TÍNH TOÁN SỨC CẢN TÀU THỦY BẰNG PHƯƠNG PHÁP CFD, ỨNG DỤNG ĐỂ ĐƯA RA CÁC BIỆN PHÁP NHẰM GIẢM SỨC CẢN

Việc phân tích, đánh giá và hiểu rõ chuyển động của dòng chảy hay biến thiên các thuộc tính như nhiệt độ, áp suất, vận tốc...của các vật thể chuyển động trong môi trường chất lỏng là rất quan trọng trong việc tính toán, thiết kế tối ưu các sản phẩm để mang lại hiệu quả nhất. Có thể kể ra một vài ví dụ cụ thể như máy bay chuyển động trong môi trường khí động, tàu thủy chuyển động trong môi trường chất lỏng, dòng khí chuyển động trong hệ thống làm mát, dầu nhớt, hóa chất chuyển động trong các ống dẫn hay bể chứa...Các thuộc tính của dòng chất lỏng có thể nhận được từ kết quả thực nghiệm hay lời giải các hệ phương trình toán học, tuy nhiên hai phương pháp trên chỉ áp dụng được trong các bài toán đơn giản, đối với các bài toán phức tạp thì gặp rất nhiều khó khăn. Sử dụng phương pháp tính toán động lực học chất lỏng - CFD (Computational Fluid Dynamics) có thể giải quyết được các bài toán phức tạp, việc phân tích, tính toán trở nên đơn giản và nhanh chóng hơn và các kết quả nhận được có độ chính xác cao hơn. Với công nghệ hiện đại, máy tính và các phần mềm chuyên dụng đã giúp con người rất nhiều trong việc nghiên cứu ảnh hưởng của dòng chảy tới vật thể chuyển động trong chất lỏng và ngược lại sự thay đổi hình dạng, kết cấu vật thể tác động lên dòng chảy. Điều này cũng có ý nghĩa lớn trong việc nghiên cứu lực cản và giảm lực cản tàu thủy trong quá trình vận hành nhằm mục đích giảm chi phí khai thác tàu, góp phần tiết kiệm năng lượng nhiên liệu, giảm lượng khí thải. Ngày nay CFD được kết hợp cả với thực nghiệm thuần túy và kết quả lời giải số, ba phương pháp này hỗ trợ bổ xung và là tiêu chuẩn đánh giá của nhau, trong đó công cụ mô phỏng số CFD có vai trò quan trọng trong việc quan sát và dự đoán các hiện tượng khí động lực học phát sinh khi chạy tàu. Giúp chúng ta có thể đánh giá được các tác động lên thân tàu mà thực nghiệm khó quan sát được. Ứng dụng các công cụ mô phỏng số trong nghiên cứu giảm lực cản, nâng cao hiệu quả khai thác vận tải tàu là một trong những vấn đề đã và đang được giải quyết trước những yêu cầu ngày một cao của thế giới. Từ những yêu cầu thực tiễn và thực trạng hiện nay, với những yêu cầu đặt ra cho các nhà nghiên cứu để làm giảm tối đa lực cản tác động lên tàu, góp phần nâng cao hiệu qua khai thác tàu. Tác giả thực hiện đề tài tính toán sức cản tàu thủy bằng phương pháp CFD, ứng dụng để đưa ra các biện pháp nhằm giảm sức cản cho tàu thủy. Nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế sử dụng, khai thác tàu.

/m

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

HV Nguyễn Văn Nhu

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

-Nguyễn Văn Cường

TÍNH TOÁN SỨC CẢN TÀU THỦY BẰNG PHƯƠNG PHÁP CFD, ỨNG DỤNG ĐỂ ĐƯA RA CÁC BIỆN PHÁP NHẰM GIẢM

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

-Nguyễn Văn Cường

TÍNH TOÁN SỨC CẢN TÀU THỦY BẰNG PHƯƠNG PHÁP CFD, ỨNG DỤNG ĐỂ ĐƯA RA CÁC BIỆN PHÁP NHẰM GIẢM

SỨC CẢN

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS LÊ QUANG

Lời cam đoanTôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Các số liệu, kết quảnêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ côngtrình nào khác.

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Việc phân tích, đánh giá và hiểu rõ chuyển động của dòng chảy hay biếnthiên các thuộc tính như nhiệt độ, áp suất, vận tốc của các vật thể chuyển độngtrong môi trường chất lỏng là rất quan trọng trong việc tính toán, thiết kế tối ưu cácsản phẩm để mang lại hiệu quả nhất Có thể kể ra một vài ví dụ cụ thể như máy baychuyển động trong môi trường khí động, tàu thủy chuyển động trong môi trườngchất lỏng, dòng khí chuyển động trong hệ thống làm mát, dầu nhớt, hóa chất chuyểnđộng trong các ống dẫn hay bể chứa Các thuộc tính của dòng chất lỏng có thể nhậnđược từ kết quả thực nghiệm hay lời giải các hệ phương trình toán học, tuy nhiênhai phương pháp trên chỉ áp dụng được trong các bài toán đơn giản, đối với các bàitoán phức tạp thì gặp rất nhiều khó khăn Sử dụng phương pháp tính toán động lựchọc chất lỏng - CFD (Computational Fluid Dynamics) có thể giải quyết được cácbài toán phức tạp, việc phân tích, tính toán trở nên đơn giản và nhanh chóng hơn vàcác kết quả nhận được có độ chính xác cao hơn

