Tính toán sức cản tàu thủy bằng phương pháp CFD, ứng dụng để đưa ra các biện pháp nhằm giảm sức cản

8 DANH MỤC BẢNG BIỂU Chương 1 Bảng 3.1 Các thông số cơ bản của tàu Bảng 3.2 Bảng tính ượng chiếm nước của tàu khi tàu cân b ng và nghiêng 30Bảng 3.3 Thiết lập một số điều kiện tính toán

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 2

DANH MỤC HÌNH VẼ 5

DANH MỤC BẢNG BIỂU 8

MỞ ĐẦU 9

1 Tính cấp thiết của đề tài 9

2 Mục đích nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 10

3 Phương pháp nghiên cứu trong luận văn 10

4 Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp của tác giả 11

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHI N C U 12

1.1 Giới thiệu chung về sức cản tàu thủy 12

1.2 Sự cần thiết trong việc giảm sức cản cho tàu 13

1.3 Một số phương pháp giảm sức cản cho tàu 14

1.4 Các vấn đề sẽ giải quyết trong luận văn 20

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYÊT TÍNH TOÁN LỰC CẢN 21

2.1 Tính ực cản tác động ên tàu theo thuyết 21

2.2 Tính toán ực cản tàu b ng phương pháp C 23

CHƯƠNG 3 QUÁ TRÌNH TÍNH MÔ PHỎNG SỐ TÍNH LỰC CẢN GIÓ TÁC ĐỘNG LÊN TÀU THÔNG QUA SỬ DỤNG CFD 29

3.1 Mô hình tàu sử dụng trong tính mô phỏng CFD 29

3.2 Thiết kế miền không gian tính toán, chia ưới và đặt điều kiện biên 32

3.3 Các bước thực hiện tính toán mô phỏng 35

CHƯƠNG 4 LỰC CẢN GIÓ TÁC ĐỘNG L N TÀU VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP GIẢM LỰC CẢN GIÓ CHO TÀU 50

4.1 Mô hình tàu tính toán khảo sát lực cản gió 50

4.2 Kết quả tính mô phỏng phân bố áp suất và dòng bao quanh tàu 52

4.3 Kết quả mô phỏng lực cản gió tác động lên tàu 63

4.4 Đề xuất một số giải pháp nh m giảm lực cản gió cho tàu 65

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 66

5.1 Kết luận 66

5.2 Kiến nghị 66

LỜI CẢM ƠN 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

1

LỜI CAM ĐOAN

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

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Văn Cường

2

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Akk Diện tích mặt ngang của phần thân tàu nhô

lên khỏi mặt nước Coefficients Các hệ số

Cx3 Hệ số lực cản khi tàu nghiêng dọc 30

3

t

YM Hệ số thể hiện sự biến thiên quá trình gi n nở

Ry3 Lực cản theo phương y khi nghiêng dọc 30

5

DANH MỤC HÌNH VẼ Chương 1

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

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

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

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

Hình 1.7 Cải tiến hình dạng các tấm kẽm chống ăn mòn ắp trên tàu Hình 1.8 Cải tiến phần gót ky

Hình 1.9 Nguyên lý hệ thống đệm khí trên tàu

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

Hình 1.11 Tàu cá mũi quả lê ở Nhật Bản

Chương 2

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

Chương 3

Hình 3.1 Đường hình dáng tàu hàng 3400T

Hình 3.2 iểu đồ trọng ượng tàu khi tàu n m ngang

Hình 3.3 iểu đồ trọng ượng tàu khi tàu nghiêng dọc 30

Hình 3.4 Mô hình tàu hàng 3400T

Hình 3.5 Miền không gian tính toán mô phỏng C

Hình 3.6 Chia ưới miền không gian tính toán

Hình 3.7 Chia ưới trên bề mặt thân tàu

Hình 3.8 Giao diện khởi động tính toán mô phỏng sử dụng uent Hình 3.9 Giao diện đọc và kiểm tra ưới trong Fluent

