗ ụng c thểụ có th mang l i lợi ích ể ạkhác nhau, tuy nhiên cần thiết phải có s ự tính toán nghiên cứu cụ th áp ể đểdụng cho tàu phù hợp hơn Trong lu n văn này chậ ỉ ớ gi i hạn phương pháp cải thiện hình dáng thân tàu đ ảm lực cảể gi n khí đ ng tác đ ng lên phần thân tàu ộ ộphía trên mặt nư c cho tàu trong điềớ u ki n khai thác tàu cụ ểệ th

16

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÔNG CỤ MÔ P HỎNG SỐ

Trong tính toán lực cản khí đ ng tác độ ộng lên tàu, v n tậ ốc gió có thê xác định d a trên các dữ ệự li u thống kê trong tài liệu

Trong một số tính toán thi t kế thông thư ộn khí đ ng tác

độ ố ệự

ng lên thân tàu có th đư c tính toán g n đúng thông qua s li u th c

nghiệm hoặc tra bảng tính toán theo kinh nghiệảng 2.2

h s l c cảộn khí đ ng tác đột số ụng được tổng

hp trên cơ s thực nghiệm mô hình trong các bể thử có uy tín

18

Bảng 2.2: Giá trị ệ ố ực cản không khí C h s l air

Cair0,5÷1,0 0,4÷0,6

0,8÷0,9 0,4÷0,5

thông qua sử dụng CFD

Trong nghiên c u tính toán l ứ ực cả n tác đ ng lên thân tàu, mô phỏng số ộ

s d ử ụng công cụ tính toán động lực họ c chất lỏng CFD (Computation Fluid

Dynamics) thực hiện mô ph ng, d ỏ đoán các tính năng th y đ ủ ng l ực học tàu

thủy và các thành ph n l ầ ực thủ y đ ng tác động lên tàu là một trong những ộ

phương pháp đư ợc nhi u nhà khoa họ ử ụ c s d ng trong nhữ ng năm g n đây ầ

Thông thườ ng khi th c hi n một bài toán mô phỏ ự ng s có th th c hi n ố ể ự ệ

theo trình tự như sau:

- Thiết lập mô hình tính toán cần thực hiệ : Xác định mô hình hóa, miền tính n

toán và l ựa chọ n phương án r i rạc hóa miền tí ờ nh toán

- Chia lưới mô hình tính toán: thực hiện chia lư i theo phương pháp tính phù ớ

h ợp nhằm chuẩn bị cho việc tính toán.

- Thiết lậ p các đi u kiệ biên, thuậ ền t toán đ giải bài toán: Lựa chọn thuật giải ể

tích phân số và ch y chương trình, giám sát quá trình thự ạ c hi n ệ

- Xuất và xử lý kết quả : Đánh giá kết quả và đề xuấ t các thay đ i liên quan ổ

đến mô hình

19

- RANS: Phương pháp trung bình Reynolds Navier-Stokes

- LES: Mô phỏng xoáy lớn

- DES: Mô phỏng tách xoáy

- DNS: Mô phỏng số trực tiếp

- CVS: Mô ph ng sỏ ố ờ r i rạc

Trong tính toán mô phỏng s v i tàu th y, thư ng s d ng phương ố ớ ủ ờ ử ụpháp mô phỏng RANS đ tính toán dòng ch y bao quanh thân tàuể ả và lực thủy khí động l c h c tác động lên thân tàu ự ọ

Việc giải trực ti p các phương trình Navierế -Stokes chỉ thực hiện được trong những trư ng hợờ p đơn gi n với số Reynolds tương đốả i th p Gi i pháp ấ ảthay thế là ch quan tâm đ n các đ i lư ng trung bình (vậ ốỉ ế ạ ợ n t c, áp su t, nhi t ấ ệ

độ, …) và các phương trình ki m tra b i các đ i lư ng này Áp dụng thuật ể ở ạ ợtoán trung bình chung (RANS) cùng trung bình các phương trình chuyển động trong đó các bi n đưế ợc tách r i thành: trung bình + nhi u ờ ễ động, cho phép tính dòng trung bình và các đ i lưạ ợng đ c trưng r i ặ ố như ng năng rđộ ối k

và tổn thất rối ε Ph n lầ ớn tính toán RANS đều sử ụ d ng mô hình khép kín với

mô hình rối k-ε

Một số mô hình rố ử ụi s d ng trong tính toán mô phỏng số: trong tính toán mô phỏng số ớ v i các đ c tính thủy khí động lặ ực học tàu thủy, mộ ố t sphương trình r i đưố ợc s d ng M c đ ử ụ ứ ộ ảnh hưởng của vi c s d ng những ệ ử ụphương trình, mô hình r i khác nhau đố ến kết qu ả bài toán đã được nhi u nhà ềkhoa học th c hi n nghiên cự ệ ứu chứng minh Vì y, trong quá trình thvậ ực hiện thương các mô hình rối đư c l a ch n sử dụng theo kinh nghiệợ ự ọ m ho c theo ặcác chỉ ẫ d n tin cậy đã công bố