Với công nghệ hiện đại, máy tính và các phần mềm chuyên dụng đã giúp conngười rất nhiều trong việc nghiên cứu ảnh hưởng của dòng chảy tới vật thể chuyểnđộng trong chất lỏng và ngược lại sự thay đổi hình dạng, kết cấu vật thể tác độnglên dòng chảy Điều này cũng có ý nghĩa lớn trong việc nghiên cứu lực cản và giảmlực cản tàu thủy trong quá trình vận hành nhằm mục đích giảm chi phí khai thác tàu,góp phần tiết kiệm năng lượng nhiên liệu, giảm lượng khí thải Ngày nay CFD đượckết hợp cả với thực nghiệm thuần túy và kết quả lời giải số, ba phương pháp này hỗtrợ bổ xung và là tiêu chuẩn đánh giá của nhau, trong đó công cụ mô phỏng số CFD

có vai trò quan trọng trong việc quan sát và dự đoán các hiện tượng khí động lựchọc phát sinh khi chạy tàu Giúp chúng ta có thể đánh giá được các tác động lênthân tàu mà thực nghiệm khó quan sát được

Ứng dụng các công cụ mô phỏng số trong nghiên cứu giảm lực cản, nâng caohiệu quả khai thác vận tải tàu là một trong những vấn đề đã và đang được giải quyết

trước những yêu cầu ngày một cao của thế giới Từ những yêu cầu thực tiễn và thựctrạng hiện nay, với những yêu cầu đặt ra cho các nhà nghiên cứu để làm giảm tối đalực cản tác động lên tàu, góp phần nâng cao hiệu qua khai thác tàu Tác giả thựchiện đề tài tính toán sức cản tàu thủy bằng phương pháp CFD, ứng dụng để đưa racác biện pháp nhằm giảm sức cản cho tàu thủy Nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế sửdụng, khai thác tàu.

2 Mục đích nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Trong luận văn này, tác giả thực hiện việc tính toán sức cản tàu thủy bằng công

cụ CFD, ứng dụng phân tích kết quả để đưa ra các biện pháp nhằm giảm sức cảncho tàu Mục đích nghiên cứu trong luận văn này nhằm:

- Hiểu rõ được quy trình và trình tự các bước trong việc sử dụng phương pháptính toán động lực học chất lỏng CFD thực hiện tính toán mô phỏng lực cảntác động lên thân tàu

- Ứng dụng công cụ mô phỏng số CFD, thực hiện mô phỏng lực cản tác độnglên thân tàu

- Trên cơ sở phân tích kết quả nghiên cứu và tính toán mô phỏng số CFD vớimẫu tàu nguyên bản Tác giả đưa ra một số biện pháp nhằm làm giảm lựccản tác động lên thân tàu, góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế khai thác tàu.Với thời gian và điều kiện trang thiết bị máy tính cấu hình cao có hạn, thời giantính toán mô phỏng số CFD yêu cầu rất lớn Trong luận văn này chỉ giới hạn phạm

vi nghiên cứu giảm lực cản khí động tức lực cản gió tác động lên tàu chở hàngthông qua sử dụng công cụ tính mô phỏng số CFD

Đối tượng nghiên cứu của luận văn là mô hình tàu chở hàng 3400 Tấn Tác giả

đi nghiên cứu, khảo sát các đặc tính khí động lực học của phần thân tàu trên mặtnước thông qua mô phỏng số CFD Từ việc phân tích các kết quả mô phỏng số CFDlực cản gió và các đặc tính khí động thân tàu, tác giả đưa ra một số biện pháp cảitiến nhằm làm giảm lực cản gió tác động lên tàu

3 Phương pháp nghiên cứu trong luận văn

Trong luận văn này, tác giả sử dụng phương pháp nghiên cứu tính toán lýthuyết thuần túy kết hợp với mô phỏng số CFD Thông qua việc so sánh đánh giákết quả từ các nghiên cứu đã có sẵn, lý thuyết tính toán theo các công thức kinhnghiệm và kết quả mô phỏng số tác giả đưa ra các tính toán phù hợp có độ tin cậynhất trong điều kiện nghiên cứu hiện nay

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

Trong luận văn này, tác giả tập trung phân tích các phương pháp, giải pháp làmgiảm lực cản tàu thuy Bên cạnh đó, tác giả đi nghiên cứu các phương pháp, công cụthực hiện nghiên cứu giảm lực cản hiện tại đang sử dụng Từ đó tác giả đi nghiêncứu tính toán lực cản tàu thủy bằng phương pháp sử dụng công cụ mô phỏng sốCFD Thông qua việc sử dụng công cụ mô phỏng số, tác giả thực hiện khảo sát cácđặc tính khí động lực học tác dụng lên thân tàu hàng Từ các phân tích kết quả, tácgiả đưa ra một số giải pháp nhằm giảm lực cản gió tác động lên tàu