Hình 3.1 Hộp thoại thay đổi đơn vị và kích thước mô hình

Hình 3.11 Thay đổi các thông số mô hình tính

Hình 3.12 Thiết ập các thông số ban đầu cho bài toán

Hình 3.13 Thiết ập mô hình rối tính toán

6

Hình 3.14 Thiết ập môi trường tính toán

Hình 3.15 Thiết lập điều kiện biên đầu vào

Hình 3.16 Thiết lập điều kiện biên đầu ra

Hình 3.17 Hộp thoại tính toán diện tích mặt hứng gió

Hình 3.18 Thiết lập các điều kiện đầu vào tính hệ số lực cản

Hình 3.19 Thiết ập các điều kiện hội tụ cho bài toán

Hình 3.20 Khởi tạo các điều kiện cho bài toán

Hình 3.21 Thiết ập bước thời gian tính toán và số vòng ặp cho bài toán Hình 3.22 Hộp thoại xuất dữ iệu tính toán đ thực hiện

Hình 3.23 Phân bố áp suất xung quanh tàu tại mặt cắt dọc tâm

Hình 3.24 Phân bố dòng bao quanh thân tàu tại mặt cắt dọc tâm

Hình 3.25 Đồ thị ực khí động tác động ên tàu theo các góc hướng gió khác nhau

Chương 4

Hình 4.1 Tàu không tải ở trạng thái khai thác cân b ng, NB1

Hình 4.2 Tàu không tải ở trạng thái khai thác nghiêng dọc 30, NB2

Hình 4.3 Tàu đầy tải trong trạng thái khai thác cân b ng, N 1

Hình 4.4 Tàu đầy tài trong trạng thái khai thác nghiêng dọc 30, NF2

Hình 4.5 Phân bố áp suất tại mặt cắt dọc tâm tàu, N 1

Hình 4.6 Phân bố áp suất tại một số mặt cắt b ng xung quanh tàu, N 1 Hình 4.7 Phân bố dòng bao quanh thân tàu, N 1

Hình 4.8 Phân bố áp suất trên bề mặt thân tàu, N 1

Hình 4.9 Phân bố áp suất tại mặt cắt dọc tâm tàu khi tàu nghiên 3 độ, NB2 Hình 4.1 Phân bố áp suất tại các mặt cắt b ng z = 0.1m và z = 0.15m, NB2 Hình 4.11 Phân bố áp suất tại các mặt cắt b ng z = 0.18m và z = 0.24m, NB2 Hình 4.12 Phân bố áp suất trên bề mặt thân tàu, N 2

Hình 4.13 Phân bố dòng bao quanh thân tàu khi nghiêng dọc 3 độ, N 2 Hình 4.14 Phân bố áp suất tại mặt cắt dọc tâm tàu đầy tải cân b ng, N 1 Hình 4.15 Phân bố áp suất tại mặt cắt b ng z = 0.13m, z = 0.15m, NF1

7

Hình 4.16 Phân bố áp suất tại các mặt cắt b ng z = 0.18m, z = 0.24m, NF1 Hình 4.17 Phân bố áp suất trên bề mặt thân tàu, NF1

Hình 4.18 Phân bố vận tốc dòng xung quanh tàu, NF1

Hình 4.19 Phân bố áp suất tại mặt cắt dọc tâm khi tàu nghiêng 3 độ, N 2

Hình 4.20 Phân bố áp suất tại các mặt cắt b ng z = 0.13, 0.15, 0.18 và 0.25(m), NF2

Hình 4.21 Phân bố áp suất trên bề mặt thân tàu, N 2

Hình 4.22 Phân bố vận tốc dòng xung quanh tàu, NF2

Hình 4.23 Đồ thị hệ số lực cản gió tác động lên tàu

Hình 4.24 Đồ thị hệ số lực cản gió tác động lên tàu

8

DANH MỤC BẢNG BIỂU Chương 1

Bảng 3.1 Các thông số cơ bản của tàu

Bảng 3.2 Bảng tính ượng chiếm nước của tàu khi tàu cân b ng và nghiêng 30Bảng 3.3 Thiết lập một số điều kiện tính toán mô phỏng