Do đặc đi m hình dáng thân tàu nên trạng thái dòng chảy xung quanh ểtàu là dòng chảy rối Khi có r i xố ảy ra làm tăng khả năng tiêu hao năng lượng,

s ự trao đổi nhiệt… Thông thường, việc mô tả dòng r i thư ng rất khó khăn ố ờ

bởi trong các phương trình đ c tả có chứặ a các đ i lư ng chưa bi t Do đó, ạ ợ ếviệc xây dựng các mô hình rối đ nh m xác đ nh các đ i lưể ằ ị ạ ợng này Trong

20

phần này giới thiệu mộ ốt s mô hình rối thư ng gặờ p trong các bài toán tính toán mô phỏng số dòng ch y nói chung.ả

- Mô hình Splart Allmaras:

-Mô hình này thể hiện độ nhớ ối (υ) trong vùng tườt r ng r n (wall), ắphương trình thể ệ hi n mô hình có dạng:

(2.3)

- Mô hình k ε: -

Mô hình hóa các số ạ h ng ứng suất Reynolds phi tuyến trong phương trình RANS sinh ra Mô hình k-ε gồm 03 loại đó là mô hình k-ε chu n ẩ(Standard); mô hình k-ε thường hóa (RNG), mô hình k-ε giản hóa (Realizable), Cả ba mẫu này đ u tương t như nhau v i nh ng pề ự ớ ữ hương trình cân bằng cho năng lượng r i đ ng h c k và hệ ố ổố ộ ọ s t n thất ε

Mô hình k-ε sử ụ d ng hai giả thi t chính: Dòng chảy rốế i hoàn toàn và bỏ qua ảnh hư ng củở a đ ớt phân tử ộnh

Theo giả thi t v nh t r i c a Boussinesq, ta có: ế ề độ ớ ố ủ

(2.4) Phương trình trên thể hiện m i quan hệố gi a ng su t Reynolds với ữ ứ ấbiến thiên v n tậ ốc trung bình Đ gi i phương trình này, người ta khép kín nó ể ảvới các phương trình có liên quan t i k và ε như sau: ớ

(2.5)

21

Trong đó: Gklà hằng số thể hiện sự phụ thuộc của sự hình thành năng lượng r i đ ng h c (k) vào s bi n thiên của vận tốc trung bình như sau: ố ộ ọ ự ế

Gb được xác định như sau:

Prt: hằng số Prantld, β: hệ ố s giãn nở nhi t môi trường; ệ

gi: thành ph n gia tầ ốc trọng trường theo phương i;

YM: Hệ ố ể ệ s th hi n sự biến thiên quá trình giãn nở so với giá trị trung bình:

Mt: số Mach:

a: vận t c âm thanh , µố t: hệ ố s nhớ ốt r i

Các hệ ố s còn lại là các hằng số, có giá trị ặ m c đ nh như sau: ị

Kết hợp các phương trình trên với phương trình liên tục và phương trình động lượng, ta được một h phương trình khép kín đệ ể xác định trường phân bố ậ v n tốc Mô hình k-ε là mô hình đơn giản có thể áp d ng v i hầu hết ụ ớcác bài toán thông thường vớ ội đ chính xác tương đ i cao Tuy nhiên, trong ốcác trường h p đ c biệợ ặ t, khi tính ch t dòng b thay đ i mạấ ị ổ nh như xu t hi n ấ ệsóng va, trong buồng cháy… việc áp dụng mô hình này cho k t quế ả không t t ố

22

- Mô hình k ω:

-Đây cũng là m t mô hình thư ng đưộ ờ ợc s d ng trong mô phỏng bài ử ụtoán 2 pha, mô hình này cho phép giải bài toán với dòng sát bề ặ m t vật thể và cho kết quả tính toán chính xác với số Reynolds th p Mô hình tính toán kấ -ω được chia ra thành hai dạng: dạng chuẩn và dạng SST (shear stress transport) -