Thông qua các kết quả về sử dụng CFD thực hiện tính toán khảo sát lực cản giótác động lên tàu, các biện pháp nhằm giảm lực cản gió tác động lên tàu Luận vănnày có thể sử dụng làm các tài liệu phục vụ cho việc nghiên cứu tính toán lực cảngió tác động lên tàu, sử dụng làm các tài liệu tra cứu về sự ảnh hưởng của lực cảngió đến quá trình khai thác tàu và cũng là tài liệu tham khảo cho các nhà khai thác

sử dụng tàu trong khai thác tàu để có hiệu quả kinh tế nhất

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU

Chuyển động của tàu trên mặt nước, trong nước, bề mặt vỏ tàu phải tiếp xúc vớimôi trường bao quanh nó: mặt ướt vỏ tàu tiếp xúc với môi trường nước, phần trênmớn nước tiếp xúc với không khí, và bề mặt này chịu tác động của các lực do môitrường gây ra Sức cản của tàu trong thực tế không thể xác định hoặc đo lường mộtcách trực tiếp, kiến thức về tính toán sức cản của tàu thường được thu thập và xâydựng từ thử nghiệm trên các mô hình tàu Việc xác định sức cản của tàu trong môitrường nước tĩnh thường phân tích trên các thành phần sức cản độc lập, sơ đồ cácthành phần sức cản như sau (bảng 1.1):

Sức cản ma sát R F :xuất hiện do ảnh hưởng độ nhớt của chất lỏng gây ma sát vào

vỏ tàu Sức cản ma sát chiếm phần lớn (80÷90%) sức cản nhớt và chiếm khoảng50÷70% tổng sức cản tàu Nếu hình dáng tàu càng trơn, dễ thoát nước ảnh hưởngcủa của hình dáng thân tàu càng nhỏ thì sức cản nhớt hầu như hoàn toàn là sức cản

ma sát Sức cản ma sát chịu ảnh hưởng độ cong dọc và ngang thân tàu

Sức cản hình dáng R V : sinh ra bởi ảnh hưởng của lớp biên đối với quy luật phân bố

áp suất trên thân tàu, nó phụ thuộc vào các dạng tách lớp biên, mà hiện tượng này

lại ảnh hưởng bởi hình dáng thân tàu Nếu hình dáng thân tàu càng khó thoát nướcthành phần sức cản này càng lớn.

Sức cản sóng R w: Khi tàu chuyển động trên mặt thoáng của chất lỏng trọng lực sẽsinh ra sóng (sóng bản thân), sóng đó sinh ra sức cản sóng Sức cản sóng càng lớnkhi vận tốc tàu càng lớn

Rr và các thành phần sức cản bổ sung:

1.2 Sự cần thiết trong việc giảm sức cản cho tàu

Như đã biết, chi phí nhiên liệu chiếm phần lớn trong tổng chi phí khai tháccủa tàu Lượng tiêu thụ nhiên liệu trên một phà cỡ lớn khoảng từ 1000 đến 5000 lít/giờ, lượng tiêu thụ dầu đốt trên tàu này có thể nói nhiều hơn lượng dầu dùng đểnsưởi ấm trong cả năm cho một gia đình Chi phí nhiên liệu cho một chiếc phà lớnchạy liên tục 20 giờ/ngày trong một năm có thể lên đến hàng triệu đôla [9] Ở nước

ta, trung bình một chuyến biển (khoảng 30 ngày) của một tàu cá cỡ lớn (chiều dàitrên 24 mét) chi phí nhiên liệu (dầu đốt) khoảng từ vài chục đến hơn trăm triệuđồng, con số trên là khá lớn so với khả năng kinh tế của ngư dân nước ta hiện nay

Do vậy, giảm một lượng nhỏ dù là một vài phần trăm tiêu thụ nhiên liệu trêntàu cũng có ý nghĩa rất lớn trong vấn đề tiết kiệm chi phí vận hành khai thác của tàutrong cả năm Dưới đây là một số yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến mức tiêuthụ trên tàu:

- Một số thông số chính của tàu như: hình dạng vỏ tàu, khối lượng tàu, loạiđộng cơ, chân vịt…;

- Số lượng máy chính;

- Tốc độ tàu;

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

- Mớn nước của tàu (phụ thuộc vào lượng hàng hóa);

Một số biện pháp kỹ thuật được để đạt được hiệu quả trong việc giảm lượngtiêu thụ nhiên liệu trên tàu (Hình 1.1):

Hình 1.1 Một số biện pháp giảm tiêu hao nhiên liệu cho tàu

Nhìn chung hầu hết các biện pháp đều tập trung vào việc giảm lực kéo nóicách khác là giảm sức cản của tàu và một số biện pháp khác cố gắng cải thiện hiệuquả của các thiết bị đẩy tàu và vận hành tàu

Khi tàu chạy, hầu như toàn bộ năng lượng sinh ra từ thiết bị đẩy tàu tiêu haocho sức cản tàu, mà chủ yếu là sức cản nhớt và sức cản sóng Do vậy, việc nghiêncứu giảm các thành phần sức cản trên có ý nghĩa lớn trong việc giảm tiêu hao nhiênliệu từ đó giảm được chi phí vận hành tăng hiệu quả khai thác của tàu, giảm lượngkhí thải ra môi trường