Bảng 3.4 Bảng xuất kết quả tính lực cản từ Fluent tại một thời điểm tính toán

Chương 4

Bảng 4.1 Bảng tính các hệ số lực khí động tác động lên tàu

Bảng 4.2 Bảng tính các hệ số lực khí động tác động lên tàu

9

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

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 đ 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 nghĩa ớn trong việc nghiên cứu lực cản và giảm lực cản tàu thủy trong quá trình vận hành nh m mục đích giảm chi phí khai thác tàu, góp phần tiết kiệm năng ượng nhiên liệu, giảm ượng khí thải Ngày nay C 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

ng 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 đ và đang được giải quyết trước những yêu cầu ngày một cao của thế giới Từ những yêu cầu thực tiễn và thực

quả kinh tế sử dụng, 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 b ng công cụ CFD, ứng dụng phân tích kết quả để đưa ra các biện pháp nh m giảm sức cản cho tàu Mục đích nghiên cứu trong luận văn này nh m:

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

ng dụng công cụ mô phỏng số CFD, thực hiện mô phỏng lực cản tác động lên thân tàu Trên cơ sở phân tích kết quả nghiên cứu và tính toán mô phỏng số CFD với mẫu tàu nguyên bản Tác giả đưa ra một số biện pháp nh m làm giảm lực cản 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 gian tính 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 hàng thông qua sử dụng công cụ tính mô phỏng số CFD

Đối tượng nghiên cứu của luận văn à 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 mặt nước thông qua mô phỏng số CFD Từ việc phân tích các kết quả mô phỏng số CFD lực cản gió và các đặc tính khí động thân tàu, tác giả đưa ra một số biện pháp cải tiến nh m 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 lý thuyết thuần túy kết hợp với mô phỏng số CFD Thông qua việc so sánh đánh giá

11

kết quả từ các nghiên cứu đ có sẵn, lý thuyết tính toán theo các công thức kinh nghiệm và kết quả mô phỏng số tác giả đưa ra các tính toán phù hợp có độ tin cậy nhất 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 làm giảm lực cản tàu thuy Bên cạnh đó, tác giả đi nghiên cứu các phương pháp, công cụ thực hiện nghiên cứu giảm lực cản hiện tại đang sử dụng Từ đó tác giả đi nghiên cứu tính toán lực cản tàu thủy b ng phương pháp sử dụng công cụ mô phỏng

số CFD Thông qua việc sử dụng công cụ mô phỏng số, tác giả thực hiện khảo sát các đặc tính khí động lực học tác dụng lên thân tàu hàng Từ các phân tích kết quả, tác giả đưa ra một số giải pháp nh m 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 gió tác động lên tàu, các biện pháp nh m giảm lực cản gió tác động lên tàu Luận văn này có thể sử dụng làm các tài liệu phục vụ cho việc nghiên cứu tính toán lực cản gió tác động lên tàu, sử dụng làm các tài liệu tra cứu về sự ảnh hưởng của lực cản gió đến quá trình khai thác tàu và cũng à tài iệu tham khảo cho các nhà khai thác sử dụng tàu trong khai thác tàu để có hiệu quả kinh tế nhất

Sức cản hình dáng RV: 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 nước thành phần sức cản này càng lớn

13

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

Sức cản toàn bộ của tàu được xác định là tổng của sức cản ma sát RF và sức cản dư Rr và các thành phần sức cản bổ sung:

RT = RF + Rr + RA (1.1)

1.2 Sự cần thiết trong việc giảm sức cản cho tàu

Như đ biết, chi phí nhiên liệu chiếm phần lớn trong tổng chi phí khai thác của tàu Lượng tiêu thụ nhiên liệu trên một phà cỡ lớn khoảng từ 1 đến 5000 lít/giờ, ượng tiêu thụ dầu đốt trên tàu này có thể nói nhiều hơn ượng dầu dùng đển sưởi ấm trong cả năm cho một gia đình Chi phí nhiên iệu cho một chiếc phà lớn chạy liên tục 20 giờ/ngày trong một năm có thể ên đến hàng triệu đô a [9] Ở nước

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

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

- Một số thông số chính của tàu như: hình dạng vỏ tàu, khối ượng tàu, loại động cơ, chân vịt…;

- Số ượng máy chính;

- Tốc độ tàu;

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

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

Một số biện pháp kỹ thuật được để đạt được hiệu quả trong việc giảm ượng

tiêu thụ nhiên liệu trên tàu (Hình 1.1):