Mô hình dòng chảy rố -ω dại k ng chuẩn tính toán đến sự thay đ i từ ệổ hi u ứng

s ố Reynold thấp, đ nén, và độ mở ộộ r ng s ự trượt dòng chảy, vớ ỉ l mi t ệ ở ộ r ng ngẫu nhiên Tỉ ệ trượ l t này có giá trị ầ g n v i giá trớ ị đo cho các hi n tưệ ợng xẩy

ra trên cánh như: bước nh y sóng, sả ự trộn lẫn giữa các vùng Với mô hình tính toán d ng kạ -ω SST, mô hình chảy rối đư c kế ợp chặt chẽ giữa mô hình ợ t hk-ω chuẩn tại gần bề mặt và mô hình k-ε ở phía xa bề mặt dòng chảy Mô hình này ban được gi i thiệu bởi Saffman sau đó được phát triển mở ộớ r ng b i ởWicox, phương trình ω đư c Wilcox đưa ra như sau:ợ

(2.6) Trong mô hình này độ nh t rối µớ t được xác định:

Ngoài ra còn mộ ốt s mô hình khác cũng đượ ửc s dụng như:

- Mô hình V2-f

- Mô hình ứng suất Reynolds (RSM)

- Mô hình xoáy l n (LES)ớ

Có một thực tế là không có một mô hình độ ậc l p nào có thể ể bi u diễn

hết các tính chất của dòng chảy rối Việc lựa chọn mô hình rối sẽ phụ thuộc vào đặc đi m, tính chấ ậể t v t lý của dòng, m c đ yêu c u chính xác, cơ sở tính ứ ộ ầtoán và thời gian c n cho viầ ệc mô phỏng… Đ có được sể ự ự l a chọn phù hợp nhất cho m u mô hình, cẫ ần hi u rõ khể ả năng và gi i hạớ n c a nh ng l a ch n ủ ữ ự ọ

23

Tuy nhiên không thể áp d ng m t mô hình rụ ộ ối cho tấ ảt c các bài toán, mỗi mô hình rối chỉ cho kết quả đúng trong m t số trườộ ng hợp nhấ ịt đ nh Đi u đó đòi ềhỏi ta phải nắm rõ bản chất cũng như trường h p áp d ng c a chúng đ đưa ra ợ ụ ủ ểnhững lựa chọn h p lý cho t ng bài toán.ợ ừ

Như trên đã trình bày, đa số dòng ch y xung quanh thân tàu là dòng ảchảy rối Tất c các mô hình rả ố ềi đ u xu t phát tấ ừ hai phương trình cơ bản là phương trình b o toàn mômen đ ng lư ng và phương trình liên tả ộ ợ ục (phương trình bảo toàn khối lư ng), như sau: Phương trình bảo toàn viếợ t trong h t a ệ ọ

C ả ba phương thức giải đ u cho phép tính toán v i dòng bề ớ ất kỳ Tuy nhiên trong mộ ố trườt s ng h p, vi c ch n phương thứợ ệ ọ c gi i hợp lý sẽả cho k t qu ế ảchính xác hơn Segregated gi i phương trình mả ột cách tuần t , trong khi ựcouple ti n hành giế ải một cách đ ng th i Implicit và explicit khác nhau ở ồ ờ

24

cách tuyến tính hoá phương trình để ế ti n hành giải Thông thư ng Couple ờđượ ử ục s d ng cho các bài toán với lưu chấ ở ậ ố ớt v n t c l n và nén được Couple cho kết quả nhanh và chính xác hơn nhưng cũng đòi h i b nh l n và c u ỏ ộ ớ ớ ấhình mạnh Một số ạ d ng bài toán chỉ có th giải được bằng Segregated ể

2.3 Công cụ sử dụng trong tính toán mô phỏng CFD

CFD là cụm từ viết tắt của Computation Fluid Dynmaic, tính toán động lực học chất lỏng Việc ứng dụng công cụ phương pháp số và máy tính, các nhà tính toán đã phát triển lên những chương trình tính toán động lực học chất lỏng nói chung Một trong những hhướng chính của CFD là ứng dụng các công cụ mô phỏng số CFD trong việc giải các bài toán thực tế Trong nghiên cứu này tác giả sử dụng chương trình mô phỏng số ANSYS Fluent để thực – hiện việc nghiên cứu của mình