Việc nghiên cứu giảm sức cản tàu tập trung chủ yếu vào việc giảm sức cảnnhớt và sức cản sóng Sức cản nhớt đóng vai trò chính trong tổng sức cản của tàu, ởnhững vật chìm hoàn toàn hầu như chỉ có sức cản nhớt Vậy việc tìm các biện phápgiảm sức cản nhớt là điều quan trọng Đối với các vật thể dễ thoát nước chú ý đến

việc giảm sức cản ma sát vì thành phần sức cản hình dáng không lớn Còn đối vớicác vật thể khó thoát nước phải giảm sức cản hình dáng Để giảm sức cản nhớt phảigiảm độ nhám chung và độ nhám cục bộ, đặc biệt là độ nhám do việc quét sơn,phòng chống rêu hà bám và độ ăn mòn, áp dụng các dạng tàu tránh hiện tượng táchlớp biên Một số biện pháp công nghệ giảm sức cản đang được nghiên cứu và ápdụng hiện nay trên tàu như sau:

Làm sạch vỏ tàu, bánh lái, chân vịt: biện pháp này có thể áp dụng cho tất cả

các loại tàu bất kể kiểu loại, kích thước và công dụng khai thác Ngay sau khi xuấtxưởng, vỏ tàu, bánh lái, chân vịt và các phần khác cần được giữ sạch Tuy nhiêntheo thời gian, các bộ phận này sẽ bị bám bẩn do tảo, hàu và các loài khác làm chotàu khó khăn khi chạy ở tốc độ định trước do gia tăng sức cản ma sát và làm tănglượng tiêu hao nhiên liệu Việc làm sạch định kỳ sẽ cải thiện được tình trạng này,nếu như không thể đưa tàu lên triền đà hoặc vào ụ thường xuyên, việc làm sạchchân vịt bằng thợ lặn cũng tỏ ra có hiệu quả nhất định (hình 1.2)

Hình 1.2 Làm sạch vỏ tàu để giảm ma sát cho tàu

Sử dụng vật liệu phủ Polyme: bề mặt vỏ tàu được phun phủ một lớp mỏng

Polyme để giảm sức cản của tàu Trong suốt ba thập kỷ qua rất nhiều bài báo trìnhbày nghiên cứu về sử dụng Polyme trong việc sức cản tàu, các nghiên cứu chỉ rarằng các phân tử Polime bị kéo căng trong lớp biên rối bởi dòng chảy kết quả làmtăng độ nhớt cục bộ đã làm giảm sức cản chung trên toàn bộ bề mặt vỏ tàu, những

nghiên cứu gần đây đã cho thấy các phân tử Polyme còn có tác động vào sự phân bốxoáy trong dòng chảy từ đó làm giảm độ rối trong dòng chảy.

Bôi trơn bọt khí: phun bọt khí, tạo khoang khí và tạo lớp màng khí là ba

cách thức của phương pháp bôi trơn bọt khí bằng cách phun khí tạo lớp phủ khôngthấm nước Cả ba phương pháp đều đã chứng mình là có khả năng giảm một lượngsức cản cho tàu một cách hiệu quả Hiệu quả giảm sức cản trong vấn đề này là côngsuất đẩy tàu đã giảm nhiều hơn so với công suất của hệ thống cấp khí Qua các thửnghiệm phương pháp này cho việc giảm sức cản đạt trên 5%, phương pháp này rất

có tiềm năng trong việc giảm công suất của động cơ hoặc có thể nâng cao vận tốccho tàu với công suất không đổi Sử dụng biện pháp tạo khoang khí phù hợp với cáctàu chạy với một tốc độ ít thay đổi, vì biện pháp này đạt hiệu quả cao nhất ở mộtphạm vi vận tốc rất hẹp

Cải tiến hình dáng tàu: Những tàu béo sức cản hình dáng sinh ra do hiện

tượng tách lớp biên ở phần đuôi tàu và thành phần sức cản này đóng vai trò chính

trong sức cản nhớt (hình 1.3) Để giảm bớt chiều dài phần tách biên người ta có thể

dùng cánh có dộ dang bé và đặt nó vuông góc với vỏ bao phía trước vùng dự kiếntách lớp biên

Hình 1.3 Cải tiến hình dáng thân tàu để giảm sự tách dòng

Dưới đây là một số ví dụ trong việc cải tiến hình dạng tàu để giảm sự tạo xoáy sau đuôi tàu do hiện tượng tách lớp biên [8]:

Hình 1.4 Cải tiến phần đỡ ống bao trục chân vịt

Hình 1.5 Cải tiến vây giảm lắc theo dạng sóng trên tàu

Hình 1.6 Cải tiến bánh lái theo dạng khí động học

Trước

Sau Trước

Sau

Hình 1.7 Cải tiến hình dạng các tấm kẽm chống ăn mòn lắp trên tàu

Hình 1.8 Cải tiến phần gót ky Giảm sức cản sóng: Sức cản sóng RW của tàu chủ yếu phụ thuộc vào số Fr vàhình dáng thân tàu Việc giảm số Fr không phải là giảm sức cản sóng theo hướngtích cực, tuy nhiên nhiều trường hợp khi giảm số Fr có thể đạt ưu thế về sức cảnsóng và đưa chuyển động vào vùng tốc độ có lợi

Hình 1.9 Nguyên lý hệ thống đệm khí trên tàu

Việc thay đổi số Fr theo hướng có lợi khi giữ nguyên tốc độ chuyển độngbằng cách thay đổi chiều dài tàu Việc giảm đột ngột hoặc triệt tiêu hoàn toàn sứccản sóng khi đưa chuyển động vào số Fr > 1.0, các chế độ này là chế độ nổi tĩnhbằng chế độ lướt, hay nói cách khác là dùng tàu cánh ngầm hoặc tàu đệm khí