14

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 nói cách khác là giảm sức cản của tàu và một số biện pháp khác cố gắng cải thiện hiệu quả của các thiết bị đẩy tàu và vận hành tàu

1.3 Một số phương pháp giảm sức cản cho tàu

Khi tàu chạy, hầu như toàn bộ năng ượng sinh ra từ thiết bị đẩy tàu tiêu hao cho sức cản tàu, mà chủ yếu là sức cản nhớt và sức cản sóng Do vậy, việc nghiên cứu giảm các thành phần sức cản trên có nghĩa ớn trong việc giảm tiêu hao nhiên liệu từ đó giảm được chi phí vận hành tăng hiệu quả khai thác của tàu, giảm ượng khí thải ra môi trường

Việc nghiên cứu giảm sức cản tàu tập trung chủ yếu vào việc giảm sức cản nhớt và sức cản sóng Sức cản nhớt đóng vai trò chính trong tổng sức cản của tàu, ở những vật chìm hoàn toàn hầu như chỉ có sức cản nhớt Vậy việc tìm các biện pháp giảm sức cản nhớt à điều quan trọng Đối với các vật thể dễ thoát nước chú đến việc giảm sức cản ma sát vì thành phần sức cản hình dáng không lớn Còn đối với các vật thể khó thoát nước phải giảm sức cản hình dáng Để giảm sức cản nhớt phải giảm độ nhám chung và độ nhám cục bộ, đặc biệt à độ nhám do việc quét sơn,

15

phòng chống rêu hà bám và độ ăn mòn, áp dụng các dạng tàu tránh hiện tượng tách lớp biên Một số biện pháp công nghệ giảm sức cản đang được nghiên cứu và áp dụng 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 xuất xưởng, vỏ tàu, bánh lái, chân vịt và các phần khác cần được giữ sạch Tuy nhiên theo thời gian, các bộ phận này sẽ bị bám bẩn do tảo, hàu và các loài khác làm cho tàu khó khăn khi chạy ở tốc độ định trước do gia tăng sức cản ma sát và àm tăng ượng tiêu hao nhiên liệu Việc làm sạch định kỳ sẽ cải thiện được tình trạng này, nếu như không thể đưa tàu ên triền đà hoặc vào ụ thường xuyên, việc làm sạch

chân vịt b ng 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

Po yme để giảm sức cản của tàu Trong suốt ba thập kỷ qua rất nhiều bài báo trình bày nghiên cứu về sử dụng Polyme trong việc sức cản tàu, các nghiên cứu chỉ ra

r ng các phân tử Polime bị kéo căng trong ớp biên rối bởi dòng chảy kết quả làm tăng độ nhớt cục bộ đ àm giảm sức cản chung trên toàn bộ bề mặt vỏ tàu, những nghiên cứu gần đây đ cho thấy các phân tử Po yme còn có tác động vào sự phân bố xoáy trong dòng chảy từ đó àm 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 b ng cách phun khí tạo lớp phủ không thấm

16

nước Cả ba phương pháp đều đ chứng mình là có khả năng giảm một ượng sức cản cho tàu một cách hiệu quả Hiệu quả giảm sức cản trong vấn đề này là công suất đẩy tàu đ giảm nhiều hơn so với công suất của hệ thống cấp khí Qua các thử nghiệm 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 tốc cho tàu với công suất không đổi Sử dụng biện pháp tạo khoang khí phù hợp với các tàu chạy với một tốc độ ít thay đổi, vì biện pháp này đạt hiệu quả cao nhất ở một phạm 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 kiến tách lớp biên

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

ưới đây à 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]:

17

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

19

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 động

b ng cách thay đổi chiều dài tàu Việc giảm đột ngột hoặc triệt tiêu hoàn toàn sức cản sóng khi đưa chuyển động vào số Fr > 1.0, các chế độ này là chế độ nổi tĩnh

b ng chế độ ướt, 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 ê 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 dụng mũi quả ê, các tàu cá đa số à kích thước nhỏ nên số ượng tàu cá lắp mũi quả lê là rất ít, một số nước có nghề ca phát triển như Nhật Bản, Hàn Quốc… đ sử dụng mũi

tàu quả lê trên tàu cá (hình 1.11):

