Nghiên cứu giảm lực cản gió tác dụng lên tàu chở hàng nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế khai thác tàu

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Hà Nội, tháng năm 2016 Học viên Nguyễn Danh Độ i LỜI CẢM ƠN Với tư cách tác giả luận văn này, xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến thầy giáo TS Hoàng Công Liêm, TS Ngô Văn Hệ người trực tiếp hướng dẫn tận tình chu hoàn thành luận văn Đồng thời xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tập thể thầy, cô giáo Viện khí động lực, Viện đào tạo Sau đại học, trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội tận tình dạy dỗ, truyền đạt kiến thức, giúp suốt thời gian học tập làm luận văn Cuối xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đồng nghiệp giúp đỡ, ủng hộ hết lòng, động viên chia sẻ suốt thời gian học tập làm luận văn Hà Nội, tháng năm 2016 Học viên Nguyễn Danh Độ ii MỤC LỤC iii iv DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.2 Mô hình thiết lập phương trình vi phân liên tục dòng chảy Error! Bookmark not defined Hình 1.3 Thành lập phương trình vi phân chuyển động chất lỏng thực Error! Bookmark not defined Hình 1.4 Sơ đồ xác định phương trình Becnuli cho dòng nguyên tố Error! Bookmark not defined Hình 1.5 Đồ thị dịch chuyển khối khí Error! Bookmark not defined Hình 1.6 Hình ảnh phân bố áp suất đường dòng bao quanh tàu [14] 18 Hình 2.1 Phân bố dòng, áp suất tác động lên tàu buồm mô ANSYS 21 Hình 2.2 Bộ giải dựa áp suất 24 Hình 2.3 Thuật toán giải dựa mật độ 24 Hình 2.4 Chia lưới ANSYS 29 Hình 2.5 Lưới lục diện 31 Hình 2.6 Chia lưới lục diện tự động, sử dụng phương pháp chia lưới [16] 31 Hình 2.7 Chia lưới tự động bao gồm lớp biên căng cho mô hình phức tạp 34 Hình Đường hình dáng tàu hàng 42 Hình Mô hình tàu hàng nguyên sử dụng tính mô 43 Hình 3 Mô hình thượng tầng tàu chở hàng nguyên 43 Hình 3.4 Miền không gian tính toán điều kiện biên 44 Hình 3.5 Phân bố áp suất động mặt cắt dọc tâm miền không gian tính toán 45 Hình 3.6 Phân bố vận tốc dòng xung quanh tàu mặt cắt dọc tâm 45 Hình 3.7 Phân bố áp suất mặt chiếu bằng, z=0.15m; z=0.29m 46 Hình 3.8 Phân bố áp suất bề mặt thân tàu nguyên 47 Hình 3.9 Đồ thị lực cản gió tác động lên tàu R, N 49 Hình Sự phân bố dòng bao quanh vật thể trụ hộp theo số Reynolds 51 Hình 4.2 Phân bố áp suất tác động lên thượng tầng tàu nguyên 52 Hình 4.3 Mô hình thượng tầng mới, TT1 52 Hình 4.4 Mô hình tàu hàng với hình dáng thượng tầng TT1, PA1 53 Hình 4.5 Mô hình thượng tầng mới, TT2 53 Hình 4.6 Mô hình tàu hàng với thượng tầng TT2, PA2 54 Hình 4.7 Mô hình tàu hàng với thượng tầng nguyên đặt mũi tàu, PA3 54 Hình 4.8 Mô hình tàu hàng với thượng tầng đặt mũi tàu TT3, PA4 55 Hình 4.9 Phân bố áp suất xung quanh tàu mặt cắt dọc tâm, PA1 55 Hình 4.10 Phân bố áp suất số mặt cắt bằng, PA1 56 v Hình 4.11 Phân bố áp suất bề mặt thân tàu với thượng tầng mới, PA1 Hình 4.12 Phân bố vận tốc dòng bao quanh than tàu, PA1 Hình 4.13 Phân bố áp suất xung quanh tàu mặt cắt dọc tâm, PA2 Hình 4.14 