ANSYS Fluent là một phần mềm với những khả năng mô hình hóa một cách rộng rãi các đặc tính vật lý cho mô hình dòng chảy được áp dụng trong công nghiệp từ dòng chảy qua cánh máy bay đến sự cháy trong 1 lò lửa, từ các cột bọt khí đến các đệm dầu, từ dòng chảy của các mạch máu cho đến việc chế tạo các vật liệu bán dẫn và từ thiết kế các căn phòng sạch cho đến các thiết bị xử lí nước thải Các mô hình đặc biệt giúp cho phần mềm có …khả năng mô hình hóa với đối tượng nghiên cứu rộng

Phần mềm ANSYS là một công cụ mạnh để mô phỏng và phân tích được sử dụng trên toàn thế giới Nó bao gồm gói các chương trình bên trong

để tính toán, trong luận văn này tác giả chỉ sử dụng các phần Meshing nhằm tạo mô hình để tính và modul Fluid dynamics – Fluent để mô phỏng trạng thái tàu chạy và sử lí kết quả

25

Các công cụ trong ANSYS Fluent bao gồm:

- ANSYS Fluent có khả năng mô hình hóa các mô hình vật lý cần thiết cho các mô hình dòng chảy, rối, truyền nhiệt, và phản ứng trong các dạng hình học phức tạp

- ANSYS Fluent được viết bằng ngôn ngữ lập trình C và là phần mềm mô phỏng sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn (Finite Volume Method-FVM)

- ANSYS Fluent cung cấp sự chia lưới hoàn toàn linh hoạt, bao gồm cả khả năng giải quyết các vấn đề dòng chảy sử dụng lưới không cấu trúc Hỗ trợ các loại lưới bao gồm 2D tam giác, tứ giác, 3D tứ diện, lục giác, kim tự tháp, hình nêm, đa diện và lưới hỗn hợp (lưới lai) ANSYS Fluent cũng cho phép ta làm tinh hay thô lưới dựa trên giải quyết dòng chảy Sau khi lưới đã được đọc vào trong ANSYS Fluent, tất cả các thao tác còn lại được thực hiện bên trong ANSYS Fluent Những thao tác này bao gồm các điều kiện biên, định nghĩa thuộc tính chất lưu, thực thi giải pháp, tinh chỉnh lưới, hậu xử lý và hiển thị kết quả

Trình tự ả gi i quyết bài toán CFD:

Bất kỳ trong lĩnh vực nghiên cứu tính toán mô phỏng số các v n đ k ấ ề ỹthuật nào, quá trình thực hiện giải bài toán CFD đều bao gồm các bư c như ớsau: đặt vấn đề, giải quyế ất v n đ và ánh giá k t qu ề đ ế ả

- Đặt vấ n đ ề:

T ừ nhu cầu thực tiễn cần giải quyết các vấn đ mà chúng ta đ t ra v n đ ề ặ ấ ềcho bài toán c a mình, tủ ừ đó đi tìm lời giải cho chúng Ví dụ ề v bài toán mô phỏng CFD cho một con tàu, ngư i thi t kờ ế ế ầ c n tính toán mộ ốt s thông s liên ốquan đến các vấn đ mà con tàu sề ẽ ặ g p phải khi chạy như h s ma sát, h s ệ ố ệ ố

cản, hệ ố đàn hồi của vật liệ s u, độ bền Ngư i thiết kế đặt ra câu hỏờ i, v i ớ

26

dạng hình học như trong bản thi t kếế thì đã tối ưu chưa?ứng suất sinh ra có

vượt quá gi i hớ ạn cho phép không? có đảm bảo độ ề b n và an toàn không? .Từ đó, ngư i thiết kế ầờ c n tính toán được các thông số đầ u vào, và c n phầ ải tìm nhưng thông số đầ u ra nào cho bài toán CFD c a mình.ủ

- Giải quyết vấn đề:

Đây chính là phần quan trong nhất, nhiệm vụ 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 bị đểẩ gi i quyếả t bài toán CFD, đó là xây dựng mô hình hình học của v t th , r i r c hóa vấậ ể ờ ạ n đ b ng các đi m rời ề ằ ểrạc hay còn gọi là các lư i đi m.Phương pháp rớ ể ờ ại r c phải đảm bảo được các yêu cầu về khả năng làm việc của máy tính, đảm bảo độ chính xác và h i tộ ụ

của phương pháp tính.Sau khi đã xây d n đư c lư i tính toán, chúng ta tiến ự ợ ớhành lựa chọn các phương pháp tính Ở mỗi lĩnh vực c th , CFD có các ụ ểphương trình, hệ phương trình cụ thể để giải quyết bài toán thu c ph m vi ộ ạlĩnh v c đó Tuy nhiên các phương trình mô t bài toán đự ả ều có d ng tích ạphân, ho c vi phân không tuyặ ến tính rất ph c t p M i lo i phương trình đòi ứ ạ ỗ ạ

hỏi những thông số ối thiể t u, đ để có thể giải và cho lời giảủ i, đó là các đi u ềkiện đ u, điều kiện biên, điềầ u ki n khép kín ệ

Processing là giai đo n tính toán đưạ ợc th c hiện, vấự n đ còn l i đó là can ề ạthiệp vào các đ i lượạ ng th sinh (xu t phát tứ ấ ừ ổ ợ t h p các biến cơ sở trong hệ phương trình) Ở giai đoạn này chúng ta quyế ịt đ nh sử ụ d ng các giải pháp nào cho phương pháp tính để đả m bảo được một phương án t i ưu cho các yêu ố

cầu về thời gian tính toán, khả năng tính toán và độ chính xác c a l i gi i ủ ờ ảPost-Processing là giai đoạn trực quan và xử lý kết quả Sau khi giai đoạn Processing hoàn t t, toàn bấ ộ ữ ệ d li u của bài toán đư c ghi lại thành dữ ợ

27

liệu số, nhị phân, mã hóa trên ổ ứ c ng của máy tính Chúng ta hoàn toàn có thể ử x lý chúng đ thu được lời giải cho bài toán c a mình.ể ủ

- Đánh giá kết qu : ả

Phần này chúng ta so sánh kết quả ừ v a tìm được v i các k t qu thực ớ ế ảnghiệm và lời giả ố ọi s h c và đ làm tiêu chuẩể n đi u chỉnh cho phương pháp ềgiải của mình Đối với các bài toán đơn giản mà thực nghiệm có thể đưa ra

kết quả chính xác, các lời giải toán học cũng có k t qu chính xác thì k t qu ế ả ế ả

của chúng ta cũng ph i trùng kh p ho c trong ph m vi sai sả ớ ặ ạ ố ch p nhậấ n đư c, ợ

nếu sai số vượt quá giới hạn cho phép thì lúc này thì chúng ta phải đi u chỉnh ềthế nào đ có k t qu chính xác nhể ế ả ất Đ i v i bài toán phố ớ ức tạp thì thực nghiệm và lời giải số ấ r t khó khăn để đưa ra đư c k t qu chính xác, CFD có ợ ế ả

ưu th hơn ế ở trường hợp này.N u mế ộ ất v n đ ph c t p mà c ba phương pháp ề ứ ạ ảtrên đ u không đưa ra đưề ợc k t chính xác thì c ế ả ba phương pháp cùng đi nghiên c u sâu vứ ề ộ ặ m t đ c tính cụ th nào đó, CFD l y lờể ấ i giải của hai lĩnh vực còn lại làm tiêu chí đánh giá kết qu c a mình ả ủ

Trong quá trình thực hiện bài toán, việc thực hiện theo m t trình tộ ự nhất

định tuân theo nh ng nguyên t c và th c hi n theo nhữ ắ ự ệ ững chỉ ẫ d n khoa học đã công bố là v n đ r t c n thi t đ có đư c k t qu tính toán có đ tin c y cao ấ ề ấ ầ ế ể ợ ế ả ộ ậcho bài toán Trong luận văn này, bên cạnh nh ng kiếữ n th c lý thuyết đã trình ứbày, tác giả còn tham kh o thêm nhả ững chỉ ẫ d n quan trong trong các nguồn tài liệu tham khảo uy tin nhằm đ t đư c đ tin cặ ợ ộ ậy nhất trong tính toán mô

ph ng.ỏ

2.4 Kết luận chương 2

Trong chương này đã trình bày một số cơ s lý thuy t chung v tính ở ế ềtoán lực cản tác động lên tàu thủy Phương pháp và công cụ tính toán mô phỏng s CFD trong tính toán mô phố ỏng lực khí động và các đặc tính th y ủ

động l c h c tác đ ng lên thân tàu M t sự ọ ộ ộ ố kinh nghi m và sử ụệ d ng mô hình

28