Một cách khác để giảm sức cản sóng ta dùng thiết bị giao thoa: mũi quả lê:

Nguyên lý giảm sức cản sóng khi mũi tàu có dạng quả lê như sau (Hình 1.10):

Hình 1.10 Nguyên lý giảm sức cản sóng của mũi quả lê

Hiện nay chủ yếu là các tàu vận tải cỡ lớn như tàu hàng, tàu dầu… sử dụngmũi quả lê, các tàu cá đa số là kích thước nhỏ nên số lượng tàu cá lắp mũi quả lê làrất ít, một số nước có nghề ca phát triển như Nhật Bản, Hàn Quốc… đã sử dụng mũi

tàu quả lê trên tàu cá (hình 1.11):

Hình 1.11 Tàu cá mũi quả lê ở Nhật Bản

Sóng sinh ra khi tàu chạy

Trong luận văn này, tác giả tập trung nghiên cứu tính toán lực cản gió tácđộng lên tàu trong các trường hợp khai thác tàu cụ thể: tàu đầy hàng và trường hợptàu không hàng Trong mỗi trường hợp đó, tác giả đi tính toán mô phỏng các đặctính khí động lực học thân tàu khi thay đổi các yếu tố như góc hướng gió thay đổi,thay đổi các chiều chìm, cân bằng dọc tàu trong các trạng thái khai thác tàu

Từ các tính toán đã thực hiện, tác giả thực hiện việc phân tích đánh giá, sosánh các kết quả đã thu được Trên cơ đó tác giả đưa ra một số giải pháp, khuyếncáo cho việc khai thác sử dụng tàu, cho các nhà thiết kế tôi ưu tàu nhằm làm nângcao hiệu quả khai thác, sử dụng tàu ở nước ta

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYÊT TÍNH TOÁN LỰC CẢN

Trong thực tế, việc tính toán lực cản theo lý thuyết được thực hiện theo công thức kinh nghiệm sau:

2

1

2

Hình 2.1 Sơ đồ phân tích lực tác động lên tàu và hướng gió

dựa theo kết quả của cục khí tượng thuỷ văn Liên Xô

Bảng 2.1 Vận tốc gió Bopho tại độ cao h = 6,0 m so với mặt nước biển [10]

Quy luật biến thiên vận tốc gió theo chiều cao là quy luật logarit Tính

6

ln(500 ) ln(3000)

Bh B

h

Bảng 2.2 Giá trị hệ số lực cản không khí C AA [10]

Tàu khách chạy sông:

- Với thượng tầng thông thường

- Với thượng tầng thoát khí

0,8÷0,90,4÷0,5

Với tàu vận tải, tuỳ thuộc hình dáng phần khô và vận tốc:

thủy văn, trạng thái bề mặt ngoài của phần thân tàu ngâm nước…

Bảng 2.3 Giá trị hệ số bổ sung k E trong khai thác tàu biển [10]

Tàu hàng khô >7.000 1,15

Mô phỏng số thực chất là làm thí nghiệm trên máy vi tính Bằng mô hình vàphương pháp mô phỏng thích hợp sẽ cho ra kết quả giống với khi thực hiện trên môhình trong phòng thí nghiệm Việc mô phỏng sẽ thực hiện chuyển hệ vật lý thành hệcác phương trình cơ bản và sau đó xác lập thành một mô hình toán học gồm hệ cácphương trình xấp xỉ được giải trực tiếp hoặc bằng phương pháp lặp, sau đó phântích sự hội tụ, tính chính xác và đánh giá sai số để xem xét tính hiệu quả củaphương pháp số

Trình tự thực hiện một bài toán mô phỏng CFD:

Xác định mô hình và xử lý mô hình: Xác định mô hình hóa, miền tính toán và lựa

chọn phương án rời rạc hóa miền tính toán

Thiết lập các điều kiện, thuật toán đế giải bài toán: Lựa chọn thuật giải tích phân số

và chạy chương trình, giám sát quá trình thực hiện

Xử lý kết quả: Đánh giá kết quả và đề xuất các thay đổi liên quan đến mô hình

Các phương pháp mô phỏng:

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 phỏng số rời rạc

Thường sử dụng phương pháp mô phỏng RANS để tính toán dòng chảy bao quanhthân tàu cho mô hình dòng hai pha

Trong một dòng chảy liên tục, các biến số có thể được viết dưới dạng tổng của giátrị trung bình của biến số đó theo thời gian và giá trị dao động của biến số đó [5]:

(2.4)

(2.5)

t là thời gian, T là thời gian trung bình, giá trị T phải đủ lớn để thể hiện được

sự dao động của biến số đang nghiên cứu

Việc giải trực tiếp các phương trình Navier-Stokes chỉ thực hiện được trongnhững trường hợp đơn giản với số Reynolds tương đối thấp Giải pháp thay thế làchỉ quan tâm đến các đại lượng trung bình (vận tốc, áp suất, nhiệt độ, …) và cácphương trình kiểm tra bởi các đại lượng này Áp dụng thuật toán trung bình chung(RANS) cùng trung bình các phương trình chuyển động trong đó các biến được táchrời thành: trung bình + nhiễu động, cho phép tính dòng trung bình và các đại lượngđặc trưng rối (động năng rối k và tổn thất rối ε) Phần lớn tính toán RANS đều sử) Phần lớn tính toán RANS đều sửdụng mô hình khép kín bậc 1 dạng k-ε) Phần lớn tính toán RANS đều sử