Sóng sinh ra khi tàu chạy

20

Hình 1.11 Tàu cá mũi quả lê ở Nhật Bản

1.4 Các vấn đề sẽ giải quyết trong luận văn

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

Từ các tính toán đ thực hiện, tác giả thực hiện việc phân tích đánh giá, so sánh các kết quả đ thu được Trên cơ đó tác giả đưa ra một số giải pháp, khuyến cáo cho việc khai thác sử dụng tàu, cho các nhà thiết kế tôi ưu tàu nh m làm nâng cao hiệu quả khai thác, sử dụng tàu ở nước ta

21

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUY T TÍNH TOÁN LỰC CẢN

2.1 Tính lực cản tác động lên tàu theo l thuyết

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

2

1

2

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

Khi không có gió: V A  V

AA với mặt ph ng đối xứng của tàu

Có thể xác định VA b ng máy đo gió Cấp gió đƣợc phân thành 12 cấp gió opho dựa theo kết quả của cục khí tƣợng thuỷ văn Liên Xô

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

Cấp gió Vận tốc gió m s Cấp gió Vận tốc gió m/s)

23

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

RAA = (0,015 ÷0,03)Rx Khi không có gió thì RAA thường không lớn Khi có gió và ngược gió cấp 4, cấp 5, trên các tàu vận tải: RAA = (0,10÷0,15) Rx

Ở những tàu cao tốc RAA có trị số đáng kể ngay cả khi không có gió

Hệ số lực cản bổ sung Cd (hoặc kE ), phụ thuộc điều kiện khai thác tàu: khí tượng 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]

Loại tàu Trọng tải DWG, t Hệ số k E (C d )

2.2 Tính toán lực cản tàu bằng phương pháp CFD

Mô phỏng số thực chất là làm thí nghiệm trên máy vi tính B ng mô hình và phương pháp mô phỏng thích hợp sẽ cho ra kết quả giống với khi thực hiện trên mô hình trong phòng thí nghiệm Việc mô phỏng sẽ thực hiện chuyển hệ vật lý thành hệ các phương trình cơ bản và sau đó xác ập thành một mô hình toán học gồm hệ các phương trình xấp xỉ được giải trực tiếp hoặc b ng phương pháp ặp, sau đó phân tích sự hội tụ, tính chính xác và đánh giá sai số để xem xét tính hiệu quả của phương 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 iên quan đến mô hình

Các phương pháp mô phỏng:

RANS: Phương pháp trung bình Reyno ds Navier-Stokes

24

LES: Mô phỏng xoáy lớn

DES: Mô phỏng tách xoáy

Các mô hình toán:

o đặc điểm hình dáng thân tàu nên trạng thái dòng chảy xung quanh tàu là dòng chảy rối Khi có rối xảy ra àm tăng khả năng tiêu hao năng ượng, sự trao đổi nhiệt… Thông thường, việc mô tả dòng rối thường rất khó khăn bởi trong các

phương trình đặc tả có chứa các đại ượng chưa biết o đó, việc xây dựng các mô hình rối để nh m xác định các đại ượng này Phần mềm ANSYS FLUENT hỗ trợ các mô hình rối sau:

Trong đó:

(2.8) Trong đó: Gk là h ng số thể hiện sự phụ thuộc của sự hình thành năng ƣợng rối động học (k) vào sự biến thiên của vận tốc trung bình nhƣ sau:

Gb đƣợc xác định nhƣ sau:

26

Prt: h ng số Prant d, β: hệ số giãn nở nhiệt môi trường;

gi: thành phần gia tốc trọng trường theo phương i;

YM: Hệ số thể hiện sự biến thiên quá trình giãn nở so với giá trị trung bình:

Mt: số Mach:

a: vận tốc âm thanh , µt: hệ số nhớt rối

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

Kết hợp các phương trình trên với phương trình iên tục và phương trình động ượng, ta được một hệ phương trình khép kín để xác định trường phân bố vận tốc