Phân bố áp suất xung quanh tàu với thượng tầng TT2, PA2 Hình 4.15 Phân bố áp suất xung quanh tàu mặt cắt z=0.29m, PA2 Hình 4.16 Phân bố áp suất bề mặt than tàu, PA2 Hình 4.17 Phân bố dòng xung quanh tàu, PA2 Hình 4.18 Phân bố áp suất vận tốc dòng mặt cắt dọc tâm tàu, PA3 Hình 4.19 Phân bố áp suất số mặt cắt xung quanh tàu, PA3 Hình 4.20 Phân bố áp suất bề mặt thân tàu, PA3 Hình 4.21 Phân bố áp suất xung quanh tàu mặt cắt dọc tâm, PA4 Hình 4.22 Phân bố áp suất số mặt cắt quanh tàu, PA4 Hình 4.23 Phân bố áp suất bề mặt thân tàu, PA4 Hình 4.24 Phân bố dòng xung quanh tàu mặt cắt dọc tâm, PA4 Hình 4.25 Đồ thị lực cản gió tác động lên tàu vi 57 57 58 58 59 59 59 60 61 62 62 63 64 64 65 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1 Thông số kích thước tàu Bảng 3.2 Một số điều kiện tính mô Bảng 3.3 Diện tích mặt hứng gió thân tàu Bảng 3.4 Bảng tính lực hệ số lực khí động tác động lên tàu Bảng 4.1 Bảng tính giá trị lực khí động hệ số lực khí động tác động lên tàu vii 42 44 48 49 64 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Trong trình vận tải đường thủy, để nâng cao hiệu khai thác tàu cần thiết phải giảm tiêu hao nhiên liệu cần thiết Để giảm tiêu hao nhiên liệu cho việc khai thác tàu giảm lực cản biện pháp hữu ích mang lại nhiều lợi ích thiết thực Vấn đề nghiên cứu giảm lực cản, tiết kiệm nhiên liệu nhiều nhà nghiên cứu, thiết kế khai thác kinh doanh quan tâm Trước nhu cầu đó, tác giả lựa chọn lĩnh vực nghiên cứu giảm lực cản gió tác động lên tàu nhằm nâng cao hiệu kinh tế khai thác tàu Lịch sử nghiên cứu Lĩnh vực tính toán lực cản tàu thủy nói chung, lực cản khí động tàu nói riêng có nhiều tác giả nước quan tâm nghiên cứu Từ nhiều năm trước công cụ hỗ trợ tính toán chưa phát triển, việc tính toán xác định lực cản tàu chủ yếu dựa kết thực nghiệm mô hình tàu Trên sở kết tổng hợp nhong năm gần đây, với phát triển mạnh công cụ, phương tiên hỗ trợ tính toán số đời, tính toán động lực học chất lỏng CFD (Computation Fluid Dynamic) trở thành công cụ hữu dụng việc ước lượng, dự đoán lực cản tác động lên tàu Ngay CFD trở thành công cụ phổ biến nhiều nhà nghiên cứu sử dụng làm phương tiện hỗ trợ nghiên cứu đắc lực cho [4, 5, 6, 7, 8, 9, 10] Úng dụng CFD nghiên cứu tính toán giảm lực cản gió cho tàu chở hàng đề tài vấn đề đặt cho nhiều giới chuyên môn giải đáp [6, 7, 9, 10] Với mỗn loại tàu khác nhau, cần có biện pháp kỹ thuật khác để làm giảm lực cản tác động lên tàu Cảng giảm lực cản tác động lên tàu đồng nghĩa với việc nâng cao hiệu khai thác tàu Đây vấn đề đặt cần giải luận văn Mục đích nghiên cứu luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu Mục đích nghiên cứu đề tài phân tích, đánh giá đặc tính khí động lực học tác động lên thân tàu Thông qua kết tính toán mô phỏng, đề xuất số giải pháp làm giảm lực cản gió tác động lên tàu nhằm nâng cao hiệu kinh tế khai thác tàu Đối tượng nghiên cứu nghiên cứu giảm lực cản gió tác động lên tàu chở hàng nhằm nâng cao hiệu khai thác tàu Do giới hạn thời gian việc vẽ xác vẽ 3D