Các mô hình toán:

Do đặc điểm hình dáng thân tàu nên trạng thái dòng chảy xung quanh tàu làdòng chảy rối Khi có rối xảy ra làm tăng khả năng tiêu hao năng lượng, sự trao đổinhiệt… Thông thường, việc mô tả dòng rối thường rất khó khăn bởi trong cácphương trình đặc tả có chứa các đại lượng chưa biết Do đó, việc xây dựng các môhình rối để nhằm xác định các đại lượng này Phần mềm ANSYS FLUENT hỗ trợcác mô hình rối sau:

Mô hình hóa các số hạng ứng suất Reynolds phi tuyến trong phương trìnhRANS sinh ra Mô hình k-ε) Phần lớn tính toán RANS đều sử gồm 03 loại đó là mô hình k-ε) Phần lớn tính toán RANS đều sử chuẩn (Standard); môhình k-ε) Phần lớn tính toán RANS đều sử thường hóa (RNG), mô hình k-ε) Phần lớn tính toán RANS đều sử giản hóa (Realizable), Cả ba mẫu này đềutương tự như nhau với những phương trình cân bằng cho năng lượng rối động học k

và hệ số tổn thất ε) Phần lớn tính toán RANS đều sử

Mô hình k-ε) Phần lớn tính toán RANS đều sử sử dụng hai giả thiết chính: Dòng chảy rối hoàn toàn và bỏ quaảnh hưởng của độ nhớt phân tử

Theo giả thiết về độ nhớt rối của Boussinesq, ta có:

(2.7)Phương trình trên thể hiện mối quan hệ giữa ứng suất Reynolds với biến thiên vậntốc trung bình Để giải phương trình này, người ta khép kín nó với các phương trình

có liên quan tới k và ε) Phần lớn tính toán RANS đều sử như sau:

(2.8)

rối động học (k) vào sự biến thiên của vận tốc trung bình như sau:

Mt: số Mach:

Các hệ số còn lại là các hằng số, có giá trị mặc định như sau:

Kết hợp các phương trình trên với phương trình liên tục và phương trìnhđộng lượng, ta được một hệ phương trình khép kín để xác định trường phân bố vậntốc

Mô hình k-ε) Phần lớn tính toán RANS đều sử là mô hình đơn giản có thể áp dụng với hầu hết các bài toánthông thường với độ chính xác tương đối cao Tuy nhiên, trong các trường hợp đặcbiệt, khi tính chất dòng bị thay đổi mạnh như xuất hiện sóng va, trong buồngcháy… việc áp dụng mô hình này cho kết quả không tốt

Mô hình k-ω: đây là cũng là một mô hình thường được sử dụng trong mô

phỏng bài toán 2 pha, mô hình này cho phép giải bài toán với dòng sát bề mặt vậtthể và cho kết quả tính toán chính xác với số Reynolds thấp Mô hình tính toán k-ωđược chia ra thành hai dạng: dạng chuẩn và dạng SST (shear-stress transport) Môhình dòng chảy rối k-ω dạng chuẩn tính toán đến sự thay đổi từ hiệu ứng sốReynold thấp, độ nén, và độ mở rộng sự trượt dòng chảy, với tỉ lệ mở rộng ngẫunhiên Tỉ lệ trượt này có giá trị gần với giá trị đo cho các hiện tượng xẩy ra trêncánh như: bước nhảy sóng, sự trộn lẫn giữa các vùng Với mô hình tính toán dạngk-ω SST, mô hình chảy rối được kết hợp chặt chẽ giữa mô hình k-ω chuẩn tại gần

bề mặt và mô hình k-ε) Phần lớn tính toán RANS đều sử ở phía xa bề mặt dòng chảy Mô hình này ban được giớithiệu bởi Saffman sau đó được phát triển mở rộng bởi Wicox, phương trình ω đượcWilcox đưa ra như sau:

(2.9)

Ngoài ra còn một số mô hình khác cũng được sử dụng như:

Mô hình V 2 -f

Mô hình ứng suất Reynolds (RSM)

Mô hình xoáy lớn (LES)

Có một thực tế là không có một mô hình độc lập nào có thể biểu diễn hết cáctính chất của dòng chảy rối Việc lựa chọn mô hình rối sẽ phụ thuộc vào đặc điểm,tính chất vật lý của dòng, mức độ yêu cầu chính xác, cơ sở tính toán và thời giancần cho việc mô phỏng… Để có được sự lựa chọn phù hợp nhất cho mẫu mô hình,cần hiểu rõ khả năng và giới hạn của những lựa chọn Tuy nhiên không thể áp dụngmột mô hình rối cho tất cả các bài toán, mỗi mô hình rối chỉ cho kết quả đúng trongmột số trường hợp nhất định Điều đó đòi hỏi ta phải nắm rõ bản chất cũng nhưtrường hợp áp dụng của chúng để đưa ra những lựa chọn hợp lý cho từng bài toán