Mô hình k-ε à mô hình đơn giản có thể áp dụng với hầu hết các bài toán thông thường với độ chính xác tương đối cao Tuy nhiên, trong các trường hợp đặc biệt, khi tính chất dòng bị thay đổi mạnh như xuất hiện sóng va, trong buồng cháy… việc áp dụng mô hình này cho kết quả không tốt

Mô hình k-ω: đây à cũng à 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 vật thể và cho kết quả tính toán chính xác với số Reynolds thấp Mô hình tính toán k-ω được chia ra thành hai dạng: dạng chuẩn và dạng SST (shear-stress transport) Mô hình dòng chảy rối k-ω dạng chuẩn tính toán đến sự thay đổi từ hiệu ứng số Reynold thấp, độ nén, và độ mở rộng sự trượt dòng chảy, với tỉ lệ mở rộng ngẫu nhiên Tỉ lệ trượt này có giá trị gần với giá trị đo cho các hiện tượng xẩy ra trên

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 các tính 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 gian cần 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 dụng một mô hình rối cho tất cả các bài toán, mỗi mô hình rối chỉ cho kết quả đúng trong một số trường hợp nhất định Điều đó đòi hỏi ta phải nắm rõ bản chất cũng như trường hợp áp dụng của chúng để đưa ra những lựa chọn hợp lý cho từng bài toán

Như trên đ 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 à phương trình bảo toàn mômen động ượng và phương trình iên tục (phương trình bảo toàn khối ượng), như sau: Phương trình bảo toàn viết trong hệ tọa độ Descartes:

ui, uj: các vận tốc tức thời (i,j = 1,2,3 phụ thuộc mô hình 2D, 3D)

FLUENT cung cấp 3 phương thức giải khác nhau: Segregated, Coupled implicit, Coupled explicit Cả ba phương thức giải đều cho phép tính toán với dòng bất kỳ Tuy nhiên trong một số trường hợp, việc chọn phương thức giải hợp lý sẽ cho kết quả chính xác hơn Segregated giải phương trình một cách tuần tự, trong khi couple tiến hành giải một cách đồng thời Implicit và explicit khác nhau ở cách tuyến tính hoá phương trình để tiến hành giải Thông thường Coup e được sử dụng cho các bài toán với ưu 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 bài toán chỉ có thể giải được b ng Segregated

29

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

TÁC ĐỘNG L N TÀU THÔNG QUA SỬ DỤNG CFD

3.1 Mô hình tàu sử dụng trong tính mô phỏng CFD

Trong luận văn này, tác giả sử dụng mô hình tàu hàng 3400 tấn àm đối tượng 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 số

kích 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

30

Hình 3.2 Biểu đồ trọng lư ng tàu khi tàu n m ngang

Hình 3.3 Biểu đồ trọng lư ng tàu khi tàu nghiêng dọc 3 0

31

Bảng 3.2 Bảng tính lư ng chiếm nước của tàu khi tàu cân b ng và nghiêng 3 0

32

Trong luận văn này, tác giả sẽ trình bày các tính toán mô phỏng với các trạng thái khác nhau của tàu Trạng thái tàu cân b ng và trạng thái tàu nghiêng dọc 3 độ Các thông số tính toán ượng chiếm nước của tàu trong các trạng thái khảo sát được

thể hiện trong hình 3.2, 3.3 và chi tiết trong bảng 3.1, 3.2 Hình 3.4 thể hiện mô

hình tàu 3 được xây dựng để thực hiện các tính toán mô phỏng trong luận văn này

Hình 3.4 ô hình tàu hàng 34 T

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

33

Hình 3.5 Miền không gian tính toán mô phỏng CFD

Việc chia ƣới đƣợc thực hiện trên công cụ ICEM CFD trong phần mềm Ansys, để tăng độ chính xác và thể hiện rõ đƣợc sự thay đổi của các pha, áp suất, vận tốc xung quanh tàu, ƣới đƣợc chia mịn ở phần biên dạng tàu, thô dần ra Chia ƣới miền không gian tính toán với kiểu ƣới không cấu trúc ƣới T, tạo đƣợc 1.73

triệu ƣới không cấu trúc tứ diện Hình 3.6 và 3.7 thể hiện hình ảnh chia ƣới miền

không gian tính toán cho bài toán

Hình 3.6 hia lưới miền không gian tính toán