tàu, giới hạn tốc độ máy tính cá nhân, thời gian chờ kết chạy mô phỏng, đề tài giới hạn phạm vi nghiên cứu loại tàu hàng định hạn chế số trường hợp cụ thể Tóm tắt cô đọng luận điểm đóng góp tác giả Tác giả tiến hành nghiên cứu tổng quan khí động học phần mặt nước tàu thủy, thiết lập mô hình 3D tàu hàng chọn, sau sử dụng bước giải toán mô số CFD để giải vấn đề đặt Cụ thể là, thiết lập xong mô hình 3D tác giả sử dụng phần mềm để chia lưới cuối đưa vào phần mềm ANSYS FLUENT để thiết lập thông số, điều kiện biên… từ chạy mô số để xác định phân bố vận tốc, áp suất lực cản gió tác động lên tàu Trên sở phân tích kết thu từ việc tính mô lực cản gió tác động lên tàu nguyên bản, tác giả đề xuất số thay đổi hình dáng cho thượng tầng tàu, sau sử dụng phần mềm chuyên dụng ANSYS FLUENT để mô trình chuyển động tàu tốc độ khai thác để xác định lực cản đặc tính khí động tàu sau thay đổi hình dáng theo đề xuất Kết mô số đưa phân bố vận tốc, phân bố áp suất tàu với hình dáng thượng tầng tàu khác Trên sở phân tích kết mô số đạt được, tác giả so sánh kết thu Từ tác giả đưa kết luận quan trọng, lưu ý cho thiết kế khí động học tàu Phƣơng pháp nghiên cứu Tác giả sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp Nghiên cứu lý thuyết truyền thống mô số Đây phương pháp nghiên cứu phổ biến đại giới mà nhiều nhà nghiên cứu quan tâm Từ lý thuyết tác giả mô hình hóa mô hình tàu, sau chạy mô số CFD Kết thu từ mô số so sánh phân tích với kết nghiên cứu lý thuyết Hình 4.16 Phân bố áp suất xung quanh tàu mặt cắt z = 0.29m, PA2 Hình 4.17 Phân bố dòng xung quanh tàu, PA2 61 Từ hình 4.18 đến hình 4.20 thể kết phân bố áp suất, vận tốc dòng bao quanh tàu với thay đổi vị trí thượng tầng từ vị trí đặt đuôi sang vị trí thượng tầng đặt mũi tàu với thượng tầng nguyên PA3 Có thể thấy phân bố áp suất động trường hợp tương tự trường hợp ban đầu phần sức cản thu từ phương án không thay đổi nhiều so với phương án ban đầu Cũng phải nói thêm việc thay đổi vị trí thượng tầng từ đuôi tàu lên mũi tàu làm ảnh hưởng thay đổi đến hình dạng việc bố trí tàu, thay đổi mục đích sử dụng số phần than tàu Tuy nhiên hạn chế mặt thời gian khuôn khổ luận văn tạm thời chưa đề cập đến thay đổi tổng sức cản gây thay đổi vị trí thượng tầng Từ kết cho thấy thay đổi vị trí thượng tầng sức cản không khí phân bố dòng khí có thay đổi nhiên thay đổi trường hợp không lớn giữ nguyên hình dạng thượng tầng Hình 4.18 Phân bố áp suất vận tốc dòng mặt cắt dọc tâm tàu, PA3 62 z = 0.12m z = 0.15m z = 0.29m 63 Hình 4.19 Phân bố áp suất số mặt cắt xung quanh tàu, PA3 Hình 4.20 Phân bố áp suất bề mặt thân tàu, PA3 Hình 4.21 đến hình 4.24 thể kết mô phân bố áp suất xung quanh tàu cho phương án (sử dụng thượng tầng TT với vị trí thượng tầng đặt mũi tàu) Với phân tích trường hợp phương án giữ nguyên thượng tầng TT thay đổi vị trí từ đuôi đến mũi sức cản không khí phân bố dòng khí bao quanh thân tàu cho phương án phương án thay đổi nhiều Giá trị sức cản không khí trường hợp thay đổi khoảng 2% ( không kể đến thay đổi