Như trên đã trình bày, đa số dòng chảy xung quanh thân tàu là dòng chảy rối.Tất cả các mô hình rối đều xuất phát từ hai phương trình cơ bản là phương trình bảotoàn mô men động lượng và phương trình liên tục (phương trình bảo toàn khốilượng), như sau: Phương trình bảo toàn viết trong hệ tọa độ Descartes:

(2.10)

Hay viết dưới dạng:

FLUENT cung cấp 3 phương thức giải khác nhau: Segregated, Coupledimplicit, Coupled explicit Cả ba phương thức giải đều cho phép tính toán với dòngbất kỳ Tuy nhiên trong một số trường hợp, việc chọn phương thức giải hợp lý sẽcho kết quả chính xác hơn Segregated giải phương trình một cách tuần tự, trong khicouple tiến hành giải một cách đồng thời Implicit và explicit khác nhau ở cáchtuyến tính hoá phương trình để tiến hành giải Thông thường Couple được sử dụngcho các bài toán với lưu chất ở vận tốc lớn và nén được Couple cho kết quả nhanh

và chính xác hơn nhưng cũng đòi hỏi bộ nhớ lớn và cấu hình mạnh Một số dạng bàitoán chỉ có thể giải được bằng Segregated

CHƯƠNG 3: QUÁ TRÌNH TÍNH MÔ PHỎNG SỐ TÍNH LỰC CẢN GIÓ

TÁC DỘNG LÊN TÀU THÔNG QUA SỬ DỤNG CFD

Trong luận văn này, tác giả sử dụng mô hình tàu hàng 3400 tấn làm đốitượng nghiên cứu tính toán mô phỏng Trên cơ sở tính toán thiết kế tàu chở hàng

3400 tấn, trong phần này tác giả giới thiệu sơ bộ về các đặc điểm cơ bản của tàu.Hình 3.1 thể hiện đường hình dáng tàu hàng 3400 tấn được thiết kế Các thông sốkích thước cơ bản của tàu được thể hiện trong bảng 3.1

Hình 3.1 Đường hình dáng tàu hàng 3400T

Bảng 3.1: Các thông số cơ bản của tàu

Hình 3.3 Biểu đồ trọng lượng tàu khi tàu nghiêng dọc 3 0

Bảng 3.2 Bảng tính lượng chiếm nước của tàu khi tàu cân bằng và nghiêng 3 0

Hình 3.4 Mô hình tàu hàng 3400T

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

Để tính toán mô phỏng chuyển động của tàu, cần thiết kế miền không giantính toán mô phỏng số xung quanh tàu Nghiên cứu này thực hiện bài toán tính toánlực cản gió tác động lên tàu, miền không gian khảo sát được thiết kế lựa chọn theocác tài liệu hướng dẫn sử dụng CFD do tổ chức quốc tế về bể thử tàu công bố và cáckết quả đã nghiên cứu được công bố [1, 2, 3, 4, 5, 6] Trong nghiên cứu này, khônggian tính toán được thiết kế với chiều dài 5.35m chiều rộng 0.18m và cao 0.90m

Hình 3.5 Miền không gian tính toán mô phỏng CFD

Việc chia lưới được thực hiện trên công cụ ICEM CFD trong phần mềm Ansys,

để tăng độ chính xác và thể hiện rõ được sự thay đổi của các pha, áp suất, vận tốcxung quanh tàu, lưới được chia mịn ở phần biên dạng tàu, thô dần ra Chia lướimiền không gian tính toán với kiểu lưới không cấu trúc lưới T, tạo được 1.73 triệulưới không cấu trúc tứ diện Hình 3.6 và 3.7 thể hiện hình ảnh chia lưới miền khônggian tính toán cho bài toán

Hình 3.6 Chia lưới miền không gian tính toán

Hình 3.7 Chia lưới trên bề mặt thân tàu

Lưới sau khi tinh chỉnh đạt yêu cầu sẽ được lưu dưới dạng file mesh để phục

vụ việc tính toán Tiếp theo việc chia lưới, để thực hiện tính toán, cần thiết phảithiết lập các điều kiện biên cho bài toán Trong nghiên cứu này, các bài toán đượctiến hành với mô hình rối k-ε) Phần lớn tính toán RANS đều sử Mô hình rối k-ε) Phần lớn tính toán RANS đều sử được các tác giả trên thế giới sử dụngrất phổ biến làm mô hình rối trong các bài toán mô phỏng số Điều kiện biên cho bàitoán mô phỏng số mà tác giả đã sử dụng là: vân tốc dòng khí thổi vào với vận tốc

=1,225 kg/m3, hệ số nhớt không khí là 1,7894 x 10-5 kg/(ms) Các thông số đầu vàođược thể hiện chi tiết trong bảng 3.3

Bảng 3.3 Thiết lập một số điều kiện tính toán mô phỏng

3.3 Các bước thực hiện tính toán mô phỏng

Trong các bài toán sử dụng công cụ tính toán mô phỏng số CFD đều thực hiệnquá trình giải theo các bước như sau: Đặt vấn đề, Giải quyết vấn đề và Đánh giá kếtquả

a) Đặt vấn đề

Từ nhu cầu thực tiễn cần giải quyết các vấn đề mà chúng ta đặt ra vấn đề chobài toán của mình, từ đó đi tìm lời giải cho chúng Ví dụ về bài toán mô phỏng CFDcho một con tàu, người thiết kế cần tính toán một số thông số liên quan đến các vấn

đề mà con tàu sẽ gặp phải khi chạy như hệ số ma sát, hệ số cản, hệ số đàn hồi củavật liệu, độ bền Người thiết kế đặt ra câu hỏi, với dạng hình học như trong bảnthiết kế thì đã tối ưu chưa?ứng suất sinh ra có vượt quá giới hạn cho phép không?

có đảm bảo độ bền và an toàn không? Từ đó, người thiết kế cần tính toán đượccác thông số đầu vào, và cần phải tìm nhưng thông số đầu ra nào cho bài toán CFDcủa mình

b) Giải quyết vấn đề

Đây chính là phần quan trong nhất, nhiệm vụ trung tâm của bài toán CFD Nógồm ba giai đoạn là : Pre-Processing, Processing, và Post-Processing

Pre-Processing là giai đoạn chuẩn bị để giải quyết bài toán CFD, đó là xâydựng mô hình hình học của vật thể, rời rạc hóa vấn đề bằng các điểm rời rạc haycòn gọi là các lưới điểm.Phương pháp rời rạc phải đảm bảo được các yêu cầu về khảnăng làm việc của máy tính, đảm bảo độ chính xác và hội tụ của phương pháptính.Sau khi đã xây dựn được lưới tính toán, chúng ta tiến hành lựa chọn cácphương pháp tính Ở mỗi lĩnh vực cụ thể, CFD có các phương trình, hệ phươngtrình cụ thể để giải quyết bài toán thuộc phạm vi lĩnh vực đó Tuy nhiên các phươngtrình mô tả bài toán đều có dạng tích phân, hoặc vi phân không tuyến tính rất phứctạp Mỗi loại phương trình đòi hỏi những thông số tối thiểu, đủ để có thể giải và cholời giải, đó là các điều kiện đầu, điều kiện biên, điều kiện khép kín

Processing là giai đoạn tính toán được thực hiện, vấn đề còn lại đó là can thiệpvào các đại lượng thứ sinh (xuất phát từ tổ hợp các biến cơ sở trong hệ phươngtrình) Ở giai đoạn này chúng ta quyết định sử dụng các giải pháp nào cho phươngpháp tính để đảm bảo được một phương án tối ưu cho các yêu cầu về thời gian tínhtoán, khả năng tính toán và độ chính xác của lời giải

Post-Processing là giai đoạn trực quan và xử lý kết quả Sau khi giai đoạnProcessing hoàn tất, toàn bộ dữ liệu của bài toán được ghi lại thành dữ liệu số, nhịphân, mã hóa trên ổ cứng của máy tính Chúng ta hoàn toàn có thể xử lý chúng đểthu được lời giải cho bài toán của mình

c) Đánh giá kết quả

Phần này chúng ta so sánh kết quả vừa tìm được với các kết quả thực nghiệm

và lời giải số học và để làm tiêu chuẩn điều chỉnh cho phương pháp giải của mình.Đối với các bài toán đơn giản mà thực nghiệm có thể đưa ra kết quả chính xác, cáclời giải toán học cũng có kết quả chính xác thì kết quả của chúng ta cũng phải trùngkhớp hoặc trong phạm vi sai số chấp nhận được, nếu sai số vượt quá giới hạn chophép thì lúc này thì chúng ta phải điều chỉnh thế nào để có kết quả chính xác nhất.Đối với bài toán phức tạp thì thực nghiệm và lời giải số rất khó khăn để đưa ra đượckết quả chính xác, CFD có ưu thế hơn ở trường hợp này.Nếu một vấn đề phức tạp

mà cả ba phương pháp trên đều không đưa ra được kết chính xác thì cả ba phươngpháp cùng đi nghiên cứu sâu về một đặc tính cụ thể nào đó, CFD lấy lời giải của hailĩnh vực còn lại làm tiêu chí đánh giá kết quả của mình.

Về cơ bản, các bước giải một bài toán trên FLUENT tương tự các bước giảimột bài toán trên CFD Với phiên bản FLUENT V.15.0 trong ANSYS Các bướcthực hiện gồm:

Mô hình được xây dựng trên nhiều phần mềm CAD như SOLIDWORK,CATIA, INVENTOR, AutoShip, Napa sau đó đưa vào ANSYS hoặc xây dựngtrực tiếp mô hình từ các công cụ có sắn như Design Modeler trong ANSYS

Meshing, ICEM CFD, Gambit, Lưới cũng có thể được thực hiện chia từ cácchương trình liên kết khác với ANSYS, sau đó đưa vào để tính toán

Điều chỉnh kích thước lưới sẽ dùng cho tính toán và đơn vị đo bằng cách thay đổi tỉ

lệ so với lưới nguyên thuỷ

từng mặt

số tính toán ban đầu, Chọn số vòng lặp…

Dưới đây thể hiện một số công việc chủ yếu trong thiết lập điều kiện tính toán vàgiải quyết vấn đề với Fluent:

- Khởi động phần mềm:

Khởi động phần mềm với kiểu 3D của phần mềm ANSYS FLUENT

Hình 3.8 Giao diện khởi động tính toán mô phỏng sử dụng Fluent

- Nhập tệp chia lưới không gian tính toán và kiểm tra lưới:

File →Read →Mesh

General→Check