mặt hình dáng bố trí tàu thay đổi vị trí thượng tầng 64 Hình 4.21 Phân bố áp suất xung quanh tàu mặt cắt dọc tâm, PA4 z=0.12m z=0.15m z=0.29 65 Hình 4.22 Phân bố áp suất số mặt cắt quanh tàu, PA4 Hình 4.23 Phân bố áp suất bề mặt thân tàu, PA4 66 Hình 4.24 Phân bố dòng xung quanh tàu mặt cắt dọc tâm, PA4 4.4 Kết giảm lực cản gió thay đổi thƣợng tầng tàu Trong phần thể kết tính lực khí động tác động lên thân tàu trường hợp khảo sát Hình 4.25 thể đồ thị lực cản gió tác động lên tàu Các mô hình thực tính toán mô với điều kiện đầu vào Dựa kết thể hình 4.25 ta thấy phương án đề suất dẫn tới kết làm giảm lực cản không khí tác động lên tàu Nếu so sánh với giá trị ban đầu phương án làm giảm lực cản gió 36%, phương án hai làm giảm 37%, phương án giảm 5%, phương án giảm 39% Như giá trị giảm nhiều phương án ( sử dụng thượng tầng TT với vị trí thượng tầng đặt mũi tàu) Phương án phương án có giá trị giảm tương tự Điều cho thấy thay đổi hình dáng thượng tầng thay đổi nhỏ ảnh hưởng nhiều đến sức cản không khí theo hướng ngược với chuyển động tàu Về hình dạng thượng tầng TT TT tương tự Thượng tầng TT2 khác thượng tầng TT1 phần hạ bậc nhỏ mặt diện nhiên chiếu vuông góc phần hình chiếu không thay đổi Giá trị giảm 67 sức cản phương án phương án phương án phương án tương tự Lý hình dáng thượng tầng cho cặp phương án giống không kể tới thay đổi hình dạng bố trí tàu thya đổi vị trí thượng tầng Các kết tính toán lực cản hệ số lực cản tác động lên tàu thể chi tiết bảng 4.1 Trong hệ số lực cản khí động theo phương x y tương ứng tính toán theo công thức (1-3) nêu chương I Trong diện tích mặt hứng gió tác động lên mô hình tàu với thay đổi thượng tầng giữ nguyên giá trị so với trường hợp thượng tầng nguyên việc cải tiến thượng tầng không làm thay đổi giá trị diện tích mặt hứng gió R,( N) Nguyên PA1 PA2 PA3 PA4 Hình 4.25 Đồ thị lực cản gió tác động lên tàu Bảng 4.1 Bảng tính giá trị lực khí động hệ số lực khí động tác động lên tàu TT Rx, N Ry, N Cx Cy Nguyên 5.6842 0.0961 0.8347 0.0040 PA1 3.6617 0.0807 0.5382 0.0034 PA2 3.5544 0.0832 0.5224 0.0035 PA3 5.3725 0.3890 0.7897 0.0163 PA4 3.4754 0.0146 0.5108 0.0006 68 Thông qua việc nghiên cứu chuyển động dòng khí bao quanh thân tàu sở giá trị lực cản tính bảng 4.1 kết luận diện tích mặt hứng gió trực diện có ảnh hưởng lớn tới sức cản không khí Bằng việc tạo góc vát, góc lượn giúp làm giảm diện tích mặt hứng gió trực tiếp đem lại hiệu lớn tron việc làm giảm sức cản không khí tàu Trong trường hợp nghiên cứu luận văn, kết hợp việc vát góc thượng tầng thay đổi vị trí thượng tầng làm giảm tới gần 40% tổng lực cản gó tác động lên tàu 69 CHƢƠNG V: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 Kết Luận Phương pháp mô số CFD tính toán lực cản khí động tàu thủy phương pháp nghiên cứu đại phổ biến giới, nhiên lại phương pháp nước ta Phương pháp giúp ta tiết kiệm thời gian kinh phí so với phương pháp nghiên cứu lý thuyết truyền thống kết hợp với thực nghiệm Trong phương pháp nghiên cứu sử dụng mô số CFD ta thu hình ảnh phân bố vận tốc, áp suất, dòng bao quanh tàu Các kết giúp nhà nghiên cứu quan sát trực quan sinh động tượng vật lý dòng chảy bao quanh thân tàu Từ giúp ta đánh giá cách tổng thể đặc tính khí động hình dáng thân tàu, đặc biệt khu vực tạo dòng xoáy, để từ có thiết kế phù hợp cho mẫu tàu giảm lực cản Trên sở mô số, thành phần lực cản khí động tác động lên tàu tính toán so sánh, để tìm yếu tố thay đổi tích cực, giúp giảm lực cản gió tác động lên thân tàu Từ sở tính toán mô này, giúp nhà thiết kế, nghiên cứu tìm biện pháp làm giảm lực cản, tối ưu hình dáng cho tàu kiến trúc thượng tầng tàu Trên sở tính toán, phân tích kết mô số CFD, luận văn giải bước tính toán mô số CFD, đưa số giải pháp thay đổi hình dáng thượng tầng để nâng cao hiệu khai thác tàu thông qua việc giảm lực cản gió tác động lên tàu 5.2 Kiến nghị Do giới hạn thời gian làm luận văn cao học, giới hạn tốc độ xử lý máy tính cá nhân, đề tài dừng lại khảo sát lực cản khí động cho loại thân tàu hàng định Trên thực tế có nhiều laọi tàu khác cần nghiên cứu cụ thể Cũng lý này, luận văn, tác giả đưa số đề 70 xuất thay đổi hình dáng thượng tầng vị trí thượng tầng tàu Chưa khảo sát chi tiết thay đổi nhiều yếu tố khác tàu Các vấn đề tác giả xin tiếp tục mở rộng nghiên cứu sau Trong tính toán mô phỏng, việc cần thiết phải có thực nghiệm để kiểm nghiệm so sánh đánh giá kết tính toán mô Trong luận văn này, cọn hạn chế điều kiện thực nghiệm, tác giả chưa có điều kiện để thực thực nghiệm cần thiết Tác giả xin kiến nghị thực số thực nghiệm liên quan sau có điều kiện nghiên cứu tiếp đề tài Tác giả xin trân thành cảm ơn toàn thể quan, tổ chức, phòng ban, thầy cô tận tình giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Vũ Quang, Phạm Đức Nhuận Kỹ Thuật Thủy khí NXB KHKT Hà Nội 2009 [2] Lương Ngọc Lợi Cơ học thủy khí ứng dụng NXB Bách Khoa, Hà Nội 2011 [3] Nguyễn Phước Hoàng ( Chủ biên), Phạm đức Nhuận, Nguyễn Thạc Tân Thủy lực máy thủy lực NXB đại học trung học chuyên nghiệp, Hà nội 1979 [4] Chainani A, Perera N, July 2008, “CFD Investigation of Airflow on a Model Radio Control Race Car”, Proceedings of the World Congress on Engineering 2008, Vol II, London, U.K [5] Darko D., Drazan K., Marija Z., Zeljko I., Tomislav B., November 2010, “CFD analysis of concept car in order to improve aerodynamics”, International Scientific and Expert Conference TEAM 2010, Kecskemot [6] K Sugata, Y Iwamoto, Y Ikeda and Y Nihei: Reduction of Wind Force Acting on Non-Ballast Ship, the 5th APHydro2010 [7] K Mizutani, D Arai, Ngo V.H, Y Ikeda (2013) A Study on Reduction of the Wind Resistance Acting on a Wood Chip Carrier Proceeding of the JASNAOE, Hiroshima, Japan, Vol.16, ISSN: 2185-1840, pp.282-285 [8] K Mizutani, Y Akiyama, Ngo V.H, Y Ikeda (2014) Effects of cargo handling equipment on wind resistance acting on a wood chip carrier Proceeding of the JASNAOE, Hiroshima, Japan, Vol.18, ISSN: 2185-1840, pp.421-424 [9] Ngo V.H, K Mizutani, Y Ikeda (2014) Reducing air resistance acting on a ship by using interaction effects between the hull and accommodation Proceeding of the 7th AUN/SEED-Net RCMME 2014, Hanoi, Vienam, ISSN: 978-604-911-942-2, pp.497-501 [10] Ngo V.H, Phan A.T, Luong N.L, Y Ikeda (2015) A Study on interaction Effects on air resistance acting on a ship by shape and location of the accommodation Journal of Science and Technology, Vietnam, Vol 27, ISSN:1859-3585, pp 109-112 [11] ITTC, 2011, Practical Guideline for Ship CFD Application, No 7.53-01-03 72 [12] http://www.cfd-online.com/Wiki/Best_practise_guidelines [13] http://www.doylesails.com/news/labels/racing [14] http://www.cd-adapco.com/cfdImage/ship-hydrodynamics [15] http://dit-archives.epfl.ch/SCR96/scr8-page8.html [16] http://www.ansys-blog.com/mesh-creation-for-largestructural-analysis/ [17] http://www.ksft.or.kr/journal/article.php?code=36125 [18] ANSYS FLUENT 15.0 User's Guide [19] http://fluidsengineering.asmedigitalcollection.asme.org/article.aspx?articleid =14 73 BẢNG GIẢI THÍCH KÝ HIỆU NG MỤC LỤC Ký hiệu, từ viết tắt A (aft) Actual Area Akk Coefficients Cb Cms Cp Cwp Cws Cy Cx Deadweight Deg Displ Displacer Status Draft AP Draft MS Draft FP Eff/Perm Equilibrium F (fwd) F/S Corr  FSM GM at Equilibrium GM KML KMT L Tên gọi Phía lái (đuôi) Giá trị thực tính Diện tích Diện tích mặt ngang phần thân tàu nhô lên khỏi mặt nước Các hệ số vỏ tàu Hệ số béo thể tích Hệ số béo sườn Hệ số lăng trụ Hệ số béo đường nước Hệ số béo mặt ướt Hệ số lực nâng, Hệ số lực cản Trọng tải toàn phần Độ Lượng chiếm nước Báo cáo tình trạng thân tàu Chiều chìm lái Chiều chìm tàu Chiều chìm mũi Hệ số dung tích khoang Cân Phía mũi Ảnh hưởng mặt thoáng Khối lượng riêng chất lỏng Mômen quán tính mặt thoáng Chiều cao ổn đinh góc cân Chiều cao ổn đinh ban đầu Chều cao tâm ổn định dọc Chều cao tâm ổn định ngang Chiều dài 74 Đơn vị m-Rad tấn m m m độ T-m m m m m m TCG Hoành độ tâm Hoành độ tâm diện tích đường nước Chiều chìm Hoành độ trọng tâm Trọng lượng tàu không Các thành phần tải trọng Biên độ an toàn Cánh tay đòn lớn Tấn Mômen nghiêng dọc Khối lượng vật Mớn nước sườn xác định theo tư nghiêng tàu Mạn trái Hệ số ngập Góc lắc Mạn phải Khoảng cách từ trọng tâm đến mặt phẳng dọc WS Area Diện tích mặt ướt ĐN Đường nước Re (Rn) Số Reynolds Fr (Fn) Số Froude LCB LCF LCF draft LCG Light Ship Loading Summary Margin MaxRA MT MTcm m Origin Depth p (port) Perm Roll s (starboard) 75 m m m m T T-m/deg m độ m m2 ... lực cản gió tác động lên tàu nhằm nâng cao hiệu kinh tế khai thác tàu Đối tượng nghiên cứu nghiên cứu giảm lực cản gió tác động lên tàu chở hàng nhằm nâng cao hiệu khai thác tàu Do giới hạn thời... xuất giảm tới 25% lực cản gió tác động lên tàu [6] K Mizutani et al., (2013) nghiên cứu giảm lực cản gió tác động lên tàu chở bột gỗ, với việc bố trí thiết bị boong tàu, giúp giảm lực cản gió tác. .. động lên tàu nhằm nâng cao hiệu kinh tế khai thác tàu Lịch sử nghiên cứu Lĩnh vực tính toán lực cản tàu thủy nói chung, lực cản khí động tàu nói riêng có nhiều tác giả nước quan tâm nghiên